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超宽带无线电技术的若干问题研究

作　者: 王敏
导　师: 吴顺君
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 超宽带无线电 TH-UWB DS-UWB 波形设计 B样条路径损失信道衰落离散信道最优和次最优接收机 RAKE接收机误码率合并滤波器 RAKE/MUD混合自适应接收机 UWB信号检测 TOA估计解析小波变换时域波束形成方向图可变时延电路分数时延滤波器频率不变波束形成多速率滤波器组径向基神经网络
分类号: TN925
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

超宽带无线电(UWB-R)技术,由于其独特的频域特性和时域特性,在雷达和通信领域具有非常大的应用潜力,近些年来已经受到众多研究人员和业界的广泛关注和重视。UWB-R具有抗多径和窄带干扰能力强、高距离分辨力、低截获概率、穿透能力强、传输速率高、系统复杂度低等一系列优点,可以提高目标探测能力和有效利用频谱资源。然而作为一个新兴技术,UWB-R从波形设计、信道建模和估计、接收机设计到空时处理与传统窄带系统有着许多不同的地方。本文针对UWB-R的特点,分析了UWB-R在系统应用中的各种问题,并对若干关键问题进行了重点研究。本文工作具体概括如下：1.针对UWB系统的抗干扰和与其它系统共存的需要,研究了符合FCC频谱规范的UWB波形设计问题。利用样条函数逼近的原理,提出一种新的UWB发射脉冲构造方法。分析了一个使用B样条的通信系统,给出了B样条的实际电路产生方法。采用B-样条作为基函数去逼近具有特定频率特性的理想脉冲波形,从而将待求解的问题转化为一个有约束的优化问题,采用遗传算法求解,最终得到了一组近似正交的满足要求的UWB脉冲波形。2.介绍和分析了UWB信号传播的大尺度和小尺度模型,对UWB信道进行了仿真,给出了一种实际离散信道的产生方法。分析了自由空间和非自由空间的路径损耗模型,讨论了UWB衰落信道的统计特性,其中重点介绍了改进的Saleh-Valenzuela模型。对UWB系统进行了链路预算分析,研究了其不同于传统信道的特点。最后实验分析了基于S-V模型的IEEE 802.15.3a信道,对其实际应用给出了基于插值的简便易行的离散信道产生方法。3.研究了I-UWB接收机的设计和实现问题,提出了一种新的UWB RAKE/MUD混合自适应接收机。首先从最优接收机和次最优接收机出发,介绍和分析了I-UWB接收机的设计方法和一般问题。介绍了UWB相干RAKE接收机和部分相干RAKE接收机的结构,重点分析了RAKE接收机在可分辨和不可分辨多径条件下的性能,并研究了TH-UWB和DS-UWB RAKE接收机的结构和具体实现方案。为了提高抗窄带干扰和多址干扰能力,将MMSE自适应合并和多用户检测器结合起来,得到了一种新的UWB RAKE/MUD混合自适应接收机,推导了其自适应更新的公式。最后建立了Simulink仿真模型,并实验验证了不同调制和合并方式以及干扰存在下的I-UWB接收机的性能。4.提出UWB定位系统中的一种基于解析小波变换的UWB信号检测和TOA估计方法。首先讨论了UWB多径信道的最大似然估计法和基于广义最大似然法来估计直接路径TOA的迭代搜索算法。然后作为对比,提出一种新的使用发射脉冲作为基小波,来对UWB接收信号进行解析小波变换的分析方法。通过使用累计量进行阈值处理,去噪重构后可以有效地获得UWB脉冲的强度和延时信息。作为一种非参数化方法,无需UWB接收信号的结构信息和脉冲波形的先验知识,克服了匹配滤波接收的缺点。即使存在波形失真的情况下,也能具有较好的多径分辨能力和TOA估计结果。5.研究了UWB脉冲信号接收阵列的空时处理原理,针对高精度的可变时延电路实现问题,提出了将数字延迟线和分数阶的采样延时补偿滤波器(FDCF)相结合的时域数字波束形成实现方法。数字延时线可以实现整数倍采样间隔的时延补偿,然后FDCF来补偿分散的分数倍时延。考察和比较了现有的多种分数时延滤波器设计方法,确定了Lagrange插值多项式系数法和Farrow结构设计法为适合UWB空时处理需要的两种固定和连续可调时延VDC实现方法。其中对于Farrow结构的设计,采取了一种基于泰勒级数展开的简明推导方法,给出了由一阶微分算子组成的FDCF结构流图。仿真结果证实了本文设计方案确实有效地提高了波束形成器的性能,尤其在低采样速率下具有更为明显的优势。6.提出一种适合UWB脉冲信号的基于多速率滤波器组的波束形成方法。该方法避开了时域处理中延迟控制的问题,同时实现了大带宽范围内的均匀一致的频率不变阵列响应。具体分析了实现多速率滤波的几种结构方式,其优点是滤波器设计简单,运算量跟子带数目无关,同时UWB脉冲信号处理的不连续性使得其可以采用比较简单的时域插值算法。7.提出一种使用径向基神经网络实现UWB脉冲阵列的空时处理的方法。借助神经网络的非线性处理能力,径向基神经网络可以实现UWB脉冲空时处理中的多通道延迟映射,从而获得较好的波束控制,特别是在UWB脉冲阵列近场波束形成中具有明显的优点。它不需要对每个通道进行单独处理,因此具有方向图性能好和对噪声鲁棒性较强的优点。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-37
  §1.1 研究背景和历史发展  15-17
  §1.2 UWB无线电技术的特点和应用  17-19
  §1.3 超宽带系统  19-23
    §1.3.1 UWB雷达  20-22
      §1.3.1.1 随机噪声雷达和频率调制的UWB雷达  20-21
      §1.3.1.2 冲激脉冲雷达(Ⅰ—UWB)  21-22
    §1.3.2 UWB通信  22-23
      §1.3.2.1 无载波系统(Ⅰ—UWB)  22
      §1.3.2.2 多载波系统(MB-OFDM)  22-23
  §1.4 UWB关键技术及研究现状  23-28
  §1.5 本文的主要工作和内容安排  28-29
  本章参考文献  29-37
第二章超宽带无线电技术基础  37-57
  §2.1 UWB信号波形  37-40
    §2.1.1 高斯单脉冲  38-39
    §2.1.2 升余弦脉冲  39
    §2.1.3 单载波的UWB脉冲  39-40
  §2.2 UWB信号的调制  40-41
  §2.3 UWB信号的扩频编码  41-43
    §2.3.1 TH-UWB  41-43
    §2.3.2 DS-UWB  43
  §2.4 正交UWB模板波形调制  43-44
  §2.5 UWB发射信号的功率谱分析  44-46
  §2.6 UWB接收机的类型和最优接收机  46-51
    §2.6.1 UWB接收机的类型  46-48
    §2.6.2 最优和次最优UWB接收机  48-51
  §2.7 结束语  51-52
  本章参考文献  52-54
  附录:随机序列TH-SS的功率谱密度(PSD)分析  54-57
第三章 UWB信号波形设计  57-69
  §3.1 引言  57
  §3.2 基于特征分解的UWB脉冲设计  57-59
  §3.3 基于B-样条的UWB-R通信系统  59-62
  §3.4 频谱屏蔽要求下的基于B样条的UWB脉冲设计  62-64
  §3.5 实验和小结  64-67
  本章参考文献  67-69
第四章 UWB信道模型与仿真  69-81
  §4.1 路径损失模型  69-72
    §4.1.1 自由空间中的路径损失模型  69-70
    §4.1.2 非自由空间中的路径损失模型  70-72
  §4.2 UWB链路预算计算  72-73
  §4.3 衰落信道模型  73-77
    §4.3.1 信道脉冲响应的统计模型  74
    §4.3.2 Saleh-Valenzuela模型  74-76
    §4.3.3 幅度统计特性  76-77
  §4.4 仿真实验和离散信道产生  77-79
  §4.5 结束语  79-80
  本章参考文献  80-81
第五章 Ⅰ-UWB接收机设计和性能分析  81-101
  §5.1 引言  81-82
  §5.2 最优和次最优的UWB接收机  82-83
  §5.3 UWB RAKE接收机  83-87
  §5.4 RAKE接收性能分析  87-89
  §5.5 TH-UWB和DS-UWB RAKE接收机实现  89-93
  §5.6 RAKE/MUD混合自适应UWB接收机  93-96
  §5.7 实验和小结  96-99
  本章参考文献  99-101
第六章基于小波分析的UWB信号检测和TOA估计  101-115
  §6.1 引言  101-102
  §6.2 UWB直接路径的TOA测量算法  102-105
    §6.2.1 UWB多径信道的最大似然估计  102-103
    §6.2.2 直接路径的广义最大似然估计  103-105
  §6.3 基于小波变换的UWB信号检测和时延估计  105-109
    §6.3.1 解析小波变换  106-107
    §6.3.2 基于解析小波的UWB接收信号分析  107-109
  §6.4 实验和小结  109-113
  本章参考文献  113-115
第七章 UWB信号的时域波束形成方法  115-131
  §7.1 引言  115-116
  §7.2 UWB脉冲阵列空时处理原理  116-118
  §7.3 高精度时域波束形成  118-120
  §7.4 分数时延补偿滤波器设计  120-124
    §7.4.1 固定延迟的FD滤波器方法  120-122
    §7.4.2 可变的分数时延滤波器设计  122-124
  §7.5 实验和小结  124-128
  本章参考文献  128-131
第八章基于多速率滤波器组的UWB脉冲波束形成  131-139
  §8.1 引言  131
  §8.2 UWB脉冲信号阵列的频域分析  131-133
  §8.3 UWB阵列的多速率滤波器组实现  133-136
  §8.4 实验和小结  136-138
  本章参考文献  138-139
第九章基于径向基网络的UWB阵列空时处理  139-151
  §9.1 引言  139-140
  §9.2 径向基神经网络和学习策略  140-142
  §9.3 基于RBFNN的UWB阵列波束形成  142-144
  §9.4 RBFNN的学习训练算法和性能分析  144-146
  §9.5 实验和小结  146-148
  本章参考文献  148-151
总结与展望  151-155
致谢  155-157
作者在攻读博士学位期间撰写的学术论文  157-159
作者攻博期间参与的科研项目  159-160

超宽带无线电技术的若干问题研究

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