UWB接收機關(guān)鍵技術(shù)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯UWB接收機關(guān)鍵技術(shù)-基礎(chǔ)電子UWB信道嚴(yán)重的頻率選擇性衰落特征和UWB系統(tǒng)的低輻射功率限制對接收機設(shè)計提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為優(yōu)化接收機設(shè)計，必須對定時同步、信道估計、接收機結(jié)構(gòu)等若干關(guān)鍵技術(shù)進一步的研究。

（1）定時同步

定時同步是UWB通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題，定時偏差和抖動將嚴(yán)重影響接收機性能。一般定時同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。在捕獲階段，要求接收機快速搜索信號到達時間，并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機定時。在同步跟蹤階段，接收機對微小的定時偏差進行補償以保持同步：在UWB系統(tǒng)中，由于信號持續(xù)時間非常短，且信號功率很低，使同步捕獲和跟蹤變得相當(dāng)困難。UWB信道的密集多徑特征進一步增加了定時同步的復(fù)雜性?？傮w上講，目前提出的UWB系統(tǒng)定時同步方法可以分為兩大類：數(shù)據(jù)輔助的定時同步（dataaided）、盲定時同步（non-ata缸ded）。數(shù)據(jù)輔助的同步方法借助于事先設(shè)計的導(dǎo)符號訓(xùn)練序列進行定時捕獲和跟蹤，采用的訓(xùn)練序列有M序列、Gold序列、巴克碼等。結(jié)合判決反饋的方法可以進一步提高跟蹤精度。這類同步方法的優(yōu)點在于捕獲速度較快、跟蹤精度高，但在系統(tǒng)帶寬效率和功率效率上付出較大的代價。盲定時同步借助于超寬帶信號內(nèi)在的循環(huán)平穩(wěn)特征進行定時捕獲和跟蹤，不使用任何預(yù)知的訓(xùn)練符號。這類方法在系統(tǒng)帶寬效率和功率效率上高于數(shù)據(jù)輔助的同步方法，但捕獲速度和同步性能會有所下降。上述兩類同步方法都是采用滑動相關(guān)尋找峰值的辦法，區(qū)別在于使用的相關(guān)器模板和先驗信息。每種方法在具體實現(xiàn)上又可分為：串行搜索和并行搜索。串行搜索僅采用一路相關(guān)器對接收信號進行同步捕獲，具有實現(xiàn)復(fù)雜度低的特點，但同步捕獲所需時間較長。并行搜索將幀時間分為幾個時間片段，采用并行的幾個相關(guān)器同時進行捕獲，囚此具有捕獲速度快的特點，但在實現(xiàn)復(fù)雜度上要付出一定代價。在搜索策略上又分為線性搜索、隨機搜索、反碼跳序搜索等。線性搜索實現(xiàn)簡單，但平均捕獲時間長，后兩種搜索策略可以在很大程度上加快捕獲速度，但要付出一定的復(fù)雜度代價。在高速無線個域網(wǎng)（WPAN）等無線網(wǎng)絡(luò)中，一般采用突發(fā)式的包傳遞模式。因此，采用數(shù)據(jù)輔助的同步方法與并行搜索相結(jié)合是比較合理的選擇。盲同步方法結(jié)合串行搜索比較適合于低成本、低功耗的低速網(wǎng)絡(luò)。

（2）瑞克接收

UWB系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為家庭、辦公室等室內(nèi)密集多徑環(huán)境，多徑信道的時延擴展達Z00ns以上，可分辨多徑數(shù)量與信號帶寬成正比，通常高達幾十至上百條。傳統(tǒng)的寬帶碼分多址（WCDMA）系統(tǒng)利用偽隨機擴頻碼的自相關(guān)特性分離多徑信號，采用瑞克接收機捕獲、合并可分辨的多徑信號能量，從而提高系統(tǒng)在多徑衰落信道中的性能。UWB脈沖信號具有天然的多徑分辨能力，因此可以采用瑞克接收技術(shù)對抗多徑信道引起的時間彌散。若要捕獲85％信道信號能量，往往需要幾十甚至上百個瑞克叉指。鑒于UWB系統(tǒng)低功耗、低復(fù)雜度要求，瑞克接收機的設(shè)計應(yīng)在復(fù)雜度和接收機性能之間進行折中考慮。

至今已有很多文章研究瑞克接收機在UWB系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了各種瑞克接收機結(jié)構(gòu)在UWB信道中的性能以及瑞克接收機性能與信號帶寬的關(guān)系。按瑞克接收機結(jié)構(gòu)可以分為全瑞克（ARake）、選擇式瑞克（S-Rake）和部分瑞克（PRake），合并策略分為等增益合并（EGC）、比合并（MRC）。ARake將所有可分辨的多徑信號進行合并，S-Rake在所有可能分辨的多徑信號中選擇強的幾個進行合并，而P-Rake將到達的幾條徑進行合并。EGC對各徑信號以相同的加權(quán)合并，而MRC根據(jù)信道估計結(jié)果對各徑信號按強度加杈合并。就接收機性能而言，A-Rake優(yōu)于SRake，S-Rake優(yōu)于P-Rake，MRC優(yōu)于EGC。就復(fù)雜度而言，EGO結(jié)合PRake為簡單，MRC與A-Rake結(jié)合實現(xiàn)復(fù)雜度。綜合考慮接收機性能與實現(xiàn)復(fù)雜度，SRake與MRC結(jié)合對高速UWB系統(tǒng)是合適的方案，而P-Rake與EGO結(jié)合特別適合于低成本、低功耗的低速系統(tǒng)。

由于UWB信號帶寬相當(dāng)大，收發(fā)天線和無線信道往往引起較嚴(yán)重的信號波形失真。若瑞克接收機仍然采用理想的脈沖波形作為相關(guān)器模板，系統(tǒng)性能將有很大的損失。因此，在UWB系統(tǒng)中，需要根據(jù)接收信號對瑞克接收機相關(guān)器模板進行估計和修正。一種較為實用的方法是將實測得到的UWB脈沖波形作為相關(guān)器模板。

信號帶寬的選擇也將影響瑞克接收機的復(fù)雜度和性能。若信號帶寬在500MHz左右，4～6叉指MRCS-Rake的性能已非常接近MRCA-Rake，若信號帶寬在幾個吉赫茲，則所需瑞克叉指數(shù)高達數(shù)十個。

（3）信道估計

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，若采用非相干檢測則可以簡化接收機復(fù)雜度，不需要進行復(fù)雜的信道估計。但非相干檢測比相干檢測有高達3dB左右的性能損失，這對功率受限系統(tǒng)尤其難以接受。為了保證系統(tǒng)傳輸可靠性和功率效率，UWB系統(tǒng)一般采用相干檢測，因此信道估計問題是UWB接收技術(shù)中的關(guān)鍵問題之一。

在基于脈沖的UWB系統(tǒng)中，采用瑞克接收機合并多徑信號能量并進行相干檢測9信道估計問題即估計多徑信號的到達時間和幅度。在基于OFDM的UWB系統(tǒng)中，接收機根據(jù)信道頻域響應(yīng)對每個子信道進行頻域均衡后進行相干檢測，信道估計問題即估計信道頻域響應(yīng)。

UWB信道是典型的頻率選擇性衰落信道，在時域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)出多徑成簇到達的現(xiàn)象。根據(jù)利用的先驗信息分類，現(xiàn)有的信道估計方法分為：數(shù)據(jù)輔助（data-aded）的信道估計、盲（blind）信道估計。數(shù)據(jù)輔助的信道估計方法利用已知的訓(xùn)練符號進行信道估計，具有估計速度快的特點，但在頻譜利用率和功率利用率上付出一定代價。盲信道估計不需要訓(xùn)練符號，利用信號自身的結(jié)構(gòu)特點或數(shù)據(jù)信息內(nèi)在的統(tǒng)計特征進行信道估計，但計算復(fù)雜度很高，收斂速度通常很慢。UWB系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)