專利名稱：一種用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法。
背景技術(shù)：
相對于窄帶無線通信系統(tǒng)，超寬帶無線通信系統(tǒng)具有高傳輸速率(100Mbps～1Gbps)、極高的時間和空間分辨率、低截獲率、低功耗、低成本、易于全數(shù)字化實現(xiàn)等特點，是未來短距離高速數(shù)據(jù)通信應(yīng)用領(lǐng)域最有潛力的技術(shù)。
目前，常用的超寬帶接收技術(shù)均是基于超寬帶信號多徑分辨率極高的特性在時域內(nèi)收集多徑能量，典型的接收機(jī)應(yīng)用是超寬帶瑞克(Rake)接收機(jī)。與窄帶瑞克接收機(jī)相比，超寬帶接收機(jī)在實現(xiàn)上存在一些難題。極窄的超寬帶脈沖信號，其功率散布于幾GHz寬的頻譜上，采用傳統(tǒng)時域方法處理極窄脈沖會遇到相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，如對極窄脈沖采樣，要求ADC的速率極高，若利用并行采樣，接收機(jī)結(jié)構(gòu)會復(fù)雜化，同時在大搜索周期內(nèi)捕獲極窄脈沖很耗時。針對這些問題，超寬帶接收機(jī)的頻域處理概念被提出。頻域方法能以適度的復(fù)雜性和功耗實現(xiàn)數(shù)字CMOS。不過，超寬帶接收機(jī)的頻域處理概念也引出了一系列待解決的問題。正是針對這些問題，本發(fā)明提出了一種適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種適用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法，即頻域譜最優(yōu)合并(Frequency-DomainSpectrum-Optimal-Combination，簡稱FD-SOC)接收方法。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法，所述方法包括步驟(1)按照預(yù)定準(zhǔn)則，接收端得知發(fā)送端所發(fā)送的超寬帶發(fā)送脈沖信號p(t)的波形和其有限帶寬的頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}，并且存儲所述頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}中的有限個等間隔的離散頻率分量P(n)的矢量和信息Cp，其中Cp=Σn=1p_lenP(n),]]>p_len表示在{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)間隔為Δf的頻率分量數(shù)；(2)在所述接收機(jī)中對所接收的時域信號進(jìn)行傅立葉變換，以得到對應(yīng)的離散頻域接收信號Y(n)；(3)從所述頻域接收信號Y(n)中提取包含信道信息的導(dǎo)頻信號，并且利用頻域信道估計算法獲得頻域信道信息 (4)對所述頻域信道信息進(jìn)行共軛運(yùn)算，利用運(yùn)算結(jié)果對所述頻域接收信號Y(n)進(jìn)行加權(quán)處理，即Y^(n)=Y(n)·H^(n)H;]]>(5)在所述頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)尋找一組頻率分量序列，在所述序列組包含的頻率分量上對接收信號 進(jìn)行矢量合并，使合并值實部的模全局最優(yōu)，從而對處理后的接收信號 實現(xiàn)頻域譜最優(yōu)合并處理；(6)提取頻域譜最優(yōu)合并處理結(jié)果的實部，與所述信息Cp進(jìn)行比較判決，以獲取發(fā)送信息。
在本發(fā)明中，超寬帶脈沖信號可以是滿足超寬帶定義和FCC功率輻射規(guī)定限制的任意波形。導(dǎo)頻信號是一組循環(huán)發(fā)送的脈沖序列流，關(guān)于脈沖序列流沒有任何特殊設(shè)計，最簡單的情況就是把同一個脈沖信號循環(huán)發(fā)送多次，循環(huán)次數(shù)根據(jù)信道狀況而定。而且本發(fā)明中可采用任何頻域信道估計算法，從接收機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜度考慮，盡量采用低復(fù)雜度的頻域信道估計算法。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案的復(fù)雜度低，便于芯片集成實現(xiàn)，在性能上，與時域超寬帶瑞克接收機(jī)和頻域超寬帶相關(guān)接收機(jī)相比，基于本發(fā)明的超寬帶無線通信系統(tǒng)具有更好的性能。


下面參照附圖并結(jié)合實例來進(jìn)一步描述本發(fā)明。其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的接收機(jī)原理圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的頻域譜最優(yōu)合并的原理示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的復(fù)數(shù)Cy的矢量合成示意圖；圖4(a)-4(d)分別示出了基于頻域子空間信道估計的頻域譜最優(yōu)合并接收機(jī)與基于最大似然信道估計的MRC瑞克接收機(jī)在CM1-CM4信道環(huán)境下的性能比較。
具體實施例方式
圖1為接收機(jī)的原理圖。根據(jù)圖1所示，首先，本發(fā)明的頻域接收機(jī)通過多支低噪線性放大器(LNA)和濾波器組先對超寬帶信號進(jìn)行頻譜分解，然后以采樣速率Δf＝1/Tf對濾波后的信號在進(jìn)行采樣量化；其次，量化后的信號進(jìn)入到最優(yōu)譜合并接收單元。在最優(yōu)譜合并接收單元中，頻域樣本信號存儲著在{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)的有限個等間隔(即頻域采樣頻率Δf)的離散頻率分量P(n)，最優(yōu)譜合并位置序列尋找就是求同時滿足公式4的頻率分量的位置序列，然后在位置序列上進(jìn)行譜分量求和。最后，對求和結(jié)果提取實部，與有限個等間隔的離散頻率分量P(n)的矢量和Cp進(jìn)行比較，通過判決獲取發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。
圖2示出本發(fā)明的頻域譜最優(yōu)合并的原理示意圖。
已知發(fā)送脈沖p(t)是帶限信號，假設(shè)其帶寬范圍為{-ωp/2，ωp/2}，在該范圍內(nèi)存在p_len個等頻率間隔(Δf)的譜分量P(n)＝{P(1)P(2)…P(p_len)}。在脈沖頻譜帶寬范圍內(nèi)合并接收信號的所有譜分量Cy=Σn=1p_lenY(n)=Σn=1p_lenS(n)·H(n)+Σn=1p_lenN(n)=Cs·h+Cn]]>公式1圖3示出復(fù)數(shù)Cy的矢量合成示意圖。
根據(jù)圖3所示，譜矢量和Cy是一個復(fù)數(shù)，它實際上是信號矢量和Cs·h(公式1的前一項)與噪聲矢量和Cn(公式1的后一項)的二維矢量合，圖中Ry、Rs·h和Rn表示Cy、Cs·h和Cn的實部。由有限長序列傅立葉變換性質(zhì)分析，任意脈沖波形p(t)在{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)的譜矢量和Cp總是實數(shù)。當(dāng)頻域采樣頻率Δf＝1/Tf時，發(fā)送信號s(t)在{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)的譜矢量和Cs總是實數(shù)。Cp與Cs的表達(dá)式為Cp=Σn=1p_lenP(n)]]>和Cs=Σn=1p_lenS(n).]]>實數(shù)Cp的正負(fù)極性由脈沖形狀決定，而Cs與Cp的極性差別在于二進(jìn)制相移鍵控的調(diào)制符號。
信道傳播特性和噪聲的影響導(dǎo)致接收信號的譜矢量和Cy為一個復(fù)數(shù)(正負(fù)雙極性的BPSK調(diào)制對它沒有影響)，數(shù)據(jù)信息最終從該復(fù)數(shù)中獲取。由圖3分析，正確接收信號的條件是譜矢量和Cy的實部Ry與Cs同極性，即|∠Cy-∠Cs|<π2]]>公式2其中∠表示求相角運(yùn)算，|·|表示求模運(yùn)算。Ry同時受信道和噪聲的影響。在實際應(yīng)用中，有效地利用信道估計信息可以減小信道對Cy的影響。理論上，當(dāng)正確估計信道沖激響應(yīng) 時，可以通過共軛運(yùn)算完全消除信道的影響即R‾s·h=Re{Σn=1p_len{S(n)·H(n)·H^(n)H}}]]>公式3其中上標(biāo)H表示共軛運(yùn)算。為了進(jìn)一步提高抗噪聲的性能，|Rs·h|的值應(yīng)盡可能得大。
定義集合D＝{d1，d2，…，dp_len}，元素dk為{-ωp/2，ωp/2}內(nèi)接收信號Y的第k個離散頻率分量的位置標(biāo)識，1≤k≤p_len，k為整數(shù)。設(shè)M為整數(shù)變量，取值為1≤M≤p_len；另一變量γ[M]＝{n1，n2，…，nM}表示集合D內(nèi)任意元素的不同組合，組合長度為M，其中ni∈D，1≤i≤M。定義函數(shù) 1≤M≤p_len，該函數(shù)表示P(n)在n取D內(nèi)任意一個元素為值時的函數(shù)值或n取D內(nèi)任意元素組合的一組值時的矢量和。求函數(shù)R2{M，Υ[M]}實部的模取最大值時的變量值，如下公式4求滿足式公式4的變量M和γ[M]的值。假設(shè)式公式4的結(jié)果為M＝L，Υ[M]＝{f1，f2，…，fL}，fi∈D，1≤i≤L，則接收機(jī)在位置序列{f1，f2，…，fL}上進(jìn)行譜分量合并性能最佳。在位置序列{f1，f2，…，fL}上合并譜分量
Cop=Σn={f1,f2,...,fL}Y^(n)]]>公式5圖4顯示了基于頻域子空間信道估計的頻域譜最優(yōu)合并(FD-SOC)接收機(jī)和基于最大似然信道估計的MRC-瑞克接收機(jī)在超寬帶信道環(huán)境下的性能。仿真中采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.3a信道模型，CM1(基于0～4米范圍內(nèi)LOS信道測量)、CM2(基于0～4米范圍內(nèi)NLOS信道測量)、CM3(基于4～10米范圍內(nèi)NLOS信道測量)和CM4(平均時延擴(kuò)展為25ns的極端情況下NLOS信道測量)。每次發(fā)送800個符號，其中前80個符號用于信道估計，信道估計信息應(yīng)用于隨后發(fā)送的720符號，循環(huán)發(fā)送200次。誤碼率(BER)為錯誤比特數(shù)除以總的發(fā)送符號數(shù)和信道實現(xiàn)次數(shù)。從圖4觀察，在CM1和CM4情況下，基于本專利的UWB接收機(jī)性能顯著優(yōu)于7分支合并的瑞克接收機(jī)；在CM2情況下，僅比7分支合并的瑞克接收機(jī)在性能上有稍許的優(yōu)勢。從圖4(c)分析，在CM3狀況下，3分支、7分支合并的瑞克接收機(jī)和基于本專利的UWB接收機(jī)在性能上與CM1和CM2狀況相比均下降，此時，基于本專利的UWB接收機(jī)的性能比7分支合并的瑞克接收機(jī)差，但顯著優(yōu)于3分支合并的瑞克接收機(jī)性能。綜合分析，與時域UWB瑞克接收機(jī)相比，基于本專利的UWB接收機(jī)不僅展現(xiàn)了很好的性能，而且易于芯片集成實現(xiàn)，同時由于在頻域內(nèi)收集多徑能量時，復(fù)雜性與時間窗口內(nèi)的路徑數(shù)無關(guān)，接收機(jī)性能和復(fù)雜度不依賴于多徑分支數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法，所述方法包括步驟(1)按照預(yù)定準(zhǔn)則，接收端得知發(fā)送端所發(fā)送的超寬帶發(fā)送脈沖信號p(t)的波形和其有限帶寬的頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}，并且存儲所述頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}中的有限個等間隔的離散頻率分量P(n)的矢量和信息Cp，其中Cp=Σn=1p_lenP(n),]]>p_len表示在所述頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}內(nèi)間隔為Δf的頻率分量數(shù)；(2)在所述接收機(jī)中對所接收的時域信號進(jìn)行傅立葉變換，以得到對應(yīng)的離散頻域接收信號Y(n)；(3)從所述頻域接收信號Y(n)中提取包含信道信息的導(dǎo)頻信號，并且利用頻域信道估計算法獲得頻域信道信息 (4)對所述頻域信道信息進(jìn)行共軛運(yùn)算，利用運(yùn)算結(jié)果對所述頻域接收信號Y(n)進(jìn)行加權(quán)處理，即Y^(n)=Y(n)·H^(n)H;]]>(5)在所述頻率范圍{-ωp/2，ωp/2}范圍內(nèi)尋找一組頻率分量序列，在所述序列組包含的頻率分量上對接收信號 進(jìn)行矢量合并，使合并值實部的模全局最優(yōu)，從而對處理后的接收信號 實現(xiàn)頻域譜最優(yōu)合并處理；(6)提取頻域譜最優(yōu)合并處理結(jié)果的實部，與所述信息Cp進(jìn)行比較判決，以獲取發(fā)送信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(2)還包括步驟所述接收端通過多支低噪線性放大器和濾波器組對超寬帶信號進(jìn)行頻譜分解；以采樣速率Δf＝1/Tf對濾波后的信號在進(jìn)行采樣量化，其中Tf是發(fā)送脈沖的重復(fù)周期；對采樣量化后的信號進(jìn)行傅立葉變換，以得到對應(yīng)的離散頻域接收信號Y(n)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟(5)還包括通過滿足下式的位置序列上的頻率分量來實現(xiàn)頻域譜最優(yōu)合并處理，即 其中|·|表示求模運(yùn)算，函數(shù) 所述函數(shù)表示P(n)在n取D內(nèi)任意一個元素為值時的函數(shù)值或n取D內(nèi)任意元素組合的一組值時的矢量和，集合D＝{d1，d2，...，dp_len}，元素dk為{-ωp/2，ωp/2}內(nèi)接收信號Y的第k個離散頻率分量的位置標(biāo)識，1≤k≤p_len，k為整數(shù)，M為整數(shù)變量，取值為1≤M≤p_len；Υ[M]＝{n1，n2，...，nM}表示集合D內(nèi)任意元素的不同組合，組合長度為M，其中ni∈D，1≤i≤M。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于超寬帶無線通信系統(tǒng)的頻域接收方法，包括按照預(yù)定準(zhǔn)則，接收端得知發(fā)送端所發(fā)送的超寬帶發(fā)送脈沖信號p(t)的波形和其有限帶寬的頻率范圍，并且存儲所述頻率范圍中的有限個等間隔的離散頻率分量P(n)的矢量和信息C
文檔編號H04B1/707GK1649278SQ200510054768
公開日2005年8月3日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者張平, 陶小峰, 崔琪楣, 張月霞 申請人:北京郵電大學(xué)