脉冲宽带无线通信关键技术研究

发布时间：2017-10-08 05:39

  本文关键词：脉冲宽带无线通信关键技术研究

  更多相关文章： 脉冲 宽带通信 收发信机 差分接收 捕获 自相关

【摘要】：脉冲宽带无线通信可以追溯到一百多年前无线电起源的年代,最早的无线电发明者波波夫、马可尼就是利用火花放电产生无线电脉冲信号完成了最初的电报通信。上世纪40年代到60年代,Louisde Rosa、Conrad H. Hoeppner以及Gerald Ross、Henning Harmuth等为脉冲通信的工程实现方法做出了极大贡献,脉冲无线电(Impulse Radio,IR)的名称也开始被大家广为使用。在美国军方的研究推动下,IR技术在上世纪90年代得到了重视和快速发展。2002年4月,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)发布了关于超宽带(Ultra Wide Band, UWB)技术第一个民用标准规范,IR技术是UWB的主要实现方法之一,从此,IR-UWB技术在高速数据通信、成像系统、雷达定位等方面的应用迅速成为了全球的研究热点。与传统的宽带通信不同,脉冲宽带无线通信采用的是无载波调制,将信息调制到基带脉冲上形成基带脉冲序列后直接发送。这种方式有着显著的优势和特点：低频谱密度、低截获、抗多径衰落、穿透能力强和收发信机较为简单等。脉冲宽带通信包含但不局限于IR-UWB技术,有着更广的研究和应用范围。脉冲宽带通信的关键技术主要包含以下几方面：a.信道模型研究；b.极窄脉冲的产生以及调制技术；c.脉冲接收机射频前端实现技术；d.脉冲检测及同步技术。上述关键技术中,前两个方面前人的研究非常多,且已经比较成熟,因此本文主要对现有成果进行分析和介绍,考虑到信道与后面的算法研究密切相关,本文第二章单独对信道模型进行分析介绍。本文重点研究了上述关键技术中第三和第四方面与接收机实现相关的若干关键技术。本文主要研究内容和贡献包括以下几个方面：1、脉冲宽带通信接收机射频前端技术研究。在研究了超外差接收机、镜频抑制接收机、零中频接收机(Zero-IF Receiver, ZIR)以及直接放大采样接收机等多种接收结构的基础上,提出了基于直接放大采样结构的时分(Time Division, TD)双工收发信机前端模块实现方案,在具体电路实现中,针对其中接收链路低噪声、高增益、以及宽频段的要求,设计了基于双负反馈简并cascode结构的低噪放前级、基于镜像对称衰减器的宽带自动增益控制回路以及基于电阻并联负反馈的增益驱动后级。该一体化收发信机模块最终在0.05-2.5GHz高达5个倍频程范围创新实现基本指标,为基带系统提供了性能验证的前端平台,也为脉冲宽带系统的单片集成(System On Chip, SOC)提供了新的设计思路。2、脉冲宽带差分自相关接收技术研究。在介绍和研究了常见的相干接收方法、非相干能量检测接收方法以及非相干差分接收方法的基础上,指出了在对通信速率要求不是特别高的情况下,非相干差分接收方法是低成本低复杂度的最佳选择。针对宽带脉冲短时准静态的特点,本文提出了基于脉冲模板平均(Template Averaging Based, TAB)技术的自适应差分自相关接收(Adaptive Differential receiver, ADIFF)方法,并推导了相应的信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)公式。3、针对脉冲双极性调制(Binary Phase Shift Keying, BPSK),提出了极性盲恢复方法,具有误码自适应能力,显著降低了对模板质量的不利影响,并改善了差分方式固有的误码传递问题。仿真结果表明,该算法能显著提高脉冲接收的误码率性能。4、脉冲宽带通信检测捕获技术研究。在相干接收机中,脉冲信号的检测捕获技术是系统获得极限速率的关键,针对高速脉冲信号宽度极窄、占空比较大的特点,本文提出了只在接收脉冲信号的时间片内进行自相关接收的核心思想,与传统的在整个符号周期范围内进行自相关接收的方法相比,短时积分显著降低接收信号积分中噪声功率的累积,从而有利于提高接收机信噪比指标,也降低了系统运算量。另外,对连续接收到的多个脉冲信号的短时自相关值进行累积,可获得额外的脉冲接收能量累积增益,从而有利于提高系统接收检测性能。根据上述技术方案,本文详尽研究了基于广义自相关(Generalized Auto-correlation, GAC)技术的检测捕获算法以及适用于脉冲高速通信的短时自相关训练序列构成,并找出了最优训练序列。研究结果同时表明,本接收方案检测门限对各类常见信道环境并不敏感,因此,针对不同信道环境均可以使用同一个固定的检测门限值,整个接收方案及算法更为简洁。最后,仿真结果表明本技术方法能取得更高的检测精度和更高的捕获概率。
【关键词】：脉冲 宽带通信 收发信机 差分接收 捕获 自相关
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 英文缩写列表12-14
• 第一章 绪论14-34
• 1.1 课题背景14-17
• 1.2 文献综述17-19
• 1.3 脉冲宽带无线通信系统技术简介19-30
• 1.3.1 基本原理19-25
• 1.3.2 优势特点25-27
• 1.3.3 关键技术27-30
• 1.4 主要研究内容30-31
• 1.5 论文具体编排31-34
• 第二章 脉冲宽带无线通信信道模型34-46
• 2.1 信道特征与电波传播建模34-37
• 2.1.1 无线信道特征34-35
• 2.1.2 电波传播建模35-37
• 2.2 Rayleigh Fading-TDL多径模型37
• 2.3 Saleh-Valenzuela模型37-38
• 2.4 IEEE脉冲宽带信道模型38-45
• 2.4.1 路径损失模型39-40
• 2.4.2 IEEE脉冲宽带多径模型40-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第三章 脉冲宽带无线通信收发信机前端模块设计46-74
• 3.1 脉冲宽带射频前端结构46-52
• 3.1.1 接收机结构46-51
• 3.1.2 发射机结构51-52
• 3.2 宽带射频放大器关键技术52-57
• 3.2.1 关键指标参数52-54
• 3.2.2 宽带匹配技术54-57
• 3.3 脉冲宽带系统收发前端模块设计57-73
• 3.3.1 系统结构58-60
• 3.3.2 接收电路设计60-62
• 3.3.3 发射电路设计62-63
• 3.3.4 收发开关及辅助电路设计63
• 3.3.5 仿真结果63-67
• 3.3.6 电路实测67-73
• 3.4 本章小结73-74
• 第四章 脉冲宽带无线通信差分自相关接收技术74-86
• 4.1 脉冲宽带无线通信基带接收技术74-77
• 4.1.1 相干接收技术74-75
• 4.1.2 非相干接收技术75-77
• 4.2 基于模板平均的自适应差分接收技术77-81
• 4.2.1 系统模型77-79
• 4.2.2 性能分析79-81
• 4.3 仿真结果81-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 脉冲宽带无线通信自相干捕获技术86-108
• 5.1 引言86-88
• 5.2 系统模型88-89
• 5.3 GAC技术89-100
• 5.3.1 GAC实现方案89-91
• 5.3.2 完整训练序列91-96
• 5.3.3 门限值确定96-100
• 5.4 仿真结果100-106
• 5.5 总结106-108
• 第六章 总结与展望108-110
• 6.1 总结108-109
• 6.2 展望109-110
• 参考文献110-116
• 攻读学位期间的研究成果116

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