一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及非相干超寬帶(UWB)無線通信領(lǐng)域，特別是基于傳輸參考脈沖簇(TRPC)的UWB通信系統(tǒng)，公開了一種適用于TRPC‐UWB通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法。首先建立帶通(Passband)TRPC‐UWB系統(tǒng)的分析模型，包括基帶信號(hào)、上變頻、多徑信道、下變頻及基帶檢測(cè)模塊；然后根據(jù)通用的相位噪聲模型及多徑信道特性對(duì)該分析模型進(jìn)行近似變換，得到等效的分析模型；基于該等效模型推導(dǎo)出相位噪聲對(duì)系統(tǒng)誤碼性能影響的理論表達(dá)式，由該表達(dá)式并結(jié)合具體的信道模型參數(shù)即可得到相應(yīng)的半解析誤碼率曲線。本發(fā)明的分析方法能夠快速、精確地評(píng)估帶通TRPC‐UWB系統(tǒng)中相位噪聲對(duì)于誤碼性能的影響，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗及低復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。
【專利說明】一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非相干超寬帶無線通信領(lǐng)域，涉及基于傳輸參考脈沖簇的非相干超寬 帶通信系統(tǒng)，特別涉及一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 超寬帶（Ultra-Wideband,UWB)技術(shù)以低成本、低功耗及良好的時(shí)域分辨能力 等特點(diǎn)成為一種頗具潛力的短距離無線通信解決方案。特別是在低碼率無線個(gè)域網(wǎng) (WirelessPersonalAreaNetworks，WPANs)標(biāo)準(zhǔn)修正案IEEE802. 15. 4a中，超寬帶被米 納為備選的物理層傳輸技術(shù)之一，因而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。在低碼率的超寬帶系 統(tǒng)中，出于低成本、低功耗等要求的考慮，較多地是采用復(fù)雜度較低、對(duì)采樣速率要求不高 且不需要信道估計(jì)的非相干（N〇n-c〇herent，NC)接收機(jī)。目前用于非相干超寬帶系統(tǒng)的 流行檢測(cè)技術(shù)為能量檢測(cè)器（Energydetector,ED)和自相關(guān)接收機(jī)（Autocorrelation Receiver,AcR)。其中，自相關(guān)接收機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)健等特點(diǎn)通常用于基于傳輸 參考（TransmittedReference,TR)信號(hào)的UWB通信系統(tǒng)。
[0003] 基本的TR時(shí)域信號(hào)為脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)（前一個(gè)脈沖稱為參考脈沖，后一個(gè)脈沖用于調(diào) 制數(shù)據(jù)因而稱為數(shù)據(jù)脈沖）。在傳統(tǒng)的TR-UWB系統(tǒng)中，在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)處理時(shí)為 了避免由多徑延時(shí)擴(kuò)展所造成的脈沖間干擾（Inter-pulseInterference,IPI)，需要引入 很長的延遲線（可達(dá)數(shù)百納秒）來隔離參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖。但是，以當(dāng)前的工藝水平不 可能將如此長的延遲線精準(zhǔn)地集成到Soc芯片；而如果采用模擬延遲線，僅20納秒的延遲 線就需要用6米長的同軸電纜。過長延遲線的問題已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)TR-UWB系統(tǒng)的巨大障礙。
[0004] 針對(duì)TR-UWB系統(tǒng)延遲線過長難以實(shí)現(xiàn)的缺陷，研宄人員已經(jīng)分別從時(shí)域、頻域或 碼域的角度提出了相應(yīng)的解決方案。其中，一種巧妙的時(shí)域方法即是采用緊密排列的脈沖 對(duì)排列結(jié)構(gòu)一TRPC信號(hào)結(jié)構(gòu)。TRPC采用緊密的脈沖排列結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)引入IPI，但研 宄結(jié)果表明：IPI僅使其判決閾值產(chǎn)生偏移，采用簡(jiǎn)單的判決閾值優(yōu)化即可有效消除IPI的 影響；緊密的脈沖對(duì)排列結(jié)構(gòu)不僅使得超寬帶延遲線縮短為一個(gè)脈沖的寬度（一般在2納 秒以下，可集成到Soc)，而且在自相關(guān)積分中還能充分利用參考脈沖能量（傳統(tǒng)TR-UWB系 統(tǒng)要損失將近一半的參考脈沖能量），大大提高了能量效率和檢測(cè)性能，在同一誤碼率指標(biāo) 下，TRPC-UWB所需的信噪比相比傳統(tǒng)TR-UWB可降低2?3dB。基于上述獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，TRPC-UWB 系統(tǒng)已經(jīng)被進(jìn)一步深入研宄，其在低成本、低功耗及低復(fù)雜度UWB應(yīng)用場(chǎng)合中的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 問題也備受關(guān)注。
[0005] 目前，學(xué)術(shù)界為了分析方便通常是采用基帶系統(tǒng)作為TRPC-UWB的等效研宄模 型。然而，根據(jù)各國無線電管理機(jī)構(gòu)在頻譜分配方面的相關(guān)規(guī)定，UWB通信系統(tǒng)實(shí)際上 卻是一個(gè)帶通（Passband)系統(tǒng)。例如，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FederalCommunications Commission,FCC)為UWB通信分配的頻段是 3. 1GHz?10. 6GHz;IEEE802. 15. 4a標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 也相應(yīng)地為UWB設(shè)備劃分了 16個(gè)工作頻帶。而設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)帶通系統(tǒng)最為方便可行的方法是 在發(fā)射機(jī)端通過上變頻（Up-conversion)將信號(hào)從基帶搬移到工作頻帶；相應(yīng)地，在接收 機(jī)端通過下變頻（Down-conversion)將帶通信號(hào)變換為基帶信號(hào)后再進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處 理。其中，上/下變頻的核心模塊是振蕩器（Oscillator)，即待變換信號(hào)與振蕩器輸出載波 相乘后被搬移到相應(yīng)的載波頻帶。然而，由于電子器件的非理想工作特性，任何振蕩器均無 法輸出理想的載波信號(hào)，即輸出載波中包含相位噪聲，相位噪聲的存在會(huì)影響到系統(tǒng)誤碼 率。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，必須準(zhǔn)確地分析、評(píng)估相位噪聲對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響。
[0006] 目前，在非相干UWB通信系統(tǒng)中，針對(duì)相位噪聲的系統(tǒng)性能分析尚未獲得。雖然在 其它通信系統(tǒng)（如OFDM系統(tǒng)）中有少數(shù)相關(guān)研宄成果，但是由于系統(tǒng)特性的差異無法將它 們應(yīng)用于非相干UWB通信系統(tǒng)。另一方面，雖然通過軟、硬件實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法可獲得直接確 鑿的數(shù)據(jù)，但是其時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高且缺乏靈活性。因此，如何能夠快速、精確地分析評(píng) 估相位噪聲對(duì)于系統(tǒng)誤碼率的影響，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗及低復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系 統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化具有重要的參考價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種快速、靈活、準(zhǔn)確的非相干超 寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法。
[0008] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0009] 包括以下步驟：
[0010] 1)、將基帶信號(hào)經(jīng)過上變頻、多徑信道、下變頻及基帶檢測(cè)處理，建立帶通 TRPC-UWB系統(tǒng)的分析模型；
[0011] 2)、根據(jù)相位噪聲模型及多徑信道特性對(duì)所述帶通TRPC-UWB系統(tǒng)的分析模型進(jìn) 行近似變換，得到等效分析模型；
[0012] 3)、利用所述等效模型推導(dǎo)出相位噪聲對(duì)帶通TRPC-UWB系統(tǒng)誤碼性能影響的半 解析表達(dá)式；
[0013] 4)、建立基帶TRPC-UWB系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)模型，在實(shí)際的信道模型中估計(jì)半解析表達(dá) 式參數(shù)，并將參數(shù)代入半解析表達(dá)式得到對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線。
[0014] 所述步驟1)具體描述為：
[0015] 設(shè)帶通TRPC-UWB系統(tǒng)為單用戶系統(tǒng)，其中對(duì)應(yīng)于第i個(gè)符號(hào)的基帶信號(hào)表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 、將基帶信號(hào)經(jīng)過上變頻、多徑信道、下變頻及基帶檢測(cè)處理，建立帶通TRPC-UWB系 統(tǒng)的分析模型； 2) 、根據(jù)相位噪聲模型及多徑信道特性對(duì)所述帶通TRPC-UWB系統(tǒng)的分析模型進(jìn)行近 似變換，得到等效分析模型； 3) 、利用所述等效模型推導(dǎo)出相位噪聲對(duì)帶通TRPC-UWB系統(tǒng)誤碼性能影響的半解析 表達(dá)式； 4) 、建立基帶TRPC-UWB系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)模型，在實(shí)際的信道模型中估計(jì)半解析表達(dá)式參 數(shù)，并將參數(shù)代入半解析表達(dá)式得到對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，所述步驟1)具體描述為： 設(shè)帶通TRPC-UWB系統(tǒng)為單用戶系統(tǒng)，其中對(duì)應(yīng)于第i個(gè)符號(hào)的基帶信號(hào)表示為：
其中，Eb為單個(gè)符號(hào)的發(fā)射能量，N,為發(fā)送每個(gè)符號(hào)所需要的脈沖對(duì)重復(fù)次數(shù)，g(t)為 能量歸一化的超寬帶脈沖，{±1}:為發(fā)射的二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，Ts為符號(hào)周期，Td為參考 脈沖和數(shù)據(jù)脈沖之間的延時(shí)，在帶通TRPC-UWB系統(tǒng)中滿足Td彡Tp，Tp為脈沖寬度，m為非 負(fù)整數(shù)，t為連續(xù)時(shí)間變量； 上變頻振蕩器輸出余弦載波Itx(t)和正弦載波Qtx(t)分別將基帶信號(hào)s(t)變換為同 相（In-phase,I)分量和正交（Quadrature,Q)分量，該兩路帶通分量被合并為一路帶通信 號(hào)后，再從天線上發(fā)射出去，即發(fā)射的帶通TRPC-UWB信號(hào)為：
其中，f。為載波的中心頻率，Θtx(t)表示上變頻振蕩器輸出的相位噪聲； 多徑信道沖激響應(yīng)的表達(dá)式為：
其中，ajPτk分別表示第k徑多徑分量的復(fù)衰落系數(shù)及到達(dá)延時(shí)，設(shè)τk=kT。，其 中，T。= 1/f。表示可辨識(shí)的多徑時(shí)間分辨率，K為多徑信道個(gè)數(shù)； 帶通TRPC-UWB信號(hào)sT(t)通過多徑信道后，在接收機(jī)天線處經(jīng)帶通濾波器濾波后得到 的接收信號(hào)為：
其中，符號(hào)?表示卷積，n(t)為單邊功率譜密度PSD為Ntl的復(fù)加性高斯白噪聲AWGN; 下變頻振蕩器輸出的余弦載波(t)和正弦載波Qm (t)分別對(duì)接收信號(hào)r(t)進(jìn)行下 變頻變換，得到兩路信號(hào)分別表示為
其中，弓(0為下變頻處理后的同相分量，$(〖）為下變頻處理后的正交分量，ΘM(t)表 示下變頻振蕩器輸出的相位噪聲；Φ表示發(fā)射機(jī)振蕩器和接收機(jī)振蕩器之間的初始相位 差，用一個(gè)在[〇, 2 31 )上服從均勻分布的隨機(jī)變量來描述； 巧(〇和&(〇分別經(jīng)過低通濾波器濾波后得到兩路基帶分量1'1(〇和1^(〇，對(duì)1' 1(〇和 rQ(t)分別進(jìn)行自相關(guān)積分處理后，合并為一路基帶信號(hào)，即得到對(duì)應(yīng)于第i個(gè)符號(hào)的判決 變量為：
其中，TdPT2分別表示自相關(guān)積分區(qū)間的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，（·Γ表示復(fù)數(shù)的共軛運(yùn)算， 最后，相應(yīng)的符號(hào)判決為
其中，Re{ · }表示對(duì)復(fù)數(shù)取實(shí)部運(yùn)算。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，步驟2)所述的上、下變頻振蕩器輸出的相位噪聲0tx(t)、0M(t)為互相獨(dú)立的零均值 的高斯隨機(jī)過程：
其中，y(t)為零均值的高斯白噪聲過程，其雙邊PSDSN1，則0tx(t)、0n(t)的方差 表示為： Var[Θtx (t) ] =Var[Θrx (t) ] = (2π) 2N^ = 2πβt, (10) 其中βI2JiN1S表征相位噪聲強(qiáng)度的參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，所述步驟2)對(duì)所述帶通TRPC-UWB系統(tǒng)的分析模型進(jìn)行近似變換，得到等效分析模型具 體為： 對(duì)分析模型中基帶信號(hào)先進(jìn)行上變頻處理，然后再通過信道卷積及加噪聲的流程，通 過（11)式處理，近似變換為基帶信號(hào)先通過信道卷積及加噪聲，然后再進(jìn)行上變頻處理得 到一個(gè)等效分析模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，具體包括： 將⑷式改寫為：
其中，第二個(gè)等號(hào)的成立是基于τk=kT。，即多徑時(shí)間分辨率假設(shè)；nB(t)表示單邊PSD為Ntl的復(fù)基帶AWGN。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，所述步驟3)具體為： 3. 1)、利用等效的分析模型，（5)式和（6)式分別改寫為
3. 2)、將5(0和$(0分別通過低通濾波器LPF濾除高頻分量后，得到的基帶分量分別 為
其中，Θ(t) =Θtx(t)-Θrx(t); 3. 3)、對(duì)rT(t)和rjt)分別進(jìn)行自相關(guān)處理后進(jìn)行合并得：
其中，Φ⑴=Θ(t)-0 (t-Td); 3. 4)，將（17)式代入（7)式，得到第i個(gè)符號(hào)的判決變量為：
式中：
Φ(/τ" +η 其中，te[il^+H+igj= ('+1^/2,火=為標(biāo)準(zhǔn)高斯隨機(jī)變量，即有:X?N(0, 1); 3. 5)、將（19)式代入（18)式得：
其中，Y=X2為服從中心卡方（Centralchi-squared)分布的隨機(jī)變量，自由度為U= 1，F(xiàn)aSTRPC-UWB基帶系統(tǒng)模型的判決變量；根據(jù)（10)式的判決準(zhǔn)則，可得到存在相位噪 聲的情況下帶通TRPC-UWB系統(tǒng)對(duì)于某次信道實(shí)現(xiàn)的條件誤比特率BEP為：
其中，Ω=?Λ2πf3Td)，h= {(ak，τ,)|k= 0, 1，"·，Κ-1}表示某次信道實(shí)現(xiàn)的多徑 衰落系數(shù)及多徑延時(shí)；^和4分別為TRPC-UWB基帶系統(tǒng)模型中對(duì)應(yīng)于h= +1及bi= -1 的條件BEP;ΡΦ =P(Υ〈Ω)為隨機(jī)變量Y的累積分布函數(shù)，表示相位噪聲對(duì)于BEP的影響， 其中，Pa+和P5分別由下列公式計(jì)算：
其中，函數(shù)，和k，fc)2}分別表示基帶 TRPC-UWB系統(tǒng)中判決變量0= + 纟-7；,,)汾對(duì)應(yīng)于4= +1及\= -1的條件均值和 JiTs +/, 方差；由于（22)式與具體的信道參數(shù)h有關(guān)，因此其為半解析表達(dá)式；此外，Plt可由下式計(jì) 算：
其中r(x)=iT廣16-以為伽馬函數(shù)，，示低階的不完整伽馬函數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種非相干超寬帶通信系統(tǒng)的相位噪聲分析方法，其特征在 于，所述步驟4)所述的基帶TRPC-UWB系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)模型用于估計(jì)半解析表達(dá)式（22)式中 與信道有關(guān)的參數(shù)1和^^P}，具體的參數(shù)估計(jì)做法為： 首先，發(fā)送Nt= 1024個(gè)連續(xù)的"+1"訓(xùn)練符號(hào)，gp~ =+U= 0，丨，'··，M-1，其中對(duì)應(yīng) 于第i個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的基帶信號(hào)表示為：
基帶信號(hào)s+(t)經(jīng)過多徑信道及AWGN后得到Ρ(〇 =Ζ(〇?Λ(〇 +"/(ω,則
再發(fā)送Nt= 1024個(gè)連續(xù)的"-1"訓(xùn)練符號(hào)，g卩~ == 0，丨，···，％-^其中對(duì)應(yīng)于第i個(gè)訓(xùn)練符號(hào)的基帶信號(hào)可表示為
基帶信號(hào)s_(t)經(jīng)過多徑信道及AWGN后得到X⑴?⑴⑧蛛^ +?^^貝!]
將（25)和（27)式代入（22)式，并將（22)和（23)式代入（21)式，即可得出對(duì)應(yīng)于某 次信道實(shí)現(xiàn)的帶通TRPC-UWB系統(tǒng)BEP，而將對(duì)應(yīng)于不同隨機(jī)信道實(shí)現(xiàn)的BEP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均， 即可得到相應(yīng)的誤碼率曲線。
【文檔編號(hào)】H04B17/391GK104467915SQ201410650179
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】梁中華, 榮玫, 董曉岱, 宋煥生, 張國偉 申請(qǐng)人:長安大學(xué)