CN100433563C - 用于超宽带无线通信系统的相关接收机及信号接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超宽带无线通信系统的相关接收机及信号接收方法。本发明的核心思想是利用ML(最大似然)估计算法改造本地样本信号，使之与接收信号更好地匹配；通过简单推导可以证明：在高斯白噪声信道中，采用最大似然估计得到的本地样本信号应该是接收信号的平均。采用最大似然估计获得的本地样本信号使得所述的本地样本信号与接收信号可以很好地匹配，有效地降低了接收信号的误码率。它解决了差分相关接收机的误码扩散问题，并且，还省去了RAKE接收所必须的估计电路，尽管本发明增加了最大似然(即样本平均)电路，但这个电路无论从算法上还是从实现上都比估计电路简单。

Description

用于超宽带无线通信系统的相关接收机及信号接收方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于超宽带无线通信系统的相关接收机及信号接收方法。

背景技术

UWB(Ultra Wide Band，超宽带)技术是1960年作为军用雷达技术开发出来的，占用带宽从几Hz～几GHz，通过发射极短暂(ns级)的脉冲信号，并接收和分析反射回来的脉冲位置，以提供数厘米的定位精度。

一直以来，UWB无线技术都被应用于军事雷达跟踪和精确定位。但从九十年代初开始，由于无线接入速率瓶颈的出现，人们开始寻求新的宽带接入技术。现有的无线技术如802.11b(Wi-Fi)和蓝牙已经可以实现大部分UWB所要实现的功能，只是在速度上还远远未达到要求。UWB以其高带宽、高接入速率的特点迎合了这一趋势，并在无线通信领域受到广泛重视。

由于UWB所使用的带宽高达几GHz，因此最大数据传输速度可以达到几十Mbit/秒～几百Mbit/秒；同时，UWB占空比很小，所以耗电量只有原有系统的1/100～1/1000；而且，UWB的发送输出功率非常小，甚至低于普通设备放射的噪声，所以具有低的截获率。

所述的UWB信号在室外远距离传输时室外大气对它有较大的衰减，使之更适合于室内的高速、短距离传输。而且，尽管室内环境的复杂，会对UWB信号产生反射、衍射和折射等现象，造成信号能量的弥散，产生严重的信号多径，可将1ns的信号g(t)扩散成几十到几百纳秒的信号，但由于发送的UWB信号很窄(ns级)，所以具有较好的多径分辨能力，即从接收端看到的每个径的信号是独立可分离的。

正是由于每个径的信号的独立可分离的特性，所以在超宽带系统中，可以利用接收的多径信号的这一特性，将接收到的每个多径信号能量搜集起来，即采用多径分集接收技术，以尽量减少能量的损失。多径分集中最优接收机称为RAKE接收机。

UWB RAKE接收机的原理框图如图1所示，包括同步、估计和RAKE接收三部分。同步是UWB RAKE接收机中的重要组成部分，估计和RAKE接收两部分是密不可分的。

RAKE接收的目的是将独立可分离的多径信号的能量收集起来，因此需要先找到每个径的位置和幅度，该功能由估计电路实现。同步后的接收信号与本地样本函数g(t)通过脉冲匹配滤波部分作匹配相关处理，由于接收信号已被多径扩展，所以可获得多个能量相关峰，假设每个可分相关峰的最小时间间隔为τ_m，那么任意可分的两个相关峰的时间间隔就可表示为nτ_m，n为正整数。每个径的幅度可表示为

。最后按照某种合并算法，将每个径获得的能量收集起来。所述的RAKE接收机中包括相应的延迟线结构，所述的延迟线结构如图2所示。

在图1的本地样本产生电路中，样本函数g(t)与发端产生的发送脉冲波形g(t)相同，同样图2中的Matched Filter作相关匹配时，也用g(t)作为本地样本函数。根据匹配滤波器的原理，只有当收、发波形一致时，匹配滤波器的输出才最大。但在实际UWB RAKE接收机中，由于多径的影响，接收到的脉冲串之间有叠加(叠加的严重程度取决于发送波形的脉宽)。图3给出了发、收两端信号的变化，其中图3中上部为发送端发送的信号，下部为接收端接收的信号。可以看出，叠加使接收信号产生严重的畸变，所以再采用发送脉冲波形g(t)作为本地样本函数，就无法做到与接收信号的匹配。这种不匹配会对RAKE接收机收集到的信号能量有较大影响，造成误码率的增大。

通过上述对UWB RAKE接收机方案的描述，可以发现该方法存在以下三方面的缺点：

1、由于本地样本函数与接收信号不能很好地匹配，造成能量损失，进而导致误码率较高；

2、RAKE接收前，需要确定匹配相关后每径所在的位置和幅度，以调整τ_m和，所以为配合RAKE接收，必须要有估计电路，导致增加了UWBRAKE接收机电路的复杂度；

3、RAKE接收机的性能与可收集到的能量径数有关，收集到的径数越多，性能越好，但接收机复杂度增加。

除上述RAKE接收机方法外，还有一种在超宽带雷达中广泛使用的接收方法：差分相关接收机(自相关接收机)。最近有人对这种方法用于超宽带通信中的性能也做过分析。这种接收机结构如图4所示。它采用接收到的前一个信号作为本地相关信号，当下一个接收信号与之相关的结果大于0时，表明接收的信号与前一个信号的符号相同，否则不同。这种方法的实质类似与窄带系统中的DPSK(差分相位调制)调制方法，即利用前一个信号的符号来判决下一个信号的符号。那么如果前一信号判断错误，下一个信号也可能会判决错误。从而造成误码扩散。

通过上述对差分相位接收机方案的描述，可以发现该方法存在以下三方面的缺点：

1、正如DPSK调制方法一样，该方法会带来比较严重的误码扩散。

2、从理论上可以证明，该方法的误码率性能比RAKE接收机差。

发明内容

鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于超宽带无线通信系统的相关接收机及信号接收方法，减少信号接收的误码率，并可以有效地降低UWB RAKE接收机电路的复杂度和解决差分相关接收机的误码扩散问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种超宽带无线通信系统的相关接收机，包括：

同步处理电路：对接收信号进行同步处理，确定接收信号的基准时间；

本地样本信号获取电路：获取同步后的接收信号，并把接收到的多个信号内的最大似然估计值作为本地样本信号；

匹配滤波电路：将实时接收的信号与所述的本地样本信号进行匹配滤波处理，获得相应的接收信号。

所述的同步处理电路包括：

信号起始时间粗测电路：将接收到的信号与发送端的本地相关信号作相关处理，确定处理后的信号的能量值，再与门限电平比较，若大于门限电平，则确定接收到有用信号，并进一步确定接收到的有用信号的粗略起始时间，实现接收信号的粗略同步；

信号起始时间精测电路：基于确定的接收到的有用信号的粗略起始时间确定一组接收信号的起始时间，并在相应的起始时间接收一组信号，将接收的一组信号中的每路信号的第一个信号波形经过粗略同步后经反馈电路修正的信号波形与接收的该路信号作相关处理，并根据处理结果确定接收信号的精确起始时间，将所述接收信号的精确起始时间作为接收信号的基准时间，实现接收信号的精确同步。

所述的本地样本信号获取电路包括：

样本信号获取电路：获取同步后的接收信号，并作为样本信号进入样本平均电路；

样本平均电路：将样本信号在多个接收信号内进行最大似然处理，处理结果作为本地样本信号。

所述的本地样本信号获取电路进一步包括：

本地样本信号修正电路：获取经过同步后的接收信号，并利用同步后的接收信号对当前的本地样本信号进行修正处理，获得新的本地样本信号。

本发明还提供了一种基于上述超宽带无线通信系统的相关接收机的信号接收的方法，包括：

A、在接收端对接收信号进行同步处理，获取接收到的信号，并根据所述的信号生成本地样本信号；

B、将生成的本地样本信号与接收信号进行匹配滤波处理，获得相应的接收信号。

所述的步骤A包括：

A1、在接收端对接收的信号进行同步处理，确定接收信号的基准时间；

A2、获取同步后接收到的第一个信号，根据所述的第一个信号生成本地样本信号。

所述的步骤A1包括：

A11、将接收到的信号与发送端发送的波形信号作相关匹配处理，并确定相应的信号能量；

A12、判断所述的信号能量是否大于设定的门限值，如果大于，则确定接收到有用信号，并确定接收到该信号的时刻为接收信号的基准时间，执行步骤A2，否则，接收到的仅为噪声信号，执行步骤A11。

所述的步骤A1还包括：

根据确定的接收信号的基准时间确定一组接收信号的起始时间，并在相应的起始时间接收一组信号，接收一组信号时将每个接收到的第一个信号波形作为各自的本地样本信号；

将接收的一组信号分别与各自的本地样本信号作相关匹配处理，并确定各自相应的信号能量值；

确定其中信号能量值最大的信号的接收时间，并作为接收信号的精确的基准时间。

所述的步骤A2还包括：

在接收端根据确定的接收信号的精确的基准时间获取相应的接收信号，将获取的接收信号与当前的本地样本信号作样本平均处理，并获得新的本地样本信号。

所述的将获取的接收信号与当前的本地样本信号作样本平均处理，并获得新的本地样本信号进一步包括：

将前一时刻接收到的未经相关匹配处理的信号与前一时刻接收到的经过与本地样本信号作相关匹配处理并判决后的二进制信号相乘；

将得到的乘积加上当前的本地样本信号并作样本平均处理，处理结果作为新的本地样本信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明由于采用了第一个接收信号或其在多个信号内的平均作为本地样本信号，从而使得所述的本地样本信号与接收信号可以很好地匹配，有效地降低了接收信号的误码率。并且，可以省去UWB RAKE接收机中的RAKE接收机延迟线部分的结构。通过对本发明提供的技术方案和现有技术中的RAKE-8接收机方案进行的计算机仿真可以明显地看出本发明的有益效果。如图7a和图b所示，当Eb/N0(信噪比)比较小时，RAKE-8性能比方案2的略优，即BER(误码率)稍低，但随着信噪比的增加，本方案性能明显优于RAKE-8方案，即所述的BER明显比RAKE-8方案的BER要低。这是因为由于噪声的减小，使其对本地样本的影响越来越小，获得的相对信号能量越来越大，性能越来越好。同时，本发明还省去了RAKE接收所必须的估计电路，尽管增加了最大似然(样本平均)电路，但这个电路无论从算法上还是从实现上都比估计电路简单。

本发明在解决了RAKE接收机问题的同时，也克服了差分相关器中的误码扩散问题。这也可以从图8中的比较曲线中明显地看出来。

需要说明的是，在上述仿真中如果增加现有技术中RAKE接收机的复杂度，即增加RAKE接收机的抽头数对性能并不会有大的改善，参见图9a和图9b。

附图说明

图1为现有技术中UWB RAKE接收机的原理图；

图2为现有技术中RAKE接收机的延迟线结构图；

图3为UWB系统中同一信号在发送端和接收端仿真波形图；

图4为UWB差分相关接收机的原理图；

图5为本发明中超宽带无线通信系统的相关接收机的原理图；

图6为图5中同步电路的原理图；

图7为图6中的信号(即符号)起始时间检测电路的原理图；

图8a、图8b分别为本发明及现有技术中超宽带无线通信系统的相关接收机的误码率仿真图。

图9a、图9b为本发明及RAKE-8与RAKE-20的误码率仿真图。

具体实施方式

为减少UWB系统中的误码率，则在匹配滤波器中，需要获得最大的能量输出，为此需要找到与接收信号最为匹配的本地样本信号。所以本发明的一个目的是要改造本地样本信号，使之与接收信号尽量匹配。

本发明采用了将修正后的接收信号作为本地样本信号的技术方案，从而增大了本地样本信号与接收信号的匹配程度。

基于上述思想，本发明提供了一种超宽带无线通信系统的相关接收机，具体结构如图5所示，包括以下各处理电路：

同步处理电路：在进行有用信号接收之前，首先需要确定接收信号的起始时间，即对接收信号进行同步处理，确定接收信号的基准时间；所述的有用信号为发送端发送的业务信号。

本地样本信号获取电路：获取同步捕获后的接收信号，并作为本地样本信号，该电路进一步包括样本信号获取电路和样本平均电路；

所述的样本信号获取电路用于获取同步后的多个本地接收信号，并发送给样本平均电路；所述的样本平均电路则用于将多个本地接收信号进行平均处理，处理结果作为本地样本信号，由于样本信号是接收信号的最大似然估计，所以增大了本地样本信号与接收信号的匹配程度，从而提高接收信号的准确性。

匹配滤波电路：确定了相应的本地样本信号后，便可以将实时接收的信号与所述的本地样本信号进行匹配滤波处理，从而获得相应的接收信号，由于本地样本信号是从本地接收信号获得，因此，可以大大提高通过匹配滤波电路接收的信号的准确性，降低接收信号的误码率。

经过上面的描述，可以对本发明提供的技术方案有了相应的了解，下面再结合附图对本发明所述的超宽带信号接收机及其信号接收的方法的具体实现方式作进一步说明。如图6所示，所述的同步处理电路包括：信号起始时间粗测电路和起始时间精测电路。在起始时间粗测电路中，由于在接收刚开始时，无法确定接收到的信号是噪声还是有用信号，所以必须先将接收到的信号r(t)与发送端发送的本地相关信号g(t)(即发送波形信号)通过信号能量检测电路作相关匹配处理，并获得接收信号的能量值。由于噪声相关后的能量比信号能量小得多，所以当有信号到来时，经相关检测获得接收信号的能量值后，通过比较电路与设定的门限值进行比较，如果小于所述的门限值，说明接收的信号中只有噪声，没有有用信号；如果大于所述的门限值，则表明接收的信号中出现有用信号。将检测到有用信号的时间经调整后，作为信号起始时间检测的粗略时刻，记为基准时刻T_b，实现了接收信号的粗略同步。

因为T_b是从能量检测电路获得，且由于噪声的干扰，使能量检测中叠加了许多噪声能量，所以仅用基准时刻作为符号起始时刻是非常粗略的，为提高估计精度，弥补由于基准时刻不准确带来的误差，可以采用一种可以检测到基准时刻前后

的信号起始时间精测电路。因此，经过所述的起始时间粗测电路的处理后，所述的信号还需要进入起始时间精测电路，以实现接收信号的精确同步。此时，进入起始时间精测电路中的信号起始时间检测电路的信号是叠加了噪声的有用信号。所述的信号起始时间检测电路如图7所示，它由M(M＞1且为整数)路相关器组成。相关器中间一路即第

(

表示取上整)路相关开始时间从基准时刻T_b开始，假设M＝15，则中间一路为第八路，相关开始时刻为T_b，从第八路到第十五路依次每路相关器开始时刻相差1ns，即每路分别为T_b+1ns，T_b+2ns，...T_b+7ns。而从第七路到第一路依次每路相关器开始时刻为T_b-1ns，T_b-2ns...，T_b-7ns。本地样本信号是该对应相关支路接收到的第一个信号波形。从第1路到第15路本地样本信号分别是T_b-7至T_b+T_f-7、...、T_b至T_b+T_f、...、T_b+7至T_b+T_f+7的信号波形。然后，每一路分别进入相关器与该支路的接收信号做相关，再将各相关器输出的相关信号通过比较判决电路与门限电平“0”比较，大于门限电平则判决结果为“1”，小于门限电平则判决结果为“-1”。最后，在判决出输出信号的同时，再通过最大能量选取电路从其中确定最匹配的一路，即信号能量输出值最大的信号的接收时间作为精确的信号起始时间；然后，所述的信号再进入随后的帧同步电路中。

另外，为减少本地相关器的路数，降低电路的复杂度，可以先通过噪声估计电路对噪声的方差进行估计，如图6所示，然后从信号总能量中减去噪声能量，使信号起始时间尽量接近检测到的信号时间，以提高信号能量检测电路确定的接收信号的基准时刻的精度。

如图6所示，帧同步电路中的帧捕获电路比较简单，帧同步码采用7位短Baker(巴克)码。由于前面已经判决出二进制信号的相位，所以用Baker码相关器与判决后的“1”或“-1”信号做滑动相关。大于门限即为帧同步，否则继续滑动本地Baker码直到大于判决门限为止。

可以看出，在本发明所述的同步电路中，本地样本信号为该相关支路接收到的第一个有用的信号波形，因此，无需进行信道估计，节省了时间，降低了电路的复杂度。但采用第一个信号作为本地样本信号则还会因为该信号受到噪声的干扰导致所述的本地样本信号的精确度降低。所以最好用最大似然法在多个信号内对样本信号进行估计。在实际电路中，可以采用一种反馈电路对本地样本信号进行修正，即通过修正电路用接收到的信号波形不断地与本地样本信号平均，以修正本地样本信号，尽量减小本地样本信号受噪声的干扰。修正后的本地样本信号用递推公式表示为：

其中：m表示第m路信号；g_n，m～(t)是当前的样本信号，r_n-1，m(t)是前一时刻接收到的未经过相关匹配处理的信号波形，参见图6，b_n-1，m～是判决出的前一时刻信号波形，参见图7。这样，假设b_n-1，m～的结果都正确时，经n次平均后，噪声能量将减小1/n，且当n足够大时，可以使噪声能量足够小。

本发明是结合了同步与接收的一个整体的接收机解决方案。当然，也可以将两部分分别处理。如还可以采用其他技术方案实现接收信号的同步处理，但只要准确地知道信号的起始时间位置T，便可以将接收到的N个信号，即从T到T+NT_f一段的接收信号平均处理后作为匹配滤波电路的本地样本信号，用于信号的接收处理。T_f为信号周期。但从电路设计的角度看，将二者作为整体为佳。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1、一种超宽带无线通信系统的相关接收机，其特征在于包括：

同步处理电路：对接收信号进行同步处理，确定接收信号的基准时间；

本地样本信号获取电路：获取同步后的接收信号，并把接收到的多个信号内的最大似然估计值作为本地样本信号；

匹配滤波电路：将实时接收的信号与所述的本地样本信号进行匹配滤波处理，获得相应的接收信号。

2、根据权利要求1所述的超宽带无线通信系统的相关接收机，其特征在于所述的同步处理电路包括：

信号起始时间粗测电路：将接收到的信号与发送端发送的本地相关信号作相关处理，确定相关处理后的信号的能量值，再与门限电平比较，若大于门限电平则确定接收到有用信号，并进一步确定接收到的有用信号的粗略起始时间，实现接收信号的粗略同步；

信号起始时间精测电路：基于确定的接收到的有用信号的粗略起始时间确定一组接收信号的起始时间，并在相应的起始时间接收一组信号，将接收的一组信号中的每路信号的第一个信号波形经过粗略同步后经反馈电路修正的信号波形与接收的该路信号作相关处理，并根据处理结果确定接收信号的精确起始时间，将所述接收信号的精确起始时间作为接收信号的基准时间，实现接收信号的精确同步。

3、根据权利要求1或2所述的超宽带无线通信系统的相关接收机，其特征在于所述的本地样本信号获取电路包括：

样本信号获取电路：获取同步后的接收信号，并作为样本信号进入样本平均电路；

样本平均电路：将样本信号在多个接收信号内进行最大似然处理，处理结果作为本地样本信号。

4、根据权利要求3所述的超宽带无线通信系统的相关接收机，其特征在于所述的本地样本信号获取电路进一步包括：

本地样本信号修正电路：获取经过同步后的接收信号，并利用同步后的接收信号对当前的本地样本信号进行修正处理，获得新的本地样本信号。

5、一种基于上述超宽带无线通信系统的相关接收机的信号接收的方法，其特征在于包括：

A、在接收端对接收信号进行同步处理，获取接收到的信号，并根据同步处理后接收到的信号生成本地样本信号；

B、将生成的本地样本信号与接收信号进行匹配滤波处理，获得相应的接收信号。

6、根据权利要求5所述的信号接收的方法，其特征在于所述的步骤A包括：

A1、在接收端对接收的信号进行同步处理，确定接收信号的基准时间；

A2、获取同步后接收到的第一个信号，根据所述的第一个信号生成本地样本信号。

7、根据权利要求6所述的信号接收的方法，其特征在于所述的步骤A1包括：

A11、将接收到的信号与发送端发送的波形信号作相关匹配处理，并确定相应的信号能量；

A12、判断所述的信号能量是否大于设定的门限值，如果大于，则确定接收到有用信号，并确定接收到该有用信号的时刻为接收信号的基准时间，执行步骤A2，否则，接收到的仅为噪声信号，执行步骤A11。

8、根据权利要求7所述的信号接收的方法，其特征在于所述的步骤A1还包括：

根据确定的接收信号的基准时间确定一组接收信号的起始时间，并在相应的起始时间接收一组信号，接收一组信号时将每个接收到的第一个信号波形作为各自的本地样本信号；

将接收的一组信号分别与各自的本地样本信号作相关匹配处理，并确定各自相应的信号能量值；

确定其中信号能量值最大的信号的接收时间，并作为接收信号的精确的基准时间。

9、根据权利要求8所述的信号接收的方法，其特征在于所述的步骤A2还包括：

在接收端根据确定的接收信号的精确的基准时间获取相应的接收信号，将获取的接收信号与当前的本地样本信号作样本平均处理，并获得新的本地样本信号。

10、根据权利要求9所述的信号接收的方法，其特征在于所述的将获取的接收信号与当前的本地样本信号作样本平均处理，并获得新的本地样本信号进一步包括：

将前一时刻接收到的未经相关匹配处理的信号与前一时刻接收到的经过与本地样本信号作相关匹配处理并判决后的二进制信号相乘；

将得到的乘积加上当前的本地样本信号并作样本平均处理，处理结果作为新的本地样本信号。

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