CN102111182A - 自适应超宽带Rake接收机、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自适应超宽带Rake接收机、方法和系统，通过消除ISI性能良好的均衡技术解决存在多径干扰和ISI的高速超宽带通信系统的接收机设计问题。其技术方案为：Rake接收机包括匹配滤波器、最大似然信道估计器、采样单元、LMS自适应Rake合并器、序列发生器、误差单元以及符号检测器，利用Rake接收技术收集多径能量以及利用均衡技术抑制ISI，从而使系统达到一定的性能。

Description

自适应超宽带Rake接收机、方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及高速超宽带无线通信系统中有关接收机的设计方式。

背景技术

超宽带(Ultra-WideBand，UWB)是一种新型的无线通信技术，与传统的窄带或其它宽带通信技术相比，其独特之处在于它直接发送纳秒级的超短脉冲，这一特点使它具有较好的多径分辨能力，能够在密集的多径环境下实现高速传输，因此在短距离高速无线个人局域网中具有很好的应用前景。

实现一个完整的通信系统，其根本目的都在于尽量将信息完整的、无差错的传递到目的地，所以接收机技术是超宽带系统的一个核心内容，也是目前该领域的一个重要研究方向。超宽带无线通信中用户的数据速率至少在110Mbps，即符号周期要小于10ns，信道多为办公室、家庭等复杂的室内信道环境，由于家具、天花板、人体等各种障碍物的反射和散射，不仅造成发射信号严重的多径现象，而且实测数据表明多径的时延扩展也很大，任一接收脉冲都会受到先前发射脉冲延时到达的影响，导致不可避免的符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)。因此，多径和ISI是高速超宽带通信系统亟待解决的两大难题。

现在研究的超宽带通信系统中大多采用Rake接收机来接收信号，但Rake接收机仅仅只能收集多径信号能量而不能抑制ISI。因此，对于高速超宽带通信系统，我们可以考虑将抑制ISI效果好的均衡技术和抗衰落性能好的Rake接收技术结合设计，寻找一种新的接收机结构，使之在收集多径信号、避免ISI、对抗窄带干扰等之间达到一个理想的平衡。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种自适应超宽带Rake接收机，通过消除ISI性能良好的均衡技术解决存在多径干扰和ISI的高速超宽带通信系统的接收机设计问题。

本发明的又一目的在于提供了一种自适应超宽带Rake接收方法。

本发明的再一目的在于提供了一种超宽带无线通信系统。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种自适应超宽带Rake接收机，包括匹配滤波器、最大似然信道估计器、采样单元、LMS自适应Rake合并器、序列发生器、误差单元以及符号检测器，

该匹配滤波器，连接该采样单元和该最大似然信道估计器，对接收到的信号与本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路输出，其中一路是以整个帧信号的方式输出至该采样单元，另一路是将帧信号中提取出来的训练序列输出至该最大似然信道估计器；

该最大似然信道估计器，连接该采样单元和该LMS自适应Rake合并器，对接收到的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延输出至该采样单元以用作采样时刻，路径增益输出至该LMS自适应Rake合并器以初始化合并系数；

该采样单元，连接该LMS自适应Rake合并器，利用估计出的多径信道时延对经该匹配滤波器处理后的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

该LMS自适应Rake合并器，连接该符号检测器，对每个多径分量的采样信

号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后输出至该符号检测器；

该序列发生器，连接该误差单元，产生与发射端相同的理想信息序列，输出至该误差单元；

该误差单元，连接该LMS自适应Rake合并器，将该序列发生器产生的理想信息与该LMS自适应Rake合并器的输出信号做差，然后送入该LMS自适应Rake合并器；

该符号检测器，将该LMS自适应Rake合并器最后输出的序列进行判决。

根据本发明的自适应超宽带Rake接收机的一实施例，该LMS自适应Rake合并器进一步包括：

Rake合并器，利用合并系数对每个多径分量的采样信号进行加权合并，取得分集增益，合并系数由LMS自适应迭代算法调整；

自适应均衡器，由横向滤波器构成，对Rake合并器的输出做均衡处理，以消除符号间干扰的影响，自适应均衡器的抽头系数由LMS自适应迭代算法调整。

本发明还揭示了一种自适应超宽带Rake接收方法，包括：

对接收到的信号和本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路，其中第一路是整个帧信号的方式，第二路从帧信号中提取训练序列；

对提取出的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延用作采样时刻，路径增益用作初始化合并参数；

利用估计出的多径信道时延对第一路的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后生成信息序列；

产生与发射端相同的理想信息序列；

将LMS自适应Rake合并器处理后的信息序列进行判决。

根据本发明的自适应超宽带Rake接收方法的一实施例，加权合并的合并系数和均衡处理的抽头系数均由LMS自适应迭代算法调整。

本发明又揭示了一种超宽带无线通信系统，包括：

发射装置，包括依次连接的信源、重复编码器、发送编码器、调制器、脉冲形成滤波器和发射天线；

无线信道；

接收装置，包括匹配滤波器、最大似然信道估计器、采样单元、LMS自适应Rake合并器、序列发生器、误差单元以及符号检测器，其中

该匹配滤波器，连接该采样单元和该最大似然信道估计器，对接收到的信号与本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路输出，其中一路是以整个帧信号的方式输出至该采样单元，另一路是将帧信号中提取出来的训练序列输出至该最大似然信道估计器；

该最大似然信道估计器，连接该采样单元和该LMS自适应Rake合并器，对接收到的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延输出至该采样单元以用作采样时刻，路径增益输出至该LMS自适应Rake合并器以初始化合并系数；

该采样单元，连接该LMS自适应Rake合并器，利用估计出的多径信道时延对经该匹配滤波器处理后的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

该LMS自适应Rake合并器，连接该符号检测器，对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后输出至该符号检测器；

该序列发生器，连接该误差单元，产生与发射端相同的理想信息序列，输出至该误差单元；

该误差单元，连接该LMS自适应Rake合并器，将该序列发生器产生的理想信息与该LMS自适应Rake合并器的输出信号做差，然后送入该LMS自适应Rake合并器；

该符号检测器，将该LMS自适应Rake合并器最后输出的序列进行判决。

根据本发明的超宽带无线通信系统的一实施例，该LMS自适应Rake合并器进一步包括：

Rake合并器，利用合并系数对每个多径分量的采样信号进行加权合并，取得分集增益，合并系数由LMS自适应迭代算法调整；

自适应均衡器，由横向滤波器构成，对Rake合并器的输出做均衡处理，以消除符号间干扰的影响，自适应均衡器的抽头系数由LMS自适应迭代算法调整。

根据本发明的超宽带无线通信系统的一实施例，该重复编码器是分组编码器，将该信源产生的二进制序列的比特进行重复操作并引入冗余信息；

该发送编码器进行多址编码和发射信号的频谱形成，引入码片时间将二进制序列转换成实数值序列；

该调制器通过采用脉冲位置调制或二进制相位调制产生跳时脉冲位置调制或跳时二进制相位调制信号；

该脉冲形成滤波器将调制后的信号用脉冲来表示，该脉冲形成滤波器的冲击响应确保输出的脉冲序列没有任何的重叠；

该发射天线将形成的脉冲发射出去。

根据本发明的超宽带无线通信系统的一实施例，该无线信道是采用超宽带室内信道模型中的非视距信道模型的3号信号模型和4号信号模型。

本发明对比现有技术，有如下的有益效果：本发明的自适应超宽带Rake接收机利用Rake接收技术收集多径能量以及利用均衡技术抑制ISI，从而使系统达到一定的性能。对比现有技术，本发明存在如下的一些技术效果：

1、本发明在Rake接收部分运用了SRake结构(Selective Rake，选择性Rake)，既保证了接收机的性能又降低了其实现的复杂度。

2、本发明在均衡器的选择上采用了较简单的时域均衡，直接从时间响应出发，使整个系统的冲激响应满足了无码间干扰的条件，结构上采用了易实现的横向滤波器。

3、本发明在自适应迭代算法上采用了LMS算法，该算法能适应慢衰落信道，且简单易于实现，与MMSE-Rake接收机相比，不需要进行相关矩阵和矩阵求逆等复杂运算。

4、本发明将结构上类似、功能上互补的两种抗衰落技术结合，既利用Rake接收技术尽可能多的收集到了多径能量，又利用均衡技术抑制了ISI的干扰。仿真结果表明，本发明适合于高速的超宽带系统。

附图说明

图1是本发明的自适应超宽带Rake接收机的实施例的框图。

图2是本发明的自适应超宽带Rake接收机的电路图。

图3是本发明的自适应超宽带Rake接收方法的实施例的流程图。

图4是本发明的超宽带无线通信系统的实施例的框图。

图5是本发明的超宽带无线通信系统在CM3、CM4信道下的仿真结果示意图。

图6是本发明的超宽带无线通信系统在CM3信道下的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

自适应超宽带Rake接收机的实施例

图1示出了本发明的自适应超宽带Rake接收机的实施例的原理。请参见图1，本实施例的自适应超宽带Rake接收机包括以下几个模块：匹配滤波器10、采样单元11、最大似然信道估计器12、LMS自适应Rake合并器13、序列发生器14、误差单元16、符号检测器15。

这些模块之间的连接关系是：匹配滤波器10的输出连接到采样单元11和最大似然信道估计器12，采样单元11的输出连接到LMS自适应Rake合并器13，最大似然信道估计器12的输出连接到采样单元11和LMS自适应Rake合并器13。LMS自适应Rake合并器13的输出分别连接到符号检测器15和误差单元16，序列发生器14的输出连接到误差单元16，误差单元16的输出连接到LMS自适应Rake合并器13。

以下是对本实施例的自适应超宽带Rake接收机的工作原理的介绍。匹配滤波器10用于对接收到的信号与本地信号进行相关的匹配滤波处理，本地信号是与采用的发射脉冲信号p(t)对应的信号p(-t)，处理后的信号分为两路输出：一路是以整个帧信号的方式送入采样单元11，另一路是从帧信号中提取训练序列并送入最大似然信道估计器12。

最大似然信道估计器12接收来自匹配滤波器10的训练序列，基于训练序列，根据最大似然准则(最大似然信道估计算法)估算出信道参数，即多径信道时延

和路径增益这里的匹配滤波器10在某一固定时刻的响应是最大似然估计值的充分统计量，最大似然信道估计器12根据统计量使关于

的对数似然函数最大化而得到多径信道时延

和路径增益

估计出来的多径信道时延

输出至采样单元11以确定采样时刻，路径增益

输出至LMS自适应Rake合并器13用来初始化Rake合并器的合并参数。

采样单元11利用估计得到的多径分量时延序列

对经匹配滤波器p(-t)处理后的信息序列进行采样，即在每条多径分量的到达时刻对信息序列进行采样，将连续信号变成离散形式的信号，输出至LMS自适应Rake合并器13。

LMS自适应Rake合并器13是由Rake合并器和自适应均衡器构成。Rake合并器由多条乘法器支路和一个加法器构成，每一条乘法器支路对应一个多径分量，乘法器利用合并系数对每个多径分量的采样信号进行加权，然后将各支路进行相加，取得分集增益。自适应均衡器采用横向FIR滤波器，这种滤波器稳定性好、复杂度低。多径分量的采样序列经Rake合并器加权合并后送入均衡器做均衡处理，以消除符号间干扰(ISI)的影响。Rake合并器的合并系数和自适应均衡器的抽头系数先由训练序列导频初始化，接着采用LMS自适应算法迭代Rake合并器的合并系数和自适应均衡器的抽头系数，用来调整合并系数和抽头系数。均衡处理后的信息序列输出至符号检测器15。这里的LMS自适应算法是以期望响应和均衡输出信号之间误差的均方值最小为准则的，依据输入信号在迭代过程中估计梯度矢量，并更新系数以达到最优的自适应迭代算法主要包括滤波过程和自适应过程这两个基本过程。对于滤波过程，自适应均衡器计算其对输入的响应，并且通过与期望响应比较，得到估计的误差信号。对于自适应过程，根据LMS自适应算法的迭代公式，系统估计误差自动调整Rake合并器的合并系数和自适应均衡器的抽头系数。

合并系数和抽头系数统称为权系数矢量，权系数矢量自适应迭代下一时刻的权系数矢量均可以由当前的权系数矢量加上以误差函数为比例因子的输入矢量得到，迭代公式表示如下：

w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)          (1)

这里的w(n)表示当前时刻的权系数矢量，w(n+1)表示下一个时刻的权系数矢量，x(n)是输入序列，e(n)为误差序列，由误差单元16获得，μ为步长因子。

为了使LMS算法收敛，收敛因子必须满足下列收敛条件：

$0<\mathrm{\&mu;}<\frac{2}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }}---\left(2\right)$

式中，λ_max为输入信号自相关矩阵的最大特征值。

序列发生器14产生与发射端一样的信息序列(称为理想信息序列)，输出至误差单元16，用于计算LMS自适应迭代算法中的误差序列。误差单元16将序列发生器14产生的理想信息与LMS自适应Rake合并器13的输出信号做差，然后送入LMS自适应Rake合并器13。

符号检测器15对LMS自适应Rake合并器13输出的符号进行判决。

请参见图2所示的自适应超宽带Rake接收机的电路，下面结合图2来说明本实施例的自适应超宽带Rake接收机的设计思想。若单用户系统的发送信号为：

$s\left(t\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{+\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j\underset{s=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}p(t-j{N}_s{T}_f-s{T}_f)---\left(3\right)$

这里的b_j表示用户信息；N_s是重复脉冲的个数；T_f为脉冲周期；p(t)表示发送的脉冲波形；t表示时间，j表示发送的信息序号，s表示重复脉冲的序号。

IEEE 802.15.3a工作组建议的超宽带室内模型的信道冲激响应可以简写为：

$h\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i\mathrm{\&delta;}(t-{\mathrm{\&tau;}}_i)---\left(4\right)$

这里，I表示信道的多径总数；a_i和τ_i分别表示第i条多径的衰落系数和时延。公式4中的t表示时间；δ(t-τ_i)表示第i条多径的信道冲击响应。则接收信号r(t)经过匹配滤波器p(-t)后的信号可以表示为：

$r^{\&prime;}\left(t\right)=r\left(t\right)\&CircleTimes;p(-t)$

$=s\left(t\right)\&CircleTimes;h\left(t\right)\&CircleTimes;p(-t)+n\left(t\right)\&CircleTimes;p(-t)$

$=\underset{j=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i\underset{s=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}m(t-(j{N}_s+s)T_f-{\mathrm{\&tau;}}_i)+\tilde{n}\left(t\right)$

这里，n(t)是均值为0，双边功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声。

$m\left(t\right)=p\left(t\right)\&CircleTimes;p(-t),$ $\tilde{n}\left(t\right)=n\left(t\right)\&CircleTimes;p(-t).$

将发射信号和信道冲激响应结合记为：

$\tilde{h}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{i}m(t-{\mathrm{\&tau;}}_i)---\left(6\right)$

则 $r^{\&prime;}\left(t\right)=\underset{i=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j\underset{s=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{h}(t-({\mathrm{jN}}_s+s)T_f)+\tilde{n}\left(t\right)---\left(7\right)$

匹配滤波器的输出信号在t＝nT_f+τ_l处采样后，第l条支路上检测到的第n个数据符号可以表示为：

$x_l\left(n\right)=\underset{j=-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j\underset{s=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{h}((n-{\mathrm{jN}}_s-s)T_f+{\mathrm{\&tau;}}_l)+\tilde{n}({\mathrm{nT}}_f+{\mathrm{\&tau;}}_l)$

$=\tilde{h}\left({\mathrm{\&tau;}}_l\right)b_n+\underset{n\&NotEqual;j{N}_s+s}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_j\underset{s=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\tilde{h}((n-j{N}_s-s)T_f+{\mathrm{\&tau;}}_l)+\tilde{n}({\mathrm{nT}}_f+{\mathrm{\&tau;}}_l)---\left(8\right)$

上式中的第一项为需要的有用信号，第二项为ISI，第三项为噪声。则x_l(n)经Rake合并后，得到：

$y\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_l\left(n\right)x_l\left(n\right)={\mathrm{\&gamma;}}^T\left(n\right)x\left(n\right)---\left(9\right)$

公式9中的L是Rake合并器的总分支数；γ_l(n)是第l个合并分支的合并系数。

这里，γ(n)＝[γ₁(n)γ₂(n)…γ_L(n)]^T，x(n)＝[x₁(n)x₂(n)…x_L(n)]^T。假设信道的长度为(n₁+n₂+1)T_f，即对第n个符号产生ISI影响的是它的前n₁个符号和后n₂个符号(n₁，n₂足够大)，记k＝jN_s+s，得到如下的简化形式：

$y\left(n\right)={\mathrm{\&beta;}}_0{b}_n+\underset{\underset{k\&NotEqual;0}{k=-n_1}}{\overset{h_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_k{b}_{n-k}+{\tilde{n}}_n$

$={\mathrm{\&Phi;}}^{T}b\left(n\right)+{\tilde{n}}_n---\left(10\right)$

公式10中的b(n)表示第n个发射信息。

系数{β_k}，(k＝-n₁，…，0，…，n₂)可以由式(8)和(9)得到， $\mathrm{\&Phi;}={[{\mathrm{\&beta;}}_{-n_1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_0\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_{n_2}]}^T,$ $b\left(n\right)={[b_{n+n_1}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;b_n\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;b_{n+n_2}]}^T.$ 这里的

是一个函数，

是函数名定义均衡器的输入信号和抽头系数如下：

y(n)＝[y(n)y(n-1)…y(n-N+1)]^T

                                                  (11)

w(n)＝[w₁(n)w₂(n)…w_N(n)]^T或者也可以表示为

$w\left(n\right)={[w_{-\frac{N-1}{2}}\left(n\right)w_{-\frac{N-1}{2}+1}\left(n\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;w_{\frac{N-1}{2}}\left(n\right)]}^T---\left(12\right)$

则当y(n)经过均衡器后得到：

$y_{\mathrm{new}}\left(n\right)=\underset{r=-\frac{N-1}{2}}{\overset{\frac{N-1}{2}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_r\left(n\right)y(n-r)=w^{T}A\left(n\right)+w^{T}B\left(n\right)$

(13)，公式(13)中的w_r和w^T都表示均衡器的抽头系数。

式中：

$A\left(n\right)={[{\mathrm{\&Phi;}}^{T}b(n+\frac{N-1}{2})\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{\&Phi;}}^{T}b\left(n\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{\&Phi;}}^{T}b(n-\frac{N-1}{2})]}^T$

$B\left(n\right)={[{\hat{n}}_{n+\frac{N-1}{2}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\hat{n}}_n\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\hat{n}}_{n-\frac{N-1}{2}}]}^T---\left(14\right)$

自适应均衡器输出信号的最小均方误差(MSE)可以表示为：

E[|b(n)-y_new(n)|²]＝E[|b(n)-w^TA(n)-w^TB(n)|²]      (15)

这是一个关于向量w的二次方程，必存在一个最优的w_opt使MSE的值最小。根据LMS自适应算法，不需要计算具体的w_opt，而是递归地调整w的值使MSE最小化，同时也相应的调整Rake的合并系数γ。递归迭代的过程主要有如下三步：

(1)滤波：

y_new(n)＝w^T(n)y(n)

                    (16)

(2)误差估计：

e(n)＝b(n)-y_new(n)

                    (17)

(3)Rake和均衡器抽头权重系数向量的调整：

γ(n+1)＝γ(n)+μe(n)x(n)

w(n+1)＝w(n)+μe(n)y(n)

                     (18)

这里，μ为自适应的步长。从迭代过程可以看出，步长μ的选择至关重要，为了确保使LMS算法收敛，并在慢变化信道中有好的跟踪能力，这里确定的步长参数为：

$\mathrm{\&mu;}=\frac{2}{L{\left(\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|a_l\left|\right)}^2}---\left(19\right)$

公式19中的a_l表示L个最大路径的增益。

这里，{a_l}，(l＝1，2…L)为选择出来的L个最大路径的增益。因此，系统总的误码率为：

$P_{\mathrm{error}}=Q\left(\sqrt{2\frac{{\left|{w_{\mathrm{opt}}}^{T}A\left(n\right)\right|}^2}{{\left|{w_{\mathrm{opt}}}^{T}B\left(n\right)\right|}^2}}\right)---\left(20\right)$

公式(20)中的Q是一个函数， $Q\left(a\right)={\&Integral;}_a^{\&infin;}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}\mathrm{dy};$ Wopt表示最优的W。

自适应超宽带Rake接收方法的实施例

图3示出了本发明的自适应超宽带Rake接收方法的实施例的流程。请参见图3，下面是对本实施例的接收方法的各个步骤的详细描述。

步骤S100：对接收到的信号和本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路，第一路是以整个帧信号的方式用于采样，第二路是从帧信号中提取出训练序列。

步骤S101：对提取出的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延用作采样时刻，路径增益用作初始化合并参数。

步骤S102：利用估计出的多径信道时延对第一路的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号。

步骤S103：对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后生成信息序列。

加权合并的合并系数和均衡处理的抽头系数均由LMS自适应迭代算法来调整。

步骤S104：最后将均衡处理后的信息序列进行判决。

超宽带无线通信系统的实施例

图4示出了本发明的超宽带无线通信系统的实施例的原理。请参见图4，本实施例的超宽带无线通信系统包括发射装置、无线信道和接收装置三大块。

其中发射装置包括依序连接的信源401、重复编码器402、发送编码器403、调制器404、脉冲形成滤波器405以及发射天线406。首先，信源401产生的随机二进制数据作为用户信息，送入重复编码器402，事实上这是一个(N_s，1)的分组编码器，N_s是代表每个信息比特经过该分组编码器后的比特数，取值取决于该分组编码器，一般为整数，将每个信息比特重复N_s次，引入一些冗余信息。接着经过发送编码器403，进行多址编码和发射信号的频谱形成，引入码片时间将二进制序列转换成实数值序列。再经过调制器404的调制，调制可以采用PPM(Pulse PositionModulation，脉冲位置调制)或BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相位调制)，产生TH-PPM(Time Hopping-Pulse Position Modulation，跳时脉冲位置调制)或TH-BPSK(Time Hopping-Binary Phase Shift Keying，跳时二进制相位调制)信号。然后将调制后的信号送入脉冲形成滤波器405，将用户信息用脉冲来表示，脉冲形成滤波器405的冲击响应必须保证其输出的脉冲序列没有任何的重叠，最后脉冲信号直接通过发射天线406发射出去。

对于超宽带无线通信系统的无线信道来说，可以适用超宽带室内信道的模型，在本实施例中采用IEEE标准化组织802.15.SG3a工作组推荐的UWB室内信道模型中较为复杂的NLOS(Non-Line-of-Sight，非视距)信道模型CM3(3号信道模型)(T-R距离在4米～10米，不存在LOS信号)和CM4(4号信道模型)(均方根时延达到25ns的极端情况，不存在LOS信号)。在这一信道模型中的多径是成簇出现的，多径的能量服从双指数分布，而幅度服从对数正态分布。

对于接收装置这一块，包括了接收天线411、匹配滤波器412、采样单元413、最大似然信道估计器414、LMS自适应Rake合并器415、序列发生器416、误差单元419、符号检测器417和信宿418。接收装置的结构和原理和上述的自适应超宽带Rake接收机相同。

它们之间的连接关系是：接收天线411的输出连接匹配滤波器412。匹配滤波器412的输出连接到采样单元413和最大似然信道估计器414，采样单元413的输出连接到LMS自适应Rake合并器415，最大似然信道估计器444的输出连接到采样单元413和LMS自适应Rake合并器415。LMS自适应Rake合并器415的输出连接到符号检测器417，序列发生器416的输出连接到误差单元419。误差单元16的输出连接到LMS自适应Rake合并器13。符号检测器417的输出连接到信宿418。

超宽带无线通信系统(UWB无线通信系统)的每帧信号由两部分组成：训练序列和信息。接收天线411接收到信号后，首先经过一个与发送信号匹配的匹配滤波器412。接着取出其中的训练序列在最大似然信道估计器414中做最大似然信道估计，估计出每条多径分量的时延和增益系数。在采样单元413中利用估计的多径分量时延对信息序列进行采样，即在每条多径分量的到达时刻采样，将连续信号变成离散信号，而估计出来的增益系数用来初始化LMS自适应Rake合并器415中Rake合并器的合并系数和自适应均衡器的抽头系数，在传送信息时LMS自适应Rake合并器415利用LMS自适应算法继续自动调节Rake合并器的合并系数和自适应均衡器的抽头系数，利用调整后的合并系数对每个多径的采样信号进行加权合并，然后再对合并后的信号做均衡，最后将均衡后的信号送入符号检测器417。序列发生器416产生与发射端相同的理想信息序列，输出至误差单元419，用于计算LMS自适应迭代算法中的误差序列。误差单元419将序列发生器416产生的理想信息与LMS自适应Rake合并器415的输出信号做差，然后送入LMS自适应Rake合并器415。符号检测器417对LMS自适应Rake合并器415传来的信息序列进行判决。

超宽带无线通信系统的仿真

仿真1

本发明的超宽带无线通信系统的仿真条件如下：

考虑单用户超宽带系统，用户信息序列由随机信号源产生，采用二阶高斯脉冲，脉冲周期为2ns，脉冲宽度为0.5ns，N_s分别为2，4，8，即信息速率分别为62.5Mbps，125Mbps，250Mbps，采用BPSK调制方式。接收端的训练序列长度为50，假设接收端已理想同步，采用6支路的SRake和7个抽头的均衡器。为了提高结果的准确度和可信度，每个SNR(Signal to Noise Ratio，信噪比)取100次实现的均值。

仿真结果如图5所示，由图中可以看出，速率为62.5Mbps的接收机在复杂的CM3和CM4信道中都能得到很好的性能，随着速率的增大，接收机的性能有所下降，但在CM3信道中，对于速率高达250Mbps的系统，在25dB时系统误码率仍能达到10^-3。因此，图中的仿真结果说明了该自适应Rake接收机适用于存在多径效应和ISI干扰的高速超宽带系统。

仿真2

为了比较本发明与其他接收机的性能，图6给出了MRC-Rake(Maximum RatioCombining Rake，最大比值合并Rake接收机)接收机、MMSE-Rake(Minimum MeanSquared Error Rake，最小均方误差合并Rake接收机)接收机、MRC-Rake直接结合自适应均衡器的接收机以及本发明的接收机在CM3信道中的性能。这里N_s＝4，即符号速率为125Mbps。由图可知，在CM3信道环境下，MRC-Rake后直接加自适应均衡器的接收机性能要比单独的MRC-Rake接收机及MMSE-Rake接收机好很多，而后两者相比相差不大。这说明了在复杂的多径信道环境中，MRC-Rake结合均衡器后的接收机能够有效地提高系统性能，在抗ISI、抗多径方面都要优于前两种。但将前面提到的三种接收机与本发明的自适应超宽带Rake接收机的性能相比，本发明的性能明显要比这三种接收机改善很多，所以，本发明更能适应室内的复杂环境。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.一种自适应超宽带Rake接收机，包括匹配滤波器、最大似然信道估计器、采样单元、LMS自适应Rake合并器、序列发生器、误差单元以及符号检测器，

该匹配滤波器，连接该采样单元和该最大似然信道估计器，对接收到的信号与本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路输出，其中一路是以整个帧信号的方式输出至该采样单元，另一路是将帧信号中提取出来的训练序列输出至该最大似然信道估计器；

该最大似然信道估计器，连接该采样单元和该LMS自适应Rake合并器，对接收到的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延输出至该采样单元以用作采样时刻，路径增益输出至该LMS自适应Rake合并器以初始化合并系数；

该采样单元，连接该LMS自适应Rake合并器，利用估计出的多径信道时延对经该匹配滤波器处理后的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

该LMS自适应Rake合并器，连接该符号检测器，对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后输出至该符号检测器；

该序列发生器，连接该误差单元，产生与发射端相同的理想信息序列，输出至该误差单元；

该误差单元，连接该LMS自适应Rake合并器，将该序列发生器产生的理想信息与该LMS自适应Rake合并器的输出信号做差，然后送入该LMS自适应Rake合并器；

该符号检测器，将该LMS自适应Rake合并器最后输出的序列进行判决。

2.根据权利要求1所述的自适应超宽带Rake接收机，其特征在于，该LMS自适应Rake合并器进步包括：

Rake合并器，利用合并系数对每个多径分量的采样信号进行加权合并，取得分集增益，合并系数由LMS自适应迭代算法调整；

自适应均衡器，由横向滤波器构成，对Rake合并器的输出做均衡处理，以消除符号间干扰的影响，自适应均衡器的抽头系数由LMS自适应迭代算法调整。

3.一种自适应超宽带Rake接收方法，包括：

对接收到的信号和本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路，其中第一路是整个帧信号的方式，第二路从帧信号中提取训练序列；

对提取出的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延用作采样时刻，路径增益用作初始化合并参数；

利用估计出的多径信道时延对第一路的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后生成信息序列；

产生与发射端相同的理想信息序列；

将LMS自适应Rake合并器处理后的信息序列进行判决。

4.根据权利要求3所述的自适应超宽带Rake接收方法，其特征在于，加权合并的合并系数和均衡处理的抽头系数均由LMS自适应迭代算法调整。

5.一种超宽带无线通信系统，包括：

发射装置，包括依次连接的信源、重复编码器、发送编码器、调制器、脉冲形成滤波器和发射天线；

无线信道；

接收装置，包括匹配滤波器、最大似然信道估计器、采样单元、LMS自适应Rake合并器、序列发生器、误差单元以及符号检测器，其中

该匹配滤波器，连接该采样单元和该最大似然信道估计器，对接收到的信号与本地信号进行匹配滤波处理，并将处理后的信号分为两路输出，其中一路是以整个帧信号的方式输出至该采样单元，另一路是将帧信号中提取出来的训练序列输出至该最大似然信道估计器；

该最大似然信道估计器，连接该采样单元和该LMS自适应Rake合并器，对接收到的训练序列通过最大似然信道估计算法估算出包括多径信道时延和路径增益的信道参数，其中多径信道时延输出至该采样单元以用作采样时刻，路径增益输出至该LMS自适应Rake合并器以初始化合并系数；

该采样单元，连接该LMS自适应Rake合并器，利用估计出的多径信道时延对经该匹配滤波器处理后的帧信号进行采样，以获得每个多径分量的采样信号；

该LMS自适应Rake合并器，连接该符号检测器，对每个多径分量的采样信号进行加权合并，再将合并后的信号做均衡处理后输出至该符号检测器；

该序列发生器，连接该误差单元，产生与发射端相同的理想信息序列，输出至该误差单元；

该误差单元，连接该LMS自适应Rake合并器，将该序列发生器产生的理想信息与该LMS自适应Rake合并器的输出信号做差，然后送入该LMS自适应Rake合并器；

该符号检测器，将该LMS自适应Rake合并器最后输出的序列进行判决。

6.根据权利要求5所述的超宽带无线通信系统，其特征在于，该LMS自适应Rake合并器进一步包括：

Rake合并器，利用合并系数对每个多径分量的采样信号进行加权合并，取得分集增益，合并系数由LMS自适应迭代算法调整；

自适应均衡器，由横向滤波器构成，对Rake合并器的输出做均衡处理，以消除符号间干扰的影响，自适应均衡器的抽头系数由LMS自适应迭代算法调整。

7.根据权利要求5所述的超宽带无线通信系统，其特征在于，该重复编码器是分组编码器，将该信源产生的二进制序列的比特进行重复操作并引入冗余信息；

该发送编码器进行多址编码和发射信号的频谱形成，引入码片时间将二进制序列转换成实数值序列；

该调制器通过采用脉冲位置调制或二进制相位调制产生跳时脉冲位置调制或跳时二进制相位调制信号；

该脉冲形成滤波器将调制后的信号用脉冲来表示，该脉冲形成滤波器的冲击响应确保输出的脉冲序列没有任何的重叠；

该发射天线将形成的脉冲发射出去。

8.根据权利要求5所述的超宽带无线通信系统，其特征在于，该无线信道是采用超宽带室内信道模型中的非视距信道模型的3号信号模型和4号信号模型。

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