CN1645759A - 一种在超宽带系统中使用的瑞克接收机及处理信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在超宽带系统UWB中使用的瑞克接收机，其用于接收来自下行链路的信号，该瑞克接收机包括：支路加权乘法器，用于调整各支路的本地模板信号的加权系数；时间延迟器，用于延迟本地模板信号；接收信号与模板信号相乘器；用于将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；积分器，用于对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；采样器，用于以接收信号的符号速率采样；合并器，用于各支路采样后得到的信号进行加权合并；最小均方误差MMSE模块，该模块对信道估计模块的输出信号进行处理，调整各个支路的加权系数，并将调整后的所述加权系数输出到支路加权乘法器。

Description

一种在超宽带系统中使用的瑞克接收机及处理信号的方法

技术领域

本发明涉及超宽带(UWB)无线通信系统中的接收机技术，特别是涉及一种高速率、近距离的最小均方误差瑞克(MMSE-RAKE)接收机，该接收机对于传输中信号的多径延迟扩展所引起码间干扰(ISI)有较好的抑制作用。

技术背景

在现有的超宽带无线通信系统中，使用RAKE接收机，接收信号的若干个多径分量，以最大比合并方式以获得接收机的信噪比的最大化。如图1所示，接收机有L_p个支路，合并信号的前L_p个多径分量，对应的最大信噪比合并系数为信道冲击响应的前L_p个分量(h₁，h₂，...，h_Lp)，该值由信道估计模块提供；在每一个积分器支路中模板脉冲信号的延迟是与(h₁，h₂，...，h_Lp)对应的(τ₁，τ₂，...，τ_Lp)。接收信号与模板信号相乘后积分，每条支路的积分值经采样后合并，合并后的值送入判决器进行判决。

上述内容为现有的超宽带系统RAKE接收机的工作流程。系统在信息速率较低的情况下上述的RAKE接收机有较好的性能。但是超宽带技术主要用于WPAN(personal area network)，其信息速率由IEEE802.15.3a标准提出为110～480Mpbs。在这种情况下，信号的相邻的脉冲由于多径延迟扩展所引起的码间干扰(ISI inter symbol interference)对于接收机的解调和判决的影响是致命的。码间干扰对于系统的性能由matlab平台仿真得到，降低结果图2可见。图中横坐标为信噪比，纵坐标为系统的误码率。信息速率为100Mbps，接收端接收机的支路数为5。从图中可见，当误码率达到10^-5时，有码间干扰系统要比没有码间干扰的系统信噪比提高约10dB，也就是说码间干扰使得系统的性能降低了10dB，此时通信质量急剧下降，甚至使通信中断。

发明内容

针对原有的超宽带(UWB)RAKE接收机受码间干扰影响严重的情况，本发明所要解决的问题在于解决码间干扰对系统性能的影响，提高超宽带系统接收机对于码间干扰的鲁棒特性。使得超宽带系统的接收机在严重的多径环境下，对码间干扰有一定的抑制能力。

为了解决上述问题，本发明提出一种在超宽带系统UWB中使用的瑞克接收机，其用于接收来自下行链路的信号，该瑞克接收机包括：支路加权乘法器，用于调整各支路的本地模板信号的加权系数；时间延迟器，用于延迟本地模板信号；接收信号与模板信号相乘器；用于将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；积分器，用于对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；采样器，用于以接收信号的符号速率采样；合并器，用于各支路采样后得到的信号进行加权合并；最小均方误差MMSE模块，该模块对信道估计模块的输出信号进行处理，调整各个支路的加权系数，并将调整后的所述加权系数输出到支路加权乘法器。

附图说明

图1是现有的超宽带RAKE接收机的原理框图。

图2是系统在多径环境下，速率达到100Mbps时受到码间干扰影响由计算机仿真得到的性能与无码间干扰的性能比较。

图3是本发明提出的超宽带MMSE-RAKE接收机的原理框图。

图4是超宽带MMSE-RAKE中MMSE模块工作流程图。

图5是系统在多径环境下，速率达到100Mbps，接收机支路数为5时，多径环境下由计算机仿真得到的MMSE-RAKE接收机性能与现有的超宽带RAKE接收机性能比较。

图6是系统在多径环境下，速率达到100Mbps，接收机支路数为10时，多径环境下由计算机仿真得到的MMSE-RAKE接收机性能与现有的超宽带RAKE接收机性能比较。

具体实施方式

下面将参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是现有的超宽带RAKE接收机的原理框图。其中，该瑞克接收机包括：支路加权乘法器，用于调整各支路的本地模板信号的加权系数；时间延迟器，用于延迟本地模板信号；接收信号与模板信号相乘器；用于将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；积分器，用于对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；采样器，用于以接收信号的符号速率采样；合并器，用于各支路采样后得到的信号进行加权合并；以最大比合并方式以获得接收机的信噪比的最大化。所述接收机中的各条支路信号的多径分量在时域上是正交的，而在CDMA系统中各条支路的信号的多径分量的正交性是靠正交码子实现的。

图2是系统在多径环境下，受到码间干扰和无码间干扰的性能比较，数据速率达为100Mbps。其中横轴表示信噪比，单位为dB，纵轴表示误码率。由图中可知码间干扰对系统性能的影响比较严重，系统的误码率在10^-4时，码间干扰对系统的性能降低约为10dB。所以消除码间干扰的影响可以较好的提高系统的性能。

图3是本发明提出的超宽带MMSE-RAKE接收机的原理框图。该瑞克接收机包括：支路加权乘法器，用于调整各支路的本地模板信号的加权系数；时间延迟器，用于延迟本地模板信号；接收信号与模板信号相乘器；用于将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；积分器，用于对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；采样器，用于以接收信号的符号速率采样；合并器，用于各支路采样后得到的信号进行加权合并；最小均方误差MMSE模块，该模块对信道估计模块的输出信号进行处理，调整各个支路的加权系数，并将调整后的所述加权系数输出到支路加权乘法器。由MMSE模块输出的支路加权系数兼顾了对信号的多径分量信噪比最大化的和减小码间干扰的影响。当码间干扰较为严重的情况下，各支路信号的多径分量的正交性无法满足，使用原有的最大比合并方式的支路加权系数合并各支路信号无法消除码间干扰，并非是最优的。而MMSE模块对原有的加权系数进行调整，使得加权系数在最大信噪比接收和消除码间干扰两方面得到折中，优于原有的加权系数。

图4是超宽带MMSE-RAKE中MMSE模块工作流程图。在接收端的MMSE-RAKE接收机有L条支路，对信号的前L个多径分量接收，对于第N个比特的信号，由各条支路积分器的输出抽样值加权合并后的判决变量表示如式1：

(式1)

其中v(t)＝p(t)-p(t-δ)为模板脉冲信号，β_k为支路的加权合并系数。

上式中第一项为有用信号，表示RAKE接收机的L条支路对第N个脉冲信号的前L个多径分量相关接收后，加权合并。最后一项表示高斯噪声。第二项表示码间干扰的影响。在没有码间干扰的情况下，上式的第二项为0。对于RAKE接收机的每一条支路的加权系数应是与该支路延迟相对应的信道冲击响应的分量，这样的合并方式为最大比合并。对于存在高斯加性白噪声AWGN和码间干扰的情况，以最大比合并没有考虑码间干扰的因素，只是收集最多的信号能量，以获得信噪比的最大化，最大比合并在码间干扰的情况下就不是最优的合并方式，所以要寻找RAKE接收机在码间干扰情况下的最优的加权合并系数。

进一步考察式1，可将其表示为：

$=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\underset{i=N-M}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{path}}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k{\mathrm{\β}}_{l}R({\mathrm{NT}}_d-{\mathrm{iT}}_d+{\mathrm{\τ}}_l-{\mathrm{\τ}}_k)\left]\right\}+w\left({\mathrm{NT}}_d\right)$

(式2)

其中 $\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}p\left(t\right)v(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 为发射脉冲与模板脉冲的互相关。定义RAKE接收机的加权合并系数为L×1的列向量：

$\stackrel{\→}{B}=[{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2,...{,\mathrm{\β}}_L{]}^T$ (式3)

定义Φ[n]为L×1的列向量：

$\mathrm{\Φ}\left[n\right]=\underset{k=1}{\overset{N_{\mathrm{path}}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k\left[\begin{array}{c}R({\mathrm{nT}}_d-{\mathrm{\τ}}_k+{\mathrm{\τ}}_1)\\ R(n{T}_d-{\mathrm{\τ}}_k+{\mathrm{\τ}}_2)\\ .\\ .\\ .\\ R({\mathrm{nT}}_d-{\mathrm{\τ}}_k+{\mathrm{\τ}}_L)\end{array}\right]$ (式4)

由式3、式4来表示式2，可得：

$=\underset{i=N-M}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{B}}^T\mathrm{\Φ}[N-i]+w\left({\mathrm{NT}}_d\right)$ (式5)

(式5)与(式2)意义相同，只是用向量表示了Y(nTd)。假设SN表示Y(nTd)在没有高斯噪声和ISI的情况下的理想值。所以对于一组最优的加权合并系数应满足：

${\stackrel{\→}{B}}_{\mathrm{opt}}=\arg \underset{{\mathrm{\β}}_k}{\min }E\left[{|S_N-Y\left(n{T}_d\right)|}^2\right]$ (式6)

上的解表示为：

(式7)

其中

(式8)

其中 分别表示高斯噪声和ISI干扰项的互相关矩阵。针对本发明的问题由(式2)可得

为L×L方阵，各元素表示为：

(式9)

其中 $R_n\left(t\right)=\frac{N_0}{2}\mathrm{\δ}\left(t\right).$ 显然只有当i＝j时，

可知

可以表示为：

(式10)

表示为：

(式11)

H表示为：

$H=\mathrm{\Φ}\left[0\right]$

(式12)

利用上述方法优化Rake接收机的加权系数，可以得到加权系数表示为：

${\stackrel{\→}{B}}_{\mathrm{opt}}={\{\frac{N_0}{2}R\left(0\right)I+\underset{n=-M}{\overset{-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Φ}[n\left]{\mathrm{\Φ}}^T\right[n\left]\right\}}^2\mathrm{\Φ}\left[0\right]$ (式13)

上式则是MMSE模块的输出。

图5是系统在多径环境下，原有的接收于MMSE-RAKE机于的性能比较，数据速率达为100Mbps。其中横轴表示信噪比，单位为dB，纵轴表示误码率。图中纵轴为误码率。可见在误码率为10^-5时，加入MMSE模块的RAKE接收机比传统RAKE接收机性能提高3dB。

图6是系统在多径环境下，速率达到100Mbps，接收机支路数为10时，多径环境下由计算机仿真得到的MMSE-RAKE接收机性能与现有的超宽带RAKE接收机性能比较。其中横轴为信噪比。纵轴为误码率。可见在误码率为10^-5时，加入MMSE模块的RAKE接收机比传统RAKE接收机性能提高3dB。

本发明所实现的某些优点对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。同样应当理解各种修改，改变，以及其可替换的实施例都在本发明的精神和范围之内。本发明进一步由下面的权利要求来定义。

Claims (4)

1.一种在超宽带系统UWB中使用的瑞克接收机，其用于接收来自下行链路的信号，该瑞克接收机包括：

支路加权乘法器，用于调整各支路的本地模板信号的加权系数；

时间延迟器，用于延迟本地模板信号；

接收信号与模板信号相乘器，用于将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；

积分器，用于对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；

采样器，用于以接收信号的符号速率采样；

合并器，用于各支路采样后得到的信号进行加权合并；

其特征在于，该瑞克接收机还包括：

最小均方误差MMSE模块，该模块对信道估计模块的输出信号进行处理，调整各个支路的加权系数，并将调整后的所述加权系数输出到支路加权乘法器。

2.根据权利要求1所述的瑞克接收机，该接收机具有L_p个支路，用于合并信号的前L_p个多径分量。

3.一种使用瑞克接收机在超宽带UWB系统中接收处理信号的方法，该方法包括步骤：

使用支路加权乘法器调整各支路的本地模板信号的加权系数；

使用时间延迟器延迟本地模板信号；

使用接收信号与模板信号相乘器将已接收信号的多径分量与经延迟的本地模板信号相乘；

使用积分器对相乘后的本地信号与接收信号的多径分量在符号间隔内积分；

使用采样器以接收信号的符号速率对所述积分器的输出值进行采样；

使用合并器对各支路采样后得到的信号进行加权合并；

其特征在于，该方法还包括步骤：

使用最小均方误差MMSE模块对信道估计模块的输出信号进行处理，调整各个支路的加权系数，并将调整后的所述加权系数输出到支路加权乘法器。

4.根据权利要求3所述的在超宽带UWB系统中接收处理信号的方法，其中该接收机具有L_p个支路，用于合并信号的前L_p个多径分量。

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