一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法技术方案

本发明专利技术涉及非相干超宽带(UWB)无线通信领域，特别是基于传输参考脉冲簇(TRPC)的UWB通信系统，公开了一种适用于TRPC‐UWB通信系统的相位噪声分析方法。首先建立带通(Passband)TRPC‐UWB系统的分析模型，包括基带信号、上变频、多径信道、下变频及基带检测模块；然后根据通用的相位噪声模型及多径信道特性对该分析模型进行近似变换，得到等效的分析模型；基于该等效模型推导出相位噪声对系统误码性能影响的理论表达式，由该表达式并结合具体的信道模型参数即可得到相应的半解析误码率曲线。本发明专利技术的分析方法能够快速、精确地评估带通TRPC‐UWB系统中相位噪声对于误码性能的影响，对于实现低成本、低功耗及低复杂度的系统设计及参数优化具有重要的参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非相干超宽带无线通信领域，涉及基于传输参考脉冲簇的非相干超宽带通信系统，特别涉及一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法。
技术介绍
超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术以低成本、低功耗及良好的时域分辨能力等特点成为一种颇具潜力的短距离无线通信解决方案。特别是在低码率无线个域网(Wireless Personal Area Networks,WPANs)标准修正案IEEE802.15.4a中，超宽带被采纳为备选的物理层传输技术之一，因而受到学术界和工业界的关注。在低码率的超宽带系统中，出于低成本、低功耗等要求的考虑，较多地是采用复杂度较低、对采样速率要求不高且不需要信道估计的非相干(Non-coherent,NC)接收机。目前用于非相干超宽带系统的流行检测技术为能量检测器(Energy detector,ED)和自相关接收机(Autocorrelation Receiver,AcR)。其中，自相关接收机由于其结构简单、性能稳健等特点通常用于基于传输参考(Transmitted Reference,TR)信号的UWB通信系统。基本的TR时域信号为脉冲对结构(前一个脉冲称为参考脉冲，后一个脉冲用于调制数据因而称为数据脉冲)。在传统的TR-UWB系统中，在对接收信号进行自相关处理时为了避免由多径延时扩展所造成的脉冲间干扰(Inter-pulse Interference,IPI)，需要引入很长的延迟线(可达数百纳秒)来隔离参考脉冲和数据脉冲。但是，以当前的工艺水平不可能将如此长的延迟线精准地集成到Soc芯片；而如果采用模拟延迟线，仅20纳秒的延迟线就需要用6米长的同轴电缆。过长延迟线的问题已经成为实现TR-UWB系统的巨大障碍。针对TR-UWB系统延迟线过长难以实现的缺陷，研究人员已经分别从时域、频域或码域的角度提出了相应的解决方案。其中，一种巧妙的时域方法即是采用紧密排列的脉冲对排列结构—TRPC信号结构。TRPC采用紧密的脉冲排列结构不可避免地会引入IPI，但研究结果表明：IPI仅使其判决阈值产生偏移，采用简单的判决阈值优化即可有效消除IPI的影响；紧密的脉冲对排列结构不仅使得超宽带延迟线缩短为一个脉冲的宽度(一般在2纳秒以下，可集成到Soc)，而且在自相关积分中还能充分利用参考脉冲能量(传统TR-UWB系统要损失将近一半的参考脉冲能量)，大大提高了能量效率和检测性能，在同一误码率指标下，TRPC-UWB所需的信噪比相比传统TR-UWB可降低2～3dB。基于上述独特优点，TRPC-UWB系统已经被进一步深入研究，其在低成本、低功耗及低复杂度UWB应用场合中的系统实现问题也备受关注。目前，学术界为了分析方便通常是采用基带系统作为TRPC-UWB的等效研究模型。然而，根据各国无线电管理机构在频谱分配方面的相关规定，UWB通信系统实际上却是一个带通(Passband)系统。例如，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)为UWB通信分配的频段是3.1GHz～10.6GHz；IEEE 802.15.4a标准协议也相应地为UWB设备划分了16个工作频带。而设计、实现带通系统最为方便可行的方法是在发射机端通过上变频(Up-conversion)将信号从基带搬移到工作频带；相应地，在接收机端通过下变频(Down-conversion)将带通信号变换为基带信号后再进行后续的信号处理。其中，上/下变频的核心模块是振荡器(Oscillator)，即待变换信号与振荡器输出载波相乘后被搬移到相应的载波频带。然而，由于电子器件的非理想工作特性，任何振荡器均无法输出理想的载波信号，即输出载波中包含相位噪声，相位噪声的存在会影响到系统误码率。因此，在系统设计阶段，必须准确地分析、评估相位噪声对系统误码性能的影响。目前，在非相干UWB通信系统中，针对相位噪声的系统性能分析尚未获得。虽然在其它通信系统(如OFDM系统)中有少数相关研究成果，但是由于系统特性的差异无法将它们应用于非相干UWB通信系统。另一方面，虽然通过软、硬件实验测试的方法可获得直接确凿的数据，但是其时间和经济成本较高且缺乏灵活性。因此，如何能够快速、精确地分析评估相位噪声对于系统误码率的影响，对于实现低成本、低功耗及低复杂度的系统设计及系统参数优化具有重要的参考价值。
技术实现思路
针对上述缺陷或不足，本专利技术的目的在于提供了一种快速、灵活、准确的非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法。为达到以上目的，本专利技术的技术方案为：包括以下步骤：1)、将基带信号经过上变频、多径信道、下变频及基带检测处理，建立带通TRPC-UWB系统的分析模型；2)、根据相位噪声模型及多径信道特性对所述带通TRPC-UWB系统的分析模型进行近似变换，得到等效分析模型；3)、利用所述等效模型推导出相位噪声对带通TRPC-UWB系统误码性能影响的半解析表达式；4)、建立基带TRPC-UWB系统参数估计模型，在实际的信道模型中估计半解析表达式参数，并将参数代入半解析表达式得到对应的误码率曲线。所述步骤1)具体描述为：设带通TRPC-UWB系统为单用户系统，其中对应于第i个符号的基带信号表示为：s(t)=Eb2NfΣm=0Nf-1[g(t-iTs-2mTd)+big(t-iTs-(2m+1)Td)],---(1)]]>其中，Eb为单个符号的发射能量，Nf为发送每个符号所需要的脉冲对重复次数，g(t)为能量归一化的超宽带脉冲，为发射的二进制数据符号，Ts为符号周期，Td为参考脉冲和数据脉冲之间的延时，在带通TRPC-UWB系统中满足Td≥Tp，Tp为脉冲宽度，m为非负整数，t为连续时间变量(单位：秒)。上变频振荡器输出余弦载波Itx(t)和正弦载波Qtx(t)分别将基带信号s(t)变换为同相(In-phase,I)分量和正交(Quadrature,Q)分量，该两路带通分量被合并为一路带通信号后，再从天线上发射出去，即发射的带通TRPC-UWB信号为：其中，fc为载波的中心频率，θtx(t)表示上变频振荡器输出的相位噪声；多径信道冲激响应的表达式为：h(t)=Σk=0K-1αkδ(t-τk),---(3)]]>其中，αk和τk分别表示第k径多径分量的复衰落系数及到达延时，设τk＝kTc，其中，Tc本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、将基带信号经过上变频、多径信道、下变频及基带检测处理，建立带通TRPC‑UWB系统的分析模型；2)、根据相位噪声模型及多径信道特性对所述带通TRPC‑UWB系统的分析模型进行近似变换，得到等效分析模型；3)、利用所述等效模型推导出相位噪声对带通TRPC‑UWB系统误码性能影响的半解析表达式；4)、建立基带TRPC‑UWB系统参数估计模型，在实际的信道模型中估计半解析表达式参数，并将参数代入半解析表达式得到对应的误码率曲线。

【技术特征摘要】
1.一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方法，其特征在于，包括
以下步骤：
1)、将基带信号经过上变频、多径信道、下变频及基带检测处理，建立
带通TRPC-UWB系统的分析模型；
2)、根据相位噪声模型及多径信道特性对所述带通TRPC-UWB系统的分析
模型进行近似变换，得到等效分析模型；
3)、利用所述等效模型推导出相位噪声对带通TRPC-UWB系统误码性能影
响的半解析表达式；
4)、建立基带TRPC-UWB系统参数估计模型，在实际的信道模型中估计半
解析表达式参数，并将参数代入半解析表达式得到对应的误码率曲线。
2.根据权利要求1所述的一种非相干超宽带通信系统的相位噪声分析方
法，其特征在于，所述步骤1)具体描述为：
设带通TRPC-UWB系统为单用户系统，其中对应于第i个符号的基带信号
表示为：
s(t)=Eb2NfΣm=0Nf-1[g(t-iTs-2mTd)+big(t-iTs-(2m+1)Td)],---(1)]]>其中，Eb为单个符号的发射能量，Nf为发送每个符号所需要的脉冲对重
复次数，g(t)为能量归一化的超宽带脉冲，为发射的二进制数据符
号，Ts为符号周期，Td为参考脉冲和数据脉冲之间的延时，在带通TRPC-UWB
系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁中华，荣玫，董晓岱，宋焕生，张国伟，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61