超宽带脉冲信号的一种频域采样和接收方法

第23卷 第7期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 7

2009年7月

JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT

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本文于2008年4月收到。

*基金项目: 本项目为国家自然科学基金(编号: 60496313)资助项目。

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超宽带脉冲信号的一种频域采样和接收方法*

杨 峰 蒋祥顺 胡剑浩 李少谦

(电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室, 成都 610054)

摘 要: 对纳秒级的超宽带脉冲信号进行采样需要设计采样速率高达数十GHz, 且必须具有较低功耗的超高速模数变换器,提出了一种频域模数变换的方法, 使超宽带脉冲信号通过一个频域滤波器组, 并采用一组低速模数变换器在频域对脉冲信号并行采样, 大大地降低了接收机对前端模数变换器采样速率的要求。并给出了频域同步、频域信道估计和频域解调的设计算法, 计算机仿真结果证明了在能够大大降低采样速率的情况下, 频域采样超宽带脉冲通信接收机具有和传统时域高速采样接收机相近的误码率性能。

关键词: 超宽带; 频域采样; 模数变换器; 滤波器组

中图分类号: TN92 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 510.5015

Frequency domain sampling and receiving method

for ultla-wideband pulse signal

Yang Feng Jiang Xiangshun Hu Jianhao Li Shaoqian

(National Key Lab. of Comm., University of Electronic Sci. &Tech. of China, Chengdu 610054, China)

Abstract: The most challengeable job in the design of digital UWB receiver is the design of an ultra-high speed ADC in the order of tens of gigahertz with low power consumption. In this paper, a frequency domain parallel sampling method is proposed, which can greatly reduce the ADC sampling speed. The frequency domain ADCs are composed of analog filter banks followed by lower speed ADCs. The analog filter banks can be implemented using simple bi -quad filters. Therefore, the digital UWB receiver can be easily implemented in CMOS technology of low complexity. Fre-quency domain synchronization, channel estimation and demodulation algorithms are also provided. The simulation results show that under much lower sampling speed, the frequency domain UWB receiver can achieve BER perfor-mance comparable with conventional high sampling speed digital UWB receiver.

Keywords: UWB, frequency domain sampling, A/D conversion, filter banks

1 引 言

超宽带(UWB)无线通信技术是与常规无线通信技术(包括窄带通信, 常规扩频通信和OFDM 技术)相比具有显著差异的新兴无线通信技术[1-2], 美国联邦通信委员会(FCC)规定, 凡是绝对带宽大于500 MHz 或者相对带宽大于20%的无线通信系统都称为

UWB 通信系统。超宽带冲激无线电(Impulse Radio)通信系统通过发送纳秒级的高斯单脉冲信号传送信息[3-4], 具有很多与生俱来的特点, 比如说能够提供较高的时间分辨率以实现精确定位, 具有较好的穿透物体的能力, 可以提高无线通信系统容量, 以及易于采用小尺寸低功耗的半导体集成电路实现等优

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点, 因此在短距离无线通信, 雷达, 定位以及远程遥控等领域具有广阔的应用前景。

数字UWB接收机具有信号处理算法灵活, 性能优良的特点, 但是对纳秒级脉冲的数字化采样, 需要设计数十GHz采样速率的超高速ADC, 就目前的半导体实现技术而言, 这种高速率、小尺寸、低功耗的ADC是无法大规模低成本生产的, 这也是数字UWB接收机设计的最大难点所在。在此之前, 解决这一难题的方法是采用模拟相关器, 即在模数变换之前的模拟电路中进行脉冲相关, 然后再进行数字化采样, 以达到降低采样速率的目标。但是, 模拟脉冲相关的方法不能充分发挥数字通信技术的优势, 而且还容易受到电路失配以及非理性特性的影响。

时域并行ADC结构采用多个ADC对UWB信号并行采样, 每个ADC在采样时间上相差一个固定的时间间隔[5], 可以实现对UWB信号的高速采样, 但是这种方法需要设计数量很多的ADC, 并且需要对每个ADC的采样时间进行精确的控制, 容易受到采样时钟抖动的影响。参考文献[6-7]提出了一种使用滤波器组将频带分割为M个子带的方法, 每个子带具有较小的带宽, 然后用采样速率相对较低的M个ADC对每个子带分别进行采样, 但是这种方法需要设计M个高性能的带通滤波器, M个本地振荡器和M个混频器, 电路实现上的难度非常大。参考文献[8-9]提出了一种将接收UWB信号映射到基函数, 然后提取其频率分量的方法, 但是这种方法需要设计多个基函数产生器, 多个混频和积分器电路, 实现复杂度也相当大。

本文提出了一种新的频域模数变换的方法, 使UWB脉冲信号通过一个频域滤波器组, 然后采用一组低速的ADC在频域对滤波后的信号并行采样, 这样的设计方法可以大大地降低接收机对前端ADC采样速率的要求, 并有利于采用目前的半导体集成电路技术设计实现。针对频域并行采样得到的数字UWB信号, 设计了相应的频域信号处理UWB接收机, 给出了频域同步、频域信道估计和频域解调算法。计算机仿真结果证明了本文提出的频域采样方法能够大大降低系统对前端采样速率的要求, 并且频域采样UWB接收机具有和传统时域高速采样UWB接收机相近的误码率性能。

2频域模数变换器模型

在UWB接收端, 接收到的信号r(t)可以表示为复指数形式

()0

j2

e k

f t

k

k

r t a

+∞

π

=-∞

=∑(1) 式中: k = 0, ±1, ±2,…, f0 = 1/T w是接收信号r(t)的基波频率, T w是接收信号的基波周期, 一般情况下T w小于脉冲重复周期(PRI)。本文分析中采用了脉冲宽度2 ns, 脉冲重复周期200 ns的高斯单脉冲信号[10], 多径信道采用IEEE 802.15.4a工作组推荐的改进S-V 分簇多径传输模型[11], 在室内LOS信道(CM3)环境下进行仿真和分析, 其多径时延扩展为50 ns。因此, 在频域模数变换器中, T w设定为50 ns, 可以保证频域模数变换器能够采样得到主要的信号分量。a k是接收UWB信号在频率f k上的频谱分量, a k可以表示为

j2π

1

()e d

-

=ò

w

k f t

k T

w

a r t t

T

(2) 频域采样技术的主要思想是通过一组频域滤波器和低速ADC对UWB信号并行采样得到其频域分量a k。根据欧拉公式e jθ=cosθ+jsinθ, 公式(2)可以改写为

00 1

()cos(2)d j()sin(2)d

w w

k

T T

w

a r t k f t t r t k f t t

T

⎡⎤=π-π=⎢⎥

⎣⎦

⎰⎰

00

1

[()*cos(2)j()*sin(2)]

w

t T

w

r t k f t r t k f t

T=

π+π(3) 式中:“*”代表卷积运算, 三角函数cos(k2πf0t)和sin(k2πf0t)的拉普拉斯变换分别是

()

{}

()

()

{}

()

02

2

02

2

cos2

2

2

sin2

2

π=

+π

π

π=

+π

s

L k f t

s k f

k f

L k f t

s k f

(4) 根据传输函数方程(4), 设计了如图1所示的模拟滤