单比特通信系统时域均衡技术研究

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随着脉冲超宽带(IR-UWB)技术民用化的推广以及现代通信技术的迅猛发展,IR-UWB技术在室内短距离系统中的优势逐渐显现。IR-UWB是短距离高速通信场景下一种简单高效的通信技术。其技术优势主要体现在:硬件实现复杂度低、功耗低、成本低以及高的通信速率和系统吞吐量(三低一高)。UWB通信系统所能达到的技术指标可以覆盖当前短距离高速通信的大部分需求。虽然UWB通信系统有上述的诸多优势,但是UWB的发展现状却并不尽如人意。其中一个重要原因就是目前UWB通信系统的接收机在硬件实现上还面临诸多困难。首先,UWB信号带宽极大,脉冲持续时间极短,故接收机在接收端需要高速率高精度的模拟数字化器件(ADC)采样。就当前的硬件工艺水平而言,设计和制造出高速高精度ADC的难度是相当大的;其次,UWB信号的多径分辨能力强。多径分辨能力对于小范围内精确定位具有很大帮助。然而,在通信系统中,当信道的多径时延扩展时间远大于信号的符号周期时,相邻的符号间就会产生码间串扰(Inter-Symbol-Interference, ISI),从而限制通信系统的传输速率,影响信息传输质量。针对第一点问题,研究人员已经提出了通过使用低精度量化接收技术来避免实现的高速高精度量化ADC带来的技术困难。其中,单比特接收技术又是低精度接收技术中的一个特例。单比特技术以凭借其独特的量化方式和简单的硬件实现优势逐渐进入了研究人员的视野。本文主要研究的内容就是如何在UWB单比特通信系统中有效解决ISI问题,重点研究单比特时域均衡技术。本文的主要研究内容安排如下:绪论部分回顾脉冲超宽带技术的发展历程,介绍当前IR-UWB通信系统的技术优势和存在的技术困难,并且阐明使用单比特通信系统实现室内短距离通信的应用场景。第二章对当前通信系统中主要的均衡技术和方法进行介绍,提出单比特下均衡技术的特殊性和技术难点。接下来的两章分别介绍了单比特最大似然(ML)检测方法和单比特时域联合解调解码算法(JVDA)。其中,本文在单比特ML检测方法一章中提出了通过反向构造ISI波形的方法。这种方法对所有可能的ISI情况进行遍历,找出似然值最大的组合作为输出。本文随后分析了ML算法的误码率性能和计算复杂度。在介绍JVDA算法一章中,本文通过维特比算法在单比特通信系统中实现了联合解调解码算法。仿真结果表明JVAD算法在相同状态数下比级联解码解调方法具有1dB的性能增益。与此同时,JVDA算法还可以有效减少解调和解码的计算复杂度。本文最后从室内无线信道的特征入手,对JVDA算法出现增益的原因进行了分析。综上所述,本文中的研究成果能够有效减小高速IR-UWB通信系统中的ISI问题,由此增加了IR-UWB通信系统的实现可能性。
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