[实用新型]用于UWB信号传输的基于能量检测的接收机

说明书

技术领域

本实用新型一般是属于超宽带（ultra-wideband, UWB）通信系统，更具体是基于脉冲的超宽带系统中的基于能量检测的接收机。该发明可以减少接收到的超宽带信号中的噪声和窄带干扰能量并提高接收信号的信号噪声干扰比值（signal-to-noise-plus-interference ratio, SNIR）。 

背景技术

 UWB系统具有较大（如500 MHz以上）的频带宽度，这使得它可以使用持续时间很短脉冲，而不是连续的正弦载波来传输信息。因此，基于脉冲的UWB技术被认为是发展高数据传输率以及高精确度，超低功耗和低复杂通信系统的关键技术。 

图1 描述了一种基于匹配滤波器结构的超宽带脉冲接收机。在这种结构中，接收信号首先通过低噪声放大器（low noise amplifier, LNA），再用一个带通滤波器（band-pass filter, BPF）滤除带外噪声和干扰。随后，BPF的输出与一个本地的信号模板进行相关处理，相关的结果再进行积分和采样。最后，通过适当的信号处理算法，可以从采样的信号中恢复出发送的信息。为了达到最佳的性能，基于匹配滤波器的接收机必须解决一个技术难题：本地信号模板，记为S_template(t)，必须与没有噪声和信号干扰的接收信号完全一致。然而，在UWB系统中，由于使用的信号带宽极大并且有严重的多径干扰，接收到的信号和发送的信号的波形完全不同并且会重叠到一起。为了估计接收到的信号波形将会使得基于匹配滤波器结构的接收机的实现复杂度变得非常复杂。 

为了实现低复杂度的脉冲超宽带系统，许多研究方向转向了设计次优的、非相干的接收方案，如能量检测（energy detection, ED）接收机。图2给出了基于能量检测的接收机结构。在能量检测接收机中，接收信号首先经LNA放大并由BPF滤除带外噪声和干扰，然后对处理后的信号进行平方，并积分和采样。最后，通过适当的数字信号处理算法就可以从采样信号恢复发送的信息。典型用于能量检测接收机的调制方案有开关键控（on-off keying, OOK）、脉冲位置调制（pulse-position modulation, PPM）、频移参考（frequency-shifted reference, FSR）、码移参考（code-shifted reference, CSR）和差分码移参考（differential code-shifted reference, DCSR）。对于每种不同的信号调制方案，相应需要采用不同算法才能从接收信号的能量中恢复传输的信息。 

与基于匹配滤波器的接收机相比，基于能量检测的接收机无需估计接收信号的波形，因此系统的实现复杂度大大降低。然而，基于能量检测的接收机最大的缺点是接收端UWB信号中的噪声和干扰也会被收集并计入信号能量。因此，基于能量检测的接收机对噪声和干扰的影响更为敏感。由于UWB系统工作于极宽的频带，因此它必须和来自其他现存的通信系统的窄带干扰（Narrowband interference, NBI）共享频率资源。例如，根据47 C.F.R 15, F子部分：超宽带和IEEE 802.15.4a标准的规定，即便NBI信号只占用了UWB系统使用频段的一小部分，NBI信号的功率也可能远大于UWB。因此，很有必要在基于脉冲的超宽带系统中采用NBI抑制技术以降低NBI对基于能量检测的接收机的影响。 

目前大部分NBI抑制技术，如滤波器组，自适应陷波器和干扰估计和消除方法即便上都是基于线性信号处理技术，因此具有以下缺点： 

1）需要得知NBI的统计参数，如中心频率、信号功率和信号带宽等。然而，对于大多数UWB应用系统，这些参数信息是未知并且可能是变化的。

2）这些技术的实现复杂度相当高。基于数字信号处理的NBI抑制方法，需要先将接收信号转换成数字信号，这需要极高采样率的模数转换器（analog-to-digital converters, ADC）。而基于模拟信号处理的NBI抑制方法，需要设置一组模拟滤波器。 

近来，一种基于非线性信号处理的NBI抑制技术被应用于OOK调制的UWB系统。在此技术中，UWB信号在先用一个叫Teager-Kaiser运算（Teager-Kaiser operator, TKO）的非线性设备进行处理，再送入基于能量检测的接收机进行解调。TKO的输入输出关系表达式为 

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