[发明专利]全数字欠采样脉冲式超宽带接收机

说明书

技术领域

本发明属于超宽带无线通信电子技术领域，具体涉及高速的脉冲式超宽带接收机。

背景技术

脉冲式超宽带(impulseradioultrawideband,IR-UWB)无线通信系统直接发射宽度为纳秒或亚纳秒级的脉冲，采用极低的发射功率，功率谱密度不超过-41.3dBm/MHz，具有超宽带、低截获率/低侦察率、抗多径、穿透力强、逻辑结构简单等优点。采用极窄脉冲作为信息载体，无需载波和调制信号，使得发射机电路结构简单；但多径是IR-UWB信道的特点之一，多径是接收机设计的难点，使得接收机电路较为复杂。目前为止IR-UWB还没有一个统一的标准，使得设计具有极大的空间。IR-UWB接收机系统的设计是超宽带系统的关键，早期的IR-UWB接收机采用的结构都是基于Rake接收机原理，在接收端采用多支路收集信号的多径，都是基于射频和模拟前端来处理信号的。比较成熟的接收机系统方案采用匹配滤波器将接收的射频信号进行相关处理，接着由后面的模拟基带或数字基带处理，这样做可以降低基带处理的工作频率，但采用匹配滤波器相关的结构，接收机中亚纳秒级脉冲模板的设计和多径支路加大了电路的复杂性，同时实现窄脉冲的同步也是一个难点。采用传输参考波(TransmittedReference)方法，不需要产生相关所需的本地脉冲，但其缺点在于传输的参考波，自身经空间传输受到噪声和失真污染，将其作为匹配滤波器模板进行相关操作，恶化了误码率；同时对于亚纳秒级的窄脉冲，在电路上实现精确延时比较困难。采用能量检测的方法，即自相关，这种结构简单，自相关受自身噪声和失真等干扰较大，误码率较差。目前的全数字结构接收机将接收信号频谱划分成多个频率带分段处理，采用多个滤波器和ADC电路实现，功耗较大，此方案在电路实现上较复杂，特别是高频、窄带的带通滤波器在目前的芯片电路中较难实现。采用以上方法实现的接收机，其性能受到自身结构的限制，一般限制应用于较低速的定位、探测和监测等低速传输无线通信领域。

发明内容

针对当前脉冲式超宽带接收机存在的问题，本发明提出一种全数字、欠采样的接收机，以实现高速的短距离无线通信，采用全数字结构和欠采样的方法，以降低复杂度和成本，并增强灵活性和可行性。

本发明提出的脉冲式超宽带接收机，采用全数字结构，其系统结构如图1所示，由片外带通滤波器(BPF1)、低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、片内带通滤波器(BPF2)、模数转换器(ADC)、后端数字处理模块、功率检测器(PowerDetector)、控制器(Controller)组成；前端由天线直接接收射频信号，进入片外带通滤波器(BPF1)滤波，然后依次经低噪声放大器(LNA)和可变增益放大器(VGA)两级放大，再由片内带通滤波器(BPF2)滤波，由模数转换器(ADC)采样，将模拟信号量化为数字信号，并输入后端数字处理模块(digitalbackend)；同时由功率检测器(Powerdetector)检测可变增益放大器(VGA)输出信号的均方根(RMS)，将结果输入数字处理模块(digitalbackend)，数字处理模块(digitalbackend)经过处理，通过输出反馈信号来控制可变增益放大器(VGA)放大倍数；数字处理模块(digitalbackend)按照操作顺序恢复数据的算法，依次进行：信道估计、同步、数据检测。即首先进行信道估计，然后利用信道估计同时完成信号的粗同步和精同步，最后产生信道模板开始数据检测。

本发明所述的接收机，其物理层帧采用全“1”的训练码和数据流组成；其中训练码脉冲发送周期大于信道冲激响应的时间长度，数据脉动冲发送频率超过百兆的速度。

本发明所述的接收机，全数字结构的射频前端至少包括低噪声放大器LNA、可变增益放大器VGA、模数转换器ADC，且依次连接。

本发明所述的接收机，其数字处理模块以一个脉冲发送周期内采样量化的数据为一组，所有数据处理都是基于数据组并行处理，大大降低数字处理模块(digitalbackend)的工作频率。

本发明所述的接收机，其先进行信道估计，利用信道估计结果实现符号的粗同步，即找到帧头，再实现符号的精同步，即找到第一个脉冲到达位置；最后计算估计值和接收值的方差，比较大小来判定，恢复数据，作为数据检测算法。

本发明所述的接收机中，信道估计算法：以一个训练码脉冲发送周期内模数转换器ADC采样量化值为一组数据，发送N个训练码，则连续求M个出N组数据的平均值，找出M个平均值中的最大值作为信道估计结果。