UWB接收机关键技术

　　UWB信道严重的频率选择性衰落特征和UWB系统的低辐射功率限制对接收机设计提出严峻的挑战。为优化接收机设计，必须对定时同步、信道估计、接收机结构等若干关键技术进一步的研究。

　　（1）定时同步

　　定时同步是UWB通信系统中至关重要的问题，定时偏差和抖动将严重影响接收机性能。一般定时同步分为捕获和跟踪两个阶段。在捕获阶段，要求接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时。在同步跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步：在UWB系统中，由于信号持续时间非常短，且信号功率很低，使同步捕获和跟踪变得相当困难。UWB信道的密集多径特征进一步增加了定时同步的复杂性。总体上讲，目前提出的UWB系统定时同步方法可以分为两大类：数据辅助的定时同步（data aided）、盲定时同步（non-ata缸ded）。数据辅助的同步方法借助于事先设计的导符号训练序列进行定时捕获和跟踪，采用的训练序列有M序列、Gold序列、巴克码等。结合判决反馈的方法可以进一步提高跟踪精度。这类同步方法的优点在于捕获速度较快、跟踪精度高，但在系统带宽效率和功率效率上付出较大的代价。盲定时同步借助于超宽带信号内在的循环平稳特征进行定时捕获和跟踪，不使用任何预知的训练符号。这类方法在系统带宽效率和功率效率上高于数据辅助的同步方法，但捕获速度和同步性能会有所下降。上述两类同步方法都是采用滑动相关寻找峰值的办法，区别在于使用的相关器模板和先验信息。每种方法在具体实现上又可分为：串行搜索和并行搜索。串行搜索仅采用一路相关器对接收信号进行同步捕获，具有实现复杂度低的特点，但同步捕获所需时间较长。并行搜索将帧时间分为几个时间片段，采用并行的几个相关器同时进行捕获，囚此具有捕获速度快的特点，但在实现复杂度上要付出一定代价。在搜索策略上又分为线性搜索、随机搜索、反码跳序搜索等。线性搜索实现最简单，但平均捕获时间最长，后两种搜索策略可以在很大程度上加快捕获速度，但要付出一定的复杂度代价。在高速无线个域网（WPAN）等无线网络中，一般采用突发式的包传递模式。因此，采用数据辅助的同步方法与并行搜索相结合是比较合理的选择。盲同步方法结合串行搜索比较适合于低成本、低功耗的低速网络。

　　（2）瑞克接收

　　UWB系统的典型应用环境为家庭、办公室等室内密集多径环境，多径信道的最大时延扩展达Z00ns以上，可分辨多径数量与信号带宽成正比，通常高达几十至上百条。传统的宽带码分多址（WCDMA）系统利用伪随机扩频码的自相关特性分离多径信号，采用瑞克接收机捕获、合并可分辨的多径信号能量，从而提高系统在多径衰落信道中的性能。UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。若要捕获85％信道信号能量，往往需要几十甚至上百个瑞克叉指。鉴于UWB系统低功耗、低复杂度要求，瑞克接收机的设计应在复杂度和接收机性能之间进行折中考虑。

　　至今已有很多文章研究瑞克接收机在UWB系统中的应用，分析了各种瑞克接收机结构在UWB信道中的性能以及瑞克接收机性能与信号带宽的关系。按瑞克接收机结构可以分为全瑞克（A Rake）、选择式瑞克（S-Rake）和部分瑞克（PRake），合并策略分为等增益合并（EGC）、最大比合并（MRC）。A Rake将所有可分辨的多径信号进行合并，S-Rake在所有可能分辨的多径信号中选择最强的几个进行合并，而P-Rake将最先到达的几条径进行合并。EGC对各径信号以相同的加权合并，而MRC根据信道估计结果对各径信号按强度加杈合并。就接收机性能而言，A-Rake优于S Rake，S-Rake优于P-Rake，MRC优于EGC。就复杂度而言，EGO结合P Rake最为简单，MRC与A-Rake结合实现复杂度最高。综合考虑接收机性能与实现复杂度，S Rake与MRC结合对高速UWB系统是最合适的方案，而P-Rake与EGO结合特别适合于低成本、低功耗的低速系统。

　　由于UWB信号带宽相当大，收发天线和无线信道往往引起较严重的信号波形失真。若瑞克接收机仍然采用理想的脉冲波形作为相关器模板，系统性能将有很大的损失。因此，在UWB系统中，需要根据接收信号对瑞克接收机相关器模板进行估计和修正。一种较为实用的方法是将实测得到的UWB脉冲波形作为相关器模板。

　　信号带宽的选择也将影响瑞克接收机的复杂度和性能。若信号带宽在500MHz左右，4～6叉指MRC S-Rake的性能已非常接近MRC A-Rake，若信号带宽在几个吉赫兹，则所需瑞克叉指数高达数十个。

　　（3）信道估计

　　在数字通信系统中，若采用非相干检测则可以简化接收机复杂度，不需要进行复杂的信道估计。但非相干检测比相干检测有高达3dB左右的性能损失，这对功率受限系统尤其难以接受。为了保证系统传输可靠性和功率效率，UWB系统一般采用相干检测，因此信道估计问题是UWB接收技术中的关键问题之一。

　　在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克接收机合并多径信号能量并进行相干检测9信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度。在基于OFDM的UWB系统中，接收机根据信道频域响应对每个子信道进行频域均衡后进行相干检测，信道估计问题即估计信道频域响应。