專利名稱：應用于脈沖超寬帶系統(tǒng)的非線性信號處理方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般是屬于超寬帶(ultra-wideband, UWB)通信系統(tǒng),更具體是基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)中的基于能量檢測的接收機。該發(fā)明可以減少接收到的超寬帶信號中的噪聲和窄帶干擾能量并提高接收信號的信號噪聲干擾比值(signal-to-noise-plus-interference ratio, SNIR)。
背景技術：
UffB系統(tǒng)具有較大(如500 MHz以上)的頻帶寬度，這使得它可以使用持續(xù)時間很 短脈沖，而不是連續(xù)的正弦載波來傳輸信息。因此，基于脈沖的UWB技術被認為是發(fā)展高數據傳輸率以及高精確度，超低功耗和低復雜通信系統(tǒng)的關鍵技術。圖I描述了一種基于匹配濾波器結構的超寬帶脈沖接收機。在這種結構中，接收信號首先通過低噪聲放大器(low noise amplifier, LNA),再用一個帶通濾波器(band-pass filter, BPF)濾除帶外噪聲和干擾。隨后，BPF的輸出與一個本地的信號模板進行相關處理，相關的結果再進行積分和采樣。最后，通過適當的信號處理算法，可以從采樣的信號中恢復出發(fā)送的信息。為了達到最佳的性能，基于匹配濾波器的接收機必須解決一個技術難題本地信號模板，記為Stem細( )，必須與沒有噪聲和信號干擾的接收信號完全一致。然而，在UWB系統(tǒng)中，由于使用的信號帶寬極大并且有嚴重的多徑干擾，接收到的信號和發(fā)送的信號的波形完全不同并且會重疊到一起。為了估計接收到的信號波形將會使得基于匹配濾波器結構的接收機的實現復雜度變得非常復雜。為了實現低復雜度的脈沖超寬帶系統(tǒng)，許多研究方向轉向了設計次優(yōu)的、非相干的接收方案，如能量檢測(energy detection, ED)接收機。圖2給出了基于能量檢測的接收機結構。在能量檢測接收機中，接收信號首先經LNA放大并由BPF濾除帶外噪聲和干擾，然后對處理后的信號進行平方，并積分和采樣。最后，通過適當的數字信號處理算法就可以從采樣信號恢復發(fā)送的信息。典型用于能量檢測接收機的調制方案有開關鍵控(on-off keying, 00K)、脈沖位置調制(pulse-position modulation, PPM)、頻移參考(frequency-shifted reference, FSR)、碼移參考(code-shifted reference, CSR)和差分碼移參考(differential code-shifted reference, DCSR)。對于每種不同的信號調制方案，相應需要采用不同算法才能從接收信號的能量中恢復傳輸的信息。與基于匹配濾波器的接收機相比，基于能量檢測的接收機無需估計接收信號的波形，因此系統(tǒng)的實現復雜度大大降低。然而，基于能量檢測的接收機最大的缺點是接收端UWB信號中的噪聲和干擾也會被收集并計入信號能量。因此，基于能量檢測的接收機對噪聲和干擾的影響更為敏感。由于UWB系統(tǒng)工作于極寬的頻帶，因此它必須和來自其他現存的通信系統(tǒng)的窄帶干擾(Narrowband interference, NBI)共享頻率資源。例如,根據47C.F.R 15，F子部分超寬帶和IEEE 802. 15. 4a標準的規(guī)定，即便NBI信號只占用了 UWB系統(tǒng)使用頻段的一小部分，NBI信號的功率也可能遠大于UWB。因此，很有必要在基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)中采用NBI抑制技術以降低NBI對基于能量檢測的接收機的影響。
目前大部分NBI抑制技術，如濾波器組，自適應陷波器和干擾估計和消除方法即便上都是基于線性信號處理技術，因此具有以下缺點
I)需要得知NBI的統(tǒng)計參數，如中心頻率、信號功率和信號帶寬等。然而，對于大多數UWB應用系統(tǒng)，這些參數信息是未知并且可能是變化的。2)這些技術的實現復雜度相當高?；跀底中盘柼幚淼腘BI抑制方法，需要先將接收信號轉換成數字信號，這需要極高采樣率的模數轉換器(analog-to-digitalconverters, ADC)。而基于模擬信號處理的NBI抑制方法,需要設置一組模擬濾波器。近來,一種基于非線性信號處理的NBI抑制技術被應用于OOK調制的UWB系統(tǒng)。在此技術中，UWB 信號在先用一個叫 Teager-Kaiser 運算(Teager-Kaiser operator, ΤΚ0)的非線性設備進行處理，再送入基于能量檢測的接收機進行解調。TKO的輸入輸出關系表達式為
=剛3(紳)(I)· 將被一個NBI干擾的UWB信號送入ΤΚ0，NBI的絕大多數能量會被搬移到接近直流(Direct current, DC)的頻率范圍。因此，只需在TKO的輸出采用一個高通濾波器(highpass filter, HPF)就可以降低NBI的影響。通過對該非線性NBI抑制技術的仔細研究，我們可以得到以下幾個觀察結論
i)這種技術可以在一個NBI存在的情況下可以很好地工作。然而，當有兩個或更多的NBI存在的情況下，該項技術的NBI抑制效果會大大降低。ii )除了 ΤΚ0，其他非線性器件，如平方律器件，也可將NBI搬移到DC和一個高頻段。iii) 一些非線性器件可以將噪聲和(或)NBI搬移到除了 DC或高頻外的特定頻率范圍，隨后可以用適當的濾波器加以濾除。iv)通過多個非線性器件和濾波器的組合，我們也可以抑制兩個NBI的破壞影響。V)非線性器件，如平方律器件、四次方器件和ΤΚ0，不僅可以用來抑制NBI，也可用來減輕噪聲。這說明即使在沒有NBI的情況下，我們依然可以采用這些非線性信號處理技術來降低噪聲并提高基于能量檢測的接收機的性能。vi )除了 00K信號傳輸方案，其他采用基于能量檢測接收機的基于脈沖的UWB信號傳輸方案，如PPM、FSR、CSR和DCSR也可以采用非線性信號處理技術來抑制NBI和降低噪聲。基于上述觀察，我們在個數和(或)類型上擴展了采用單個非線性TKO的方法，發(fā)明了一個非線性信號處理單元，并將其加入到基于能量檢測的接收機中，使其可適用于各種基于脈沖的UWB信號傳輸方案，不僅可用來抑制NBI還可降低噪聲。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實現構造了一個非線性信號處理單元并將其加入基于脈沖的超寬帶系統(tǒng)的基于能量檢測的接收機中。這個非線性信號處理單元包含一個或者多個子單元，每個子單元中包含一個非線性處理器件和一個濾波器。非線性信號處理單元中的非線性處理器件包括但不僅限于平方律器件和Terger-Kaiser運算器。濾波器則可以是高通濾波器或者是帶通濾波器。
當接收到的混有噪聲和窄帶干擾的超寬帶信號通過非線性信號處理單元時，噪聲和干擾的一大部分能量被搬移到特殊的頻率范圍(如直流和(或)高頻)，并被非線性信號處理單元中的濾波器濾除。因此，該發(fā)明可以以非常低的復雜度抑制噪聲和窄帶干擾，從而提高基于能量檢測的接收機對噪聲和窄帶干擾的魯棒性。該發(fā)明可以用于所有采用能量檢測接收的基于脈沖的超寬帶信號調制方案，如00K、PPM、FSR、CSR和DCSR。


圖I基于匹配濾波器的接收機結構示意圖。圖2基于能量檢測的接收機結構。圖3帶有一個非線性信號處理單元的基于能量檢測的接收機結構。圖4非線性信號處理單元的結構。
圖5沒有或僅有一個NBI時非線性處理單元的結構。圖6存在一個NBI的情況。圖7當存在I個NBI時非線性處理單元的操作。圖8存在2個NBI的情況。圖9當存在2個NBI時非線性處理單元的結構。圖10當存在2個NBI且時第一子單元的操作。圖11第一子單元的輸出。圖12第二子單元的輸出。
具體實施例方式請參見圖3，圖3給出了包含一個非線性信號處理單元的基于能量檢測的接收機的發(fā)明結構。圖4給出了非線性處理單元(在圖3中標注為“非線性單元”)的結構，該單元包含一個或多個子單元。每一個子單元包含一個非線性器件和一個濾波器。非線性信號處理單元中使用的非線性器件是任何可以對接收信號實現非線性頻譜搬移的器件，包括但不僅限于平方律器件和Teager-Kaiser運算器。使用的濾波器可以是高通濾波器或帶通濾波器。由于構造一個TKO的復雜度比構造一個平方律器件要大得多，且用平方律器件進行說明更加簡單，在本發(fā)明的以下部分，我們盡可能地在非線性處理單元中使用平方律器件，需要說明的是可以采用具有相似功能的任何非線性器件。假設UWB信號具有的頻率范圍從/z to冬，由于幾乎所有基于脈沖的UWB系統(tǒng)都滿足4〈3/z，我們根據以下情況設計不同的非線性信號處理單元
情況I:沒有NBI
當沒有NBI存在時，非線性信號處理單元的主要作用是降低噪聲能量。在此情況下，如圖5所示，非線性處理單元僅包含一個由平方律器件和帶通濾波器組成的子單元。當接收到混有噪聲的UWB信號通過平方律器件后，一大部分噪聲能量被搬移到直流。因此，使用一個帶通濾波器可以在保留大部分UWB信號能量的同時降低噪聲的能量。情況II:一個 NBI
圖6給出了存在一個NBI時的情況。在此情況下，如圖5所示，非線性信號處理單元僅包含一個由平方律器件和帶通濾波器組成的子單元。如圖7所示，當UWB信號通過非線性處理單兀中的平方律器件后，輸出的UWB信號的頻率分布在i)直流，
)直流到以及 iii)2/z 到 2/"。類似地，當一個分 布在頻率范圍fIL到之間的NBI通過非線性處理單元中的平方律器件后，輸出的NBI信號將分布在
i)直流，
)直流到fIH_fIL，以及 iii)2//z 到 2fIHO因此，一個通頻帶設置在fIH_fIL到fH_fL的帶通濾波器可以濾除NBI的大部分能量并保留大部分的UWB信號能量。情況II I:兩個 NBI
請參見圖8，圖8給出了存在兩個NBI的情況。在此情況下，如圖9所示，非線性處理單元中包含兩個子單元。第一個子單元包含一個平方律器件和一個帶通濾波器，第二個子單元則包含一個TKO器件和高通濾波器。如圖10所示，當UWB信號通過第一個子單元的平方律器件后，輸出的UWB信號分布在i)直流，
)直流到，以及
iii)2fL 到 2fH。當兩個NBI信號通過第一個子單元的平方律器件后，輸出的NBI信號分布在
i)直流，
ii)直流到max(Zm-Zffil, fim-fIL2),
fiv2rfmi 至丨J fimrfil\,
iv)2fIL1到2/^，其中心頻率在2/Λ，以及 ν) 2fIL2 to 2/觀，其中心頻率在2/>2。因此，一個通頻帶設置在maxfim-fIL·)到!的帶通濾波器可以濾除分布在至頻率之外的NB I能量并保留大部分的UWB信號能量。帶通濾波器的輸出如圖11所示。如圖12所示，當第一個子單元輸出的UWB信號再通過第二個子單元的TKO器件后，輸出的UWB信號將分布在
i)直流，以及
ii)直流到當分布在fU^fnil至f皿_fILl的NBI通過第二子單元的TKO器件后，輸出的NBI信號將分布在
i)直流，以及
ii)直流到flHffllA— fimrfim。因此，一個截止頻率設置在f皿-D f皿_fIL2的高通濾波器可以濾除NBI的大部分能量并保留大部分的UWB信號能量。
上述例子只是本發(fā)明的一種具體實現。通常情況下，該非線性信號處理單元包含至少一個子單元，每個子單元包含一個非線性器件和一個濾波器。非線性器件可以是任何類型的非線性器件，包含但不僅限于是一個平方律器件，一個四次方器件，和一個ΤΚ0。濾波 器可以是高通濾波器或帶通濾波器。
權利要求
1.一種用于UWB信號傳輸的基于能量檢測的接收機,其特征在于,包含 ー個放大器； 一個濾波器用于濾除帶外噪聲和干擾；以及 一個至少包含一個子單元的非線性信號處理單元，每個子単元包含有一個非線性器件和一個濾波器。
2.根據權利要求I所述的用于UWB信號傳輸的基于能量檢測的接收機，其特征在于包括所述非線性信號處理單元包含有超過ー個子単元的情況。
3.根據權利要求I所述的用于UWB信號傳輸的基于能量檢測的接收機，其特征在干當其中的非線性信號處理單元只有一個子單元，且子單元中的非線性器件不是Teager-Kaiser 運算器。
4.根據權利要求I所述的用于UWB信號傳輸的基于能量檢測的接收機，其特征在于其中在至少ー個子単元中的濾波器至少有ー個是高通濾波器或帶通濾波器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于基于能量檢測的接收機的非線性信號處理單元，可在信號解調之前處理接收到的基于脈沖的超寬帶(Ultra-wideband,UWB)信號。該非線性信號處理單元包含一個或者多個子單元，每一個子單元包含一個非線性器件和一個濾波器。在此非線性信號處理單元中使用的非線性器件可以是任何可以對信號、噪聲和干擾實現非線性頻譜搬移的器件，包含且不僅限于平方律器件和Teager-Kaiser運算器。
文檔編號H04B1/719GK102843165SQ20121025030
公開日2012年12月26日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者陳志璋, 聶宏, 許志猛 申請人:陳志璋, 聶宏, 許志猛