最近人们在进行各种超宽带系统设计,从无载波、脉冲UWB(I-UWB)到多载波UWB(MC UWB)。I-UWB具有好几项优势,包括简单的RF电路、抗多径衰减和亚厘米作用距离等。这些优势可使家庭联网或无线传感器网络等应用受益。不过,I-UWB的宽带本质也在以下三个方面考验着当前技术的极限,即采样、收集多径能量、以及检测I-UWB信号的存在以提供空闲信道评估(CCA)。
对占据数千兆赫带宽的极窄脉冲进行采样,要求有极高的采样速率。而对多个通道进行采样则要求有复杂的电路,并且在一个大搜索周期内搜索窄脉冲也很耗时。这些问题可通过实现通信中的简单原理——亦即时间与频率的二元性来解决。存在时间很短的I-UWB信号,其功率散布于一个极宽的频谱上。采用传统的时域方法来处理这种窄脉冲将遇到相当大的挑战,而频域方法则能提供一种有效的解决方案,因其能以适度的电路复杂性及功耗来实现数字CMOS,而且还能降低误码率(BER)、延长作用距离、以及能以信道估计及补偿来应对这种设计挑战等。
信号既可在频域亦可在时域表现,且通信系统通常从时域离散样本上来重构信号。I-UWB系统与可能占据500 MHz至7.5 GHz带宽的窄脉冲进行通信,且理论上的最小采样率至少为该带宽的两倍。而在1至15 GHz之间工作的A/D转换器,将现有CMOS技术推向极限并消耗巨大的功率。故现有I-UWB接收器通常以采用硅锗技术的模拟相关器来处理接收到的信号。
ALT="图:频域I-UWB接收器由频域采样模块、能量收集模块、CCA模块和决策模块组成。">
频域采样通过放宽采样率要求、减少电路复杂性及降低功耗来支持CMOS A/D转换器的实现。与从时域离散样本上来重构信号不同的是,频域样本(每个样本均含有频率、相位及幅度信息)代表每一个收到的符号。接收器捕捉落入一个比脉宽长但比脉冲重复周期(PRI)短的时间窗口内的信号谐波分量,而在该时间窗口内捕捉到的频谱成分则将接收到的信号表示为傅立叶级数系数。由于时间窗口超出所需的接收信号,故能安全地丢掉位于窗口边界上的任何非连续点。
时间窗口的长度决定傅立叶级数系数的基波及谐波频率,且因此而决定A/D变换器的个数。例如,对于一个具有7GHz带宽及100纳秒PRI的I-UWB脉冲的1纳秒时间窗口,其基波频率为时间窗口的倒数(1 GHz),且谐波频率为基波频率的整数倍。两个秒级滤波器提取复杂而有价值的频谱成分。故接收器需14个滤波器及A/D变换器来在4GHz、5 GHz、...及10 GHz上采样7个真系数及7个假系数。
采样率仅取决于PRI,在这里PRI为10M采样/秒(1/PRI)。在时间窗口内,每组频谱样本都代表着接收到的一部分连续波信号。为进行有效运算,接收器可根据频谱样本来运算。如有必要,可以零填充n点傅立叶逆变换(IFT)来在时域重构信号。
另外,窄脉冲导致多条可分解的路径。传统的窄带接收器收集并建设性地将多径能量与耙式接收器(瑞克接收器)合并。接收器的一个耙齿处理一条路径,故耙齿数决定所收集的路径数及性能。但每一个耙齿均会增加电路复杂性、功耗及存储要求。
当在频域中收集多径能量时,电路复杂性与时间窗口内的路径数无关。频谱样本代表时间窗口内的所有多径能量,而无需对单个路径进行跟踪及校正。
在信道估计期间,多径能量收集器通过将收到的信号乘以频域中的脉冲滑动模板来确定路径。而在时域,相乘结果则为一个相关函数,该函数以超过门限的所有多径信号的到达时间来描述信道脉冲响应。脉冲响应得出多径模板,并被转换到时域。
运算时,接收器将频谱样本乘以多径模板。这种简单运算可获得比相关运算更为简单的硬件。此外,可以一组系数来代表多径能量,故频域能量收集器无需增加耙式接收器的耙齿、样本及处理速度。
最后,I-UWB的窄脉冲及低辐射功率很难通过检测繁忙媒介来提供CCA,而这却是随机及分布式媒体访问控制协议的基础。当检测到数据包开始发送时,CCA在发送及启动接收以前检查信道是否空闲。
频域方法可为I-UWB网络提供一种实用的CCA服务,以进行分布式及随机媒体访问。CCA电路检查接收到的频谱能量(这些能量总是在发射前存在),以避免在时域中费时地搜寻窄脉冲。与全接收器相比,此电路具有适中的硬件复杂性及功耗。
由于滤波器在发射的头几个脉冲内开始振荡、且幅度检波器在一个PRI即能很好地达到其最大值,故频域CCA需检测短时间内的信号活动情况。而由于多径处于带内且在PRI上重复,故多径效应对检测概率的影响很小。时序抖动亦不会明显改变谱线的位置,因此不会影响电路性能。
作者:Nathaniel J. August, Hyung-Jin Lee
Email: nate_august@, hlee@
博士研究生
弗吉尼亚理工学院
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