专利名称：非相干能量检测uwb接收机误码率性能优化方法
技术领域：
本发明涉及无线超宽带通信接收机领域，特别是一种非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法。
背景技术：
脉冲超宽带(IR-UWB)是采用极窄脉冲直接辐射方式进行传输的无线电技术，由于其实现简单、体积小、低功耗、低成本等特点，在中低速无线数据应用方面，如定位、控制、传感器网络等，具有良好的应用前景。基于能量积分检测的UWB系统的非相干接收方式，由于避免了复杂的信道估计以及并不严格的同步要求，大大降低了接收机的复杂度，成为实际系统实现的理想方案。能量积分方案通常采用简单的OOK调制方式搭配，但由于OOK调制方式本身的固有缺点，加上UWB接收机积分窗口的选择不当，将导致接收机误码性能不高。目前，一些文献中对能量积分接收机的优化问题进行了一定的研究，如对UWB-OOK信号进行加权处理，利用Monte-Carlo仿真的办法给出了最优能量积分窗口存在的证明以及利用高斯分布近似x2分布的方法来获得优化门限的解析表达式，但均未能对能量积分窗口长度进行进一步的理论分析，且对于门限的处理也没有比高斯近似更好的办法。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种能使得超宽带能量检测接收机达到更好的性能的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，包括以下步骤 S1将接收到的信号经过带通滤波器滤除带外噪声； S2将信号经过平方律检波器处理； S3信号经过同步后，进行信噪比估计； S4优化能量窗口； S5基于最小二乘的拟合修正高斯近似门限，选择优化门限。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述步骤S1中，此时的信号具有预先设定好的帧格式，设定好的帧格式包括同步头，训练序列以及数据。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述步骤S3中，比特的均值分别为 定义变量γ如下 γ＝μ1/μ0＝1+Eeff/MN0 则信号的有效信噪比近似估计为 Eeff/N0＝M(γ-1)。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的步骤S4中，给定门限ηC，优化能量积分窗口M和Eeff/N0使得误码率Pe最小，对应不同的M和Eeff/N0，系统的最低误码率不同。
本发明解决进一步技术问题的方案是当Eeff/N0一定，Pe随M单调递增；当M一定，Pe随Eeff/N0单调递减。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述系统的误码率表达式Pe＝(P0+P1)/2其中，P0，P1为 本发明解决进一步技术问题的方案是给定对数误码率差值的绝对值作为标准，需要拟合的区间如下 (M，Eeff/N0)∈{(M，Eeff/N0):|log(PeC)-log(PeG)|≥0.5} 利用最小二乘方法得到的拟合形式为多项式 精确门限的近似解为 本发明解决进一步技术问题的方案是将经过平方律检波器后的信号进行一步预处理，使得信号的方差为1 新的判决量与原判决量之间的关系为 本发明解决进一步技术问题的方案是该方法所针对的接收机包括依次连接的BPF单元，平方律检波器，同步单元，信噪比估计单元，门限以及判决单元。
相较于现有技术，本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法通过对接收机判决门限以及能量积分窗口的联合优化从而使得接收机取得了很大的性能提升。
图1是本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法所针对的接收机的结构示意图。
图2是本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法的流程示意图。
图3是本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法的流程示意图。
图4是本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法的q与Pe对应关系函数示意图。
具体实施例方式 以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
本发明提供一种非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，所述的接收机的结构如图1所示，其包括依次连接的BPF单元，平方律检波器，同步单元，信噪比估计单元，门限以及判决单元。
如图2所示，本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法包括如下步骤 S1将接收到的信号经过带通滤波器滤除带外噪声 此时的信号应该具有预先设定好的帧格式，如图2所示 设定好的帧格式包括同步头，训练序列以及数据。
其中 同步头用来进行信号同步，将在同步阶段消耗掉； 训练序列用来估计当前帧的信噪比，将在信噪比估计阶段消耗掉； 数据用户的有用信息。
S2将信号经过平方律检波器处理 得到的信号形式为 在这里2M表示χ2分布的自由度，2M＝BT+1，T表示积分时间，由于Sj是确定信号，故sj+nj～N(sj，N0/2)。
S3信号经过同步后，进行信噪比估计 估计的原理如下 比特的均值分别为 均值 定义变量γ如下 γ＝μ1/μ0＝1+Eeff/MN0 则信号的有效信噪比可以近似估计为 Eeff/N0＝M(γ-1) S4优化能量窗口 理论上，将经过平方律检波器后的信号进行一步预处理，使得信号的方差为1 新的判决量与原判决量之间的关系为 因此，信号的形式完全符合χ2分布的形式。
在上式中，χ2分布的自由度为2M，χ2分布的非中心参数的表达形式为 对上式的概率密度进行Laplace变换，其特征方程为 s>0， 对上式求Laplace反变换，可知变量x的概率密度为 x>0；(7) 其中 为第一类r阶修正的贝赛尔函数。
如果没有信号存在，λ＝0，概率密度为 系统的误码率表达式 Pe＝(P0+P1)/2 (9) 其中，P0，P1为 其中，
是Marcum-Q函数。
由误码率表达式可知，给定门限ηC，优化M和Eeff/N0可以使Pe最小，对应不同的M和Eeff/N0，系统的最低误码率不同。从图中的趋势可以看出，当Eeff/N0一定，Pe随M单调递增；当M一定，Pe随Eeff/N0单调递减，即系统中应该存在一组(M，Eeff/N0)使得系统的误码率性能最好。又由上式可知，Eeff/N0是随着M变化的函数，所以系统中一定存在唯一的能量积分窗口M，使系统误码率性能最好。
为了优化误码率Pe，定义变量 使q是M的单调递减函数，是Eeff/N0的单调递增函数，q与Pe呈单调关系。因此，可通过寻找q的极值，使Pe最小。q与Pe的关系如图4所示，其中横轴表示q，其数值由左到右分别是0，1...7，纵轴表示Pe，其数值有上至下分别为 根据前面提供的信噪比估计方法，通过不断的改变M(改变窗口长度)，寻找使q最大的(M，Eeff/N0)，从而达到优化窗口的目的。
S5基于最小二乘的拟合修正高斯近似门限，选择优化门限 在选定窗口后，然后进行门限的优化。
首先进行高斯近似根据中心极限定理可得，大量独立同分布的随机变量的和依概率收敛于高斯随机变量。信号的均值由(14)式给出，方差可以表示为如下形式 根据最小错误概率准则，当P0＝P时 高斯近似的最优门限为 ηGopt＝(σ0μ1+σ1μ0)/(σ0+σ1)， 相应的最小误码率Pe＝Q(q)；其中，q如式(10)定义。
可以证明，高斯估计最优门限和χ2分布精确门限的差值是关于M和Eeff/N0的函数，表达式如下 表示高斯门限近似得到的门限和精确门限的误差项，其中ε(M，Eeff/N0)是关于(M，Eeff/N0)的二元函数，由(M，Eeff/N0)联合确定。但是由于χ2分布的门限解析表达式很难给出，所以ε(M，Eeff/N0)的函数解析表达式也很难精确得到。这对我们进一步分析高斯近似和χ2分布的差异带来困难。
为降低在一定精度下的算法复杂度，本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法采用局部最小二乘拟合，给定对数误码率差值的绝对值作为标准，需要拟合的区间如下 (M，Eeff/N0)∈{(M，Eeff/N0)|log(PeC)-log(PeG)|≥0.5} 利用最小二乘方法得到的拟合形式为多项式 精确门限的近似解为 最小二乘拟合后的误差曲面(归一化最小均方误差为0.0343)拟合后的多项式系数如下表所示 本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法通过对接收机判决门限以及能量积分窗口的联合优化从而使得接收机取得了很大的性能提升。
权利要求
1.一种非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:该方法包括以下步骤:
S1:将接收到的信号经过带通滤波器滤除带外噪声；
S2:将信号经过平方律检波器处理；
S3:信号经过同步后，进行信噪比估计；
S4:优化能量窗口；
S5:基于最小二乘的拟合修正高斯近似门限，选择优化门限。
2.根据权利要求1所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:所述步骤S1中，此时的信号具有预先设定好的帧格式，设定好的帧格式包括同步头，训练序列以及数据。
3.根据权利要求1所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:所述步骤S3中，比特的均值分别为:
定义变量γ如下
γ＝μ1/μ0＝1+Eeff/MN0
则信号的有效信噪比近似估计为:
Eeff/N0＝M(γ-1)。
4.根据权利要求3所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:所述的步骤S4中，给定门限ηC，优化能量积分窗口M和Eeff/N0使得误码率Pe最小，对应不同的M和Eeff/N0，系统的最低误码率不同。
5.根据权利要求4所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:当Eeff/N0一定，Pe随M单调递增；当M一定，Pe随Eeff/N0单调递减。
6.根据权利要求5所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:所述系统的误码率表达式:Pe＝(P0+P1)/2其中，P0，P1为
7.根据权利要求6所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:给定对数误码率差值的绝对值作为标准，需要拟合的区间如下:
(M，Eeff/N0)∈{(M，Eeff/N0):|log(PeC)-log(PeG)|≥0.5}
利用最小二乘方法得到的拟合形式为多项式
精确门限的近似解与精确解之间的关系为
8.根据权利要求1所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:将经过平方律检波器后的信号进行一步预处理，使得信号的方差为1:
新的判决量与原判决量之间的关系为
9.根据权利要求1所述的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，其特征在于:该方法所针对的接收机包括依次连接的BPF单元，平方律检波器，同步单元，信噪比估计单元，门限以及判决单元。
全文摘要
本发明提供一种非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法，包括以下步骤将接收到的信号经过带通滤波器滤除带外噪声；将信号经过平方律检波器处理；信号经过同步后，进行信噪比估计；优化能量窗口；基于最小二乘的拟合修正高斯近似门限，选择优化门限。本发明的非相干能量检测UWB接收机误码率性能优化方法通过对接收机判决门限以及能量积分窗口的联合优化从而使得接收机取得了很大的性能提升。
文档编号H04B17/00GK101383629SQ20081021060
公开日2009年3月11日 申请日期2008年8月4日 优先权日2008年7月23日
发明者张钦宇, 野 王, 杨志华, 张霆廷 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院