专利名称：应用于脉冲超宽带系统的非线性信号处理方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般是属于超宽带(ultra-wideband, UWB)通信系统,更具体是基于脉冲的超宽带系统中的基于能量检测的接收机。该发明可以减少接收到的超宽带信号中的噪声和窄带干扰能量并提高接收信号的信号噪声干扰比值(signal-to-noise-plus-interference ratio, SNIR)。
背景技术：
UffB系统具有较大(如500 MHz以上)的频带宽度，这使得它可以使用持续时间很 短脉冲，而不是连续的正弦载波来传输信息。因此，基于脉冲的UWB技术被认为是发展高数据传输率以及高精确度，超低功耗和低复杂通信系统的关键技术。图I描述了一种基于匹配滤波器结构的超宽带脉冲接收机。在这种结构中，接收信号首先通过低噪声放大器(low noise amplifier, LNA),再用一个带通滤波器(band-pass filter, BPF)滤除带外噪声和干扰。随后，BPF的输出与一个本地的信号模板进行相关处理，相关的结果再进行积分和采样。最后，通过适当的信号处理算法，可以从采样的信号中恢复出发送的信息。为了达到最佳的性能，基于匹配滤波器的接收机必须解决一个技术难题本地信号模板，记为Stem細( )，必须与没有噪声和信号干扰的接收信号完全一致。然而，在UWB系统中，由于使用的信号带宽极大并且有严重的多径干扰，接收到的信号和发送的信号的波形完全不同并且会重叠到一起。为了估计接收到的信号波形将会使得基于匹配滤波器结构的接收机的实现复杂度变得非常复杂。为了实现低复杂度的脉冲超宽带系统，许多研究方向转向了设计次优的、非相干的接收方案，如能量检测(energy detection, ED)接收机。图2给出了基于能量检测的接收机结构。在能量检测接收机中，接收信号首先经LNA放大并由BPF滤除带外噪声和干扰，然后对处理后的信号进行平方，并积分和采样。最后，通过适当的数字信号处理算法就可以从采样信号恢复发送的信息。典型用于能量检测接收机的调制方案有开关键控(on-off keying, 00K)、脉冲位置调制(pulse-position modulation, PPM)、频移参考(frequency-shifted reference, FSR)、码移参考(code-shifted reference, CSR)和差分码移参考(differential code-shifted reference, DCSR)。对于每种不同的信号调制方案，相应需要采用不同算法才能从接收信号的能量中恢复传输的信息。与基于匹配滤波器的接收机相比，基于能量检测的接收机无需估计接收信号的波形，因此系统的实现复杂度大大降低。然而，基于能量检测的接收机最大的缺点是接收端UWB信号中的噪声和干扰也会被收集并计入信号能量。因此，基于能量检测的接收机对噪声和干扰的影响更为敏感。由于UWB系统工作于极宽的频带，因此它必须和来自其他现存的通信系统的窄带干扰(Narrowband interference, NBI)共享频率资源。例如,根据47C.F.R 15，F子部分超宽带和IEEE 802. 15. 4a标准的规定，即便NBI信号只占用了 UWB系统使用频段的一小部分，NBI信号的功率也可能远大于UWB。因此，很有必要在基于脉冲的超宽带系统中采用NBI抑制技术以降低NBI对基于能量检测的接收机的影响。
目前大部分NBI抑制技术，如滤波器组，自适应陷波器和干扰估计和消除方法即便上都是基于线性信号处理技术，因此具有以下缺点
I)需要得知NBI的统计参数，如中心频率、信号功率和信号带宽等。然而，对于大多数UWB应用系统，这些参数信息是未知并且可能是变化的。2)这些技术的实现复杂度相当高。基于数字信号处理的NBI抑制方法，需要先将接收信号转换成数字信号，这需要极高采样率的模数转换器(analog-to-digitalconverters, ADC)。而基于模拟信号处理的NBI抑制方法,需要设置一组模拟滤波器。近来,一种基于非线性信号处理的NBI抑制技术被应用于OOK调制的UWB系统。在此技术中，UWB 信号在先用一个叫 Teager-Kaiser 运算(Teager-Kaiser operator, ΤΚ0)的非线性设备进行处理，再送入基于能量检测的接收机进行解调。TKO的输入输出关系表达式为
=剛3(紳)(I)· 将被一个NBI干扰的UWB信号送入ΤΚ0，NBI的绝大多数能量会被搬移到接近直流(Direct current, DC)的频率范围。因此，只需在TKO的输出采用一个高通滤波器(highpass filter, HPF)就可以降低NBI的影响。通过对该非线性NBI抑制技术的仔细研究，我们可以得到以下几个观察结论
i)这种技术可以在一个NBI存在的情况下可以很好地工作。然而，当有两个或更多的NBI存在的情况下，该项技术的NBI抑制效果会大大降低。ii )除了 ΤΚ0，其他非线性器件，如平方律器件，也可将NBI搬移到DC和一个高频段。iii) 一些非线性器件可以将噪声和(或)NBI搬移到除了 DC或高频外的特定频率范围，随后可以用适当的滤波器加以滤除。iv)通过多个非线性器件和滤波器的组合，我们也可以抑制两个NBI的破坏影响。V)非线性器件，如平方律器件、四次方器件和ΤΚ0，不仅可以用来抑制NBI，也可用来减轻噪声。这说明即使在没有NBI的情况下，我们依然可以采用这些非线性信号处理技术来降低噪声并提高基于能量检测的接收机的性能。vi )除了 00K信号传输方案，其他采用基于能量检测接收机的基于脉冲的UWB信号传输方案，如PPM、FSR、CSR和DCSR也可以采用非线性信号处理技术来抑制NBI和降低噪声。基于上述观察，我们在个数和(或)类型上扩展了采用单个非线性TKO的方法，发明了一个非线性信号处理单元，并将其加入到基于能量检测的接收机中，使其可适用于各种基于脉冲的UWB信号传输方案，不仅可用来抑制NBI还可降低噪声。
发明内容
本发明的实现构造了一个非线性信号处理单元并将其加入基于脉冲的超宽带系统的基于能量检测的接收机中。这个非线性信号处理单元包含一个或者多个子单元，每个子单元中包含一个非线性处理器件和一个滤波器。非线性信号处理单元中的非线性处理器件包括但不仅限于平方律器件和Terger-Kaiser运算器。滤波器则可以是高通滤波器或者是带通滤波器。
当接收到的混有噪声和窄带干扰的超宽带信号通过非线性信号处理单元时，噪声和干扰的一大部分能量被搬移到特殊的频率范围(如直流和(或)高频)，并被非线性信号处理单元中的滤波器滤除。因此，该发明可以以非常低的复杂度抑制噪声和窄带干扰，从而提高基于能量检测的接收机对噪声和窄带干扰的鲁棒性。该发明可以用于所有采用能量检测接收的基于脉冲的超宽带信号调制方案，如00K、PPM、FSR、CSR和DCSR。
图I基于匹配滤波器的接收机结构示意图。图2基于能量检测的接收机结构。图3带有一个非线性信号处理单元的基于能量检测的接收机结构。图4非线性信号处理单元的结构。
图5没有或仅有一个NBI时非线性处理单元的结构。图6存在一个NBI的情况。图7当存在I个NBI时非线性处理单元的操作。图8存在2个NBI的情况。图9当存在2个NBI时非线性处理单元的结构。图10当存在2个NBI且时第一子单元的操作。图11第一子单元的输出。图12第二子单元的输出。
具体实施例方式请参见图3，图3给出了包含一个非线性信号处理单元的基于能量检测的接收机的发明结构。图4给出了非线性处理单元(在图3中标注为“非线性单元”)的结构，该单元包含一个或多个子单元。每一个子单元包含一个非线性器件和一个滤波器。非线性信号处理单元中使用的非线性器件是任何可以对接收信号实现非线性频谱搬移的器件，包括但不仅限于平方律器件和Teager-Kaiser运算器。使用的滤波器可以是高通滤波器或带通滤波器。由于构造一个TKO的复杂度比构造一个平方律器件要大得多，且用平方律器件进行说明更加简单，在本发明的以下部分，我们尽可能地在非线性处理单元中使用平方律器件，需要说明的是可以采用具有相似功能的任何非线性器件。假设UWB信号具有的频率范围从/z to冬，由于几乎所有基于脉冲的UWB系统都满足4〈3/z，我们根据以下情况设计不同的非线性信号处理单元
情况I:没有NBI
当没有NBI存在时，非线性信号处理单元的主要作用是降低噪声能量。在此情况下，如图5所示，非线性处理单元仅包含一个由平方律器件和带通滤波器组成的子单元。当接收到混有噪声的UWB信号通过平方律器件后，一大部分噪声能量被搬移到直流。因此，使用一个带通滤波器可以在保留大部分UWB信号能量的同时降低噪声的能量。情况II:一个 NBI
图6给出了存在一个NBI时的情况。在此情况下，如图5所示，非线性信号处理单元仅包含一个由平方律器件和带通滤波器组成的子单元。如图7所示，当UWB信号通过非线性处理单兀中的平方律器件后，输出的UWB信号的频率分布在i)直流，
)直流到以及 iii)2/z 到 2/"。类似地，当一个分 布在频率范围fIL到之间的NBI通过非线性处理单元中的平方律器件后，输出的NBI信号将分布在
i)直流，
)直流到fIH_fIL，以及 iii)2//z 到 2fIHO因此，一个通频带设置在fIH_fIL到fH_fL的带通滤波器可以滤除NBI的大部分能量并保留大部分的UWB信号能量。情况II I:两个 NBI
请参见图8，图8给出了存在两个NBI的情况。在此情况下，如图9所示，非线性处理单元中包含两个子单元。第一个子单元包含一个平方律器件和一个带通滤波器，第二个子单元则包含一个TKO器件和高通滤波器。如图10所示，当UWB信号通过第一个子单元的平方律器件后，输出的UWB信号分布在i)直流，
)直流到，以及
iii)2fL 到 2fH。当两个NBI信号通过第一个子单元的平方律器件后，输出的NBI信号分布在
i)直流，
ii)直流到max(Zm-Zffil, fim-fIL2),
fiv2rfmi 至丨J fimrfil\,
iv)2fIL1到2/^，其中心频率在2/Λ，以及 ν) 2fIL2 to 2/观，其中心频率在2/>2。因此，一个通频带设置在maxfim-fIL·)到!的带通滤波器可以滤除分布在至频率之外的NB I能量并保留大部分的UWB信号能量。带通滤波器的输出如图11所示。如图12所示，当第一个子单元输出的UWB信号再通过第二个子单元的TKO器件后，输出的UWB信号将分布在
i)直流，以及
ii)直流到当分布在fU^fnil至f皿_fILl的NBI通过第二子单元的TKO器件后，输出的NBI信号将分布在
i)直流，以及
ii)直流到flHffllA— fimrfim。因此，一个截止频率设置在f皿-D f皿_fIL2的高通滤波器可以滤除NBI的大部分能量并保留大部分的UWB信号能量。
上述例子只是本发明的一种具体实现。通常情况下，该非线性信号处理单元包含至少一个子单元，每个子单元包含一个非线性器件和一个滤波器。非线性器件可以是任何类型的非线性器件，包含但不仅限于是一个平方律器件，一个四次方器件，和一个ΤΚ0。滤波 器可以是高通滤波器或带通滤波器。
权利要求
1.一种用于UWB信号传输的基于能量检测的接收机,其特征在于,包含 ー个放大器； 一个滤波器用于滤除带外噪声和干扰；以及 一个至少包含一个子单元的非线性信号处理单元，每个子単元包含有一个非线性器件和一个滤波器。
2.根据权利要求I所述的用于UWB信号传输的基于能量检测的接收机，其特征在于包括所述非线性信号处理单元包含有超过ー个子単元的情況。
3.根据权利要求I所述的用于UWB信号传输的基于能量检测的接收机，其特征在干当其中的非线性信号处理单元只有一个子单元，且子单元中的非线性器件不是Teager-Kaiser 运算器。
4.根据权利要求I所述的用于UWB信号传输的基于能量检测的接收机，其特征在于其中在至少ー个子単元中的滤波器至少有ー个是高通滤波器或带通滤波器。
全文摘要
本发明公开了一种应用于基于能量检测的接收机的非线性信号处理单元，可在信号解调之前处理接收到的基于脉冲的超宽带(Ultra-wideband,UWB)信号。该非线性信号处理单元包含一个或者多个子单元，每一个子单元包含一个非线性器件和一个滤波器。在此非线性信号处理单元中使用的非线性器件可以是任何可以对信号、噪声和干扰实现非线性频谱搬移的器件，包含且不仅限于平方律器件和Teager-Kaiser运算器。
文档编号H04B1/719GK102843165SQ20121025030
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月19日 优先权日2011年9月1日
发明者陈志璋, 聂宏, 许志猛 申请人:陈志璋, 聂宏, 许志猛