[发明专利]一种基于CS理论的脉冲超宽带通信系统

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲超宽带通信系统，特别是涉及一种基于CS理论的脉冲超宽带通信系统。

背景技术

脉冲超宽带（Ultra Wideband，简称为UWB）技术作为一种无线通信技术方案，以其低复杂度、低成本、高定位精度、能与其它系统共享频谱等优点，在无线传感器网络和高精度定位与导航系统中有着广泛的应用前景。如图1所示，为UWB通信系统的结构图，包括发射端1、UWB信道2和接收端3。其中，发射端1包括脉冲产生模块101，由其产生UWB脉冲，数字信号X加载至UWB脉冲后得到发射信号u(t)，通过UWB信道2发送到接收端3，接收端3包括射频前端301和数字信号处理器302，射频前端301为模拟器件，对接收到的信号r(t)进行模拟信号处理（如滤波、相关、采样处理，不同的接收机射频前端的作用不同，但均为上述三种信号处理中一种或几种），之后送入数字信号处理器302中对信号进行数字信号处理，得到数字信号X的估测信号X’，从而将数字信号从发射端传递至接收端，完成整个通信过程。

由于UWB通信带宽很大，可达数GHz，上述系统中如果在接收端3直接对接收到的信号r(t) 进行估计和检测，对系统实现会带来非常大的挑战：（1）根据奈奎斯特采样定理，接收端3需要极高的采样频率检测信号r(t)，这很难由数字信号处理器302中单一的模数转换器ADC实现，即使实现，模数转换器ADC采样频率较高也会导致很高的系统功耗；（2）UWB信道多径数目众多（可达数百径），多径延迟大，这种信道特点将会对整个通信系统带来严重的符号间干扰（ISI），则数字信号处理器302中需要复杂的信号处理算法来对抗ISI。因此，现有技术中，将压缩感知（Compress Sensing，简称为CS）理论引入到UWB通信系统中，从而克服上述两个挑战。

CS理论指出，如果信号A是可压缩的或者在某个变换基下是稀疏的，那么就可以通过一个与变换基不相关的观测矩阵将信号A投影到一个低维（M维）空间上得到观测信号B，然后通过求解一个最优化问题就可以以很高的概率从观测信号B中恢复原始信号A。现有技术中，将CS理论引入到UWB通信系统中有两种方案实现。

第一种方案称为并行方案，如图2所示，在接收端3使用相关器单元303（由M个相关器组成）和低速采样器单元304（由M个低速采样器组成），则脉冲产生模块101、UWB信道2、相关器单元303和低速采样器单元304等效为CS理论下的观测矩阵，实现对信号X的有效观测，得到观测信号Y（i）（i=1、2、3……M），通过数字信号处理器307中存储的CS理论中常见的信号恢复重构算法即可恢复出信号X。该方案可以对抗符号间干扰问题ISI，而且无需高速采样，但是，方案中需要增加一组相关器和一组低速采样器，系统硬件实现的复杂度很高，通信系统的成本和功耗也较大。

第二种方案称为串行方案，如图3所示，接收端3使用模拟信息转换器305，其中，模拟信息转换器305包括伪随机序列产生器3051、低通滤波器3052和低速采样器3053。数字信号处理器306中存储有算法，可将接收到的信号r(t) 视为稀疏化，从而将信号检测问题引入CS理论中，而脉冲产生模块101、UWB信道2和模拟信息转换器305等效为CS理论下的观测矩阵，实现对信号X的有效观测，得到观测信号Y（i），然后通过数字信号处理器306中存储的CS理论中常见的信号恢复重构算法恢复出接收端3接收到的信号r(t)，进而恢复出信号X。该方案系统硬件实现的复杂度低，但是却存在另外的两个缺点：1）由于模拟低通滤波器3052具有因果性，这一特点会使得模拟信息转换器305构造的CS理论下的观测矩阵变得稀疏，从而降低观测点的有效性，致使通信系统性能变差；2）通信系统需要伪随机序列产生器3051的码片速率很高，这样也增加了系统功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种新的基于CS理论的脉冲超宽带通信系统，既能克服并行方案中的硬件实现复杂度高的问题，也能克服串行方案中因因果性而导致的观测矩阵稀疏问题，同时系统功耗也较低。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：