于銀輝,王洪磊,丁建華

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130021)

基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的研究

于銀輝,王洪磊,丁建華

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130021)

提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統(tǒng),給出了采用聯(lián)合檢測(cè)算法RA KE接收機(jī)的構(gòu)成,詳細(xì)分析了其性能.仿真結(jié)果表明:該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,理想RA KE接收機(jī)(ARA KE)優(yōu)于選擇性RA KE接收機(jī)(S-RA KE),選擇性RA KE接收機(jī)優(yōu)于部分RA KE接收機(jī)(P-RA KE),可以降低系統(tǒng)的誤碼率,提高系統(tǒng)抗干擾能力.

超寬帶(UWB);脈幅調(diào)制;誤碼率;聯(lián)合檢測(cè);RA KE接收機(jī)

超寬帶(U ltra Wideband,UWB)通信技術(shù)是相對(duì)帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻帶寬大于500 M Hz的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),信號(hào)功率譜密度不超過(guò)-41.3 dBm[1-2].由于其特有的性質(zhì),特別是室內(nèi)短距離無(wú)線(xiàn)多址通信方面,近年來(lái)超寬帶通信技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究和關(guān)注[3].

基于脈沖調(diào)制的UWB技術(shù)其信息調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn),主要有脈沖幅度調(diào)制PAM(pulse amp litude modulation)和脈沖位置調(diào)制PPM(pulse position modulation)兩種方式[4-6],文獻(xiàn)[7]提出了PAM-THUWB信號(hào),本文在此基礎(chǔ)上引入了偏移量,提出了一種基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)構(gòu)成的端到端通信,構(gòu)造了信號(hào)發(fā)射系統(tǒng),給出了聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),分析其RA KE接收機(jī)性能.

1 系統(tǒng)模型

1.1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的產(chǎn)生

超寬帶信號(hào)在室內(nèi)環(huán)境中經(jīng)多徑傳播會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)間彌散.采用RA KE接收是提高超寬帶接收機(jī)性能的重要手段.為了克服時(shí)間彌散,我們提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統(tǒng),基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的產(chǎn)生如圖1所示.

圖1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)

給定待發(fā)射的二進(jìn)制序列為b,其速率為Rb(B/s),每個(gè)比特重復(fù)Ns次,產(chǎn)生一個(gè)新的序列a,速率Rcb(B/s),c為偽隨機(jī)序列,d由a和c構(gòu)成.再用序列a去調(diào)制這個(gè)跳時(shí)脈沖串.d輸入到PAM調(diào)制模塊后,得到速率為Rp(脈沖/s)的單位脈沖序列,p(t)為沖激響應(yīng).其中:

此信號(hào)的特點(diǎn)是有用信息既嵌在幅度上又嵌在位置上.

1.2 信道模型

1.2.1 S-V模型簡(jiǎn)介

Salen-Valenzula模型(簡(jiǎn)稱(chēng)S-V模型)[7]是一種描述多徑按簇分布現(xiàn)象的信道模型,在多數(shù)情況下,可以較好地?cái)M合UWB信道中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).S-V模型使用兩個(gè)相互獨(dú)立的Poisson過(guò)程,分別描述簇的第一徑的到達(dá)和簇內(nèi)多徑相對(duì)于其第一徑的到達(dá).具體定義如下變量:

Tl為第l簇的第一徑的到達(dá)時(shí)間;τk,l為第l簇中的第k徑相對(duì)于其第一徑的到達(dá)時(shí)間;Λ為簇到達(dá)率;λ為簇內(nèi)的徑的到達(dá)率.

因此,簇和徑的到達(dá)時(shí)間為:

第l簇中第k徑的幅度用βkl表示,βkl服從瑞利分布,按雙指數(shù)規(guī)律衰減,其均值為

1.2.2 IEEE 802-15.3a信道模型

基于對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,IEEE 802-15.3a提出了一組UWB室內(nèi)信道模型,作為評(píng)估各種UWB系統(tǒng)方案的基礎(chǔ).這一組信道模型中,將S-V模型中每一徑的幅度βkl的分布由瑞利分布改為對(duì)數(shù)正態(tài)分布,這樣可更好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).模型中的信道沖擊響應(yīng)函數(shù)為[8]

其中:{αik,l}為信道的第i個(gè)實(shí)現(xiàn)中第l簇第k徑的增益系統(tǒng);{Til}為第l簇的額外時(shí)延;{τik,l}為第l簇第k徑相對(duì)于第l簇第一徑的時(shí)延;{Xi}為信道的陰影衰落系數(shù),是對(duì)數(shù)正態(tài)分布隨機(jī)變量.

1.3 RAKE接收機(jī)

根據(jù)IEEE 802-15.3a統(tǒng)計(jì)信道模型,對(duì)于基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)系統(tǒng),在單用戶(hù)情況下,接收信號(hào)可以表示為[7]

其中:X為信道的對(duì)數(shù)正態(tài)分布幅度增益;ETX為每個(gè)脈沖的發(fā)射能量;αnk為第n簇內(nèi)第k條路徑的信道系統(tǒng);αj為第j個(gè)發(fā)射脈沖的幅度(在PPM情況下,αj=1);τnk為第n簇內(nèi)第k條路徑的時(shí)延.

對(duì)于信道沖激響應(yīng)的每一個(gè)實(shí)現(xiàn),信道系統(tǒng)包含的能量歸一化,即

其中ERX=X2ETX是一個(gè)發(fā)射脈沖的總接收能量.

在IR-UWB系統(tǒng)中,脈沖持續(xù)時(shí)間達(dá)到納秒級(jí),假設(shè)所有的多徑分量都互相不重疊,接收到的波形由相互獨(dú)立的分量組成.使用采用多個(gè)相關(guān)器RA KE接收機(jī),分別與同一個(gè)發(fā)射脈沖波形的多個(gè)多徑分量相匹配,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)時(shí)間彌散的削減.這里,每個(gè)相關(guān)器與發(fā)送信號(hào)的一個(gè)多徑分量匹配,即RA KE接收機(jī)第j條支路的相關(guān)掩模m j(t)在時(shí)間上與發(fā)射符號(hào)的第j個(gè)時(shí)延多徑分量是對(duì)齊的,但RA KE接收機(jī)的使用增加了接收機(jī)的復(fù)雜性.為了降低復(fù)雜性,我們采用減少接收機(jī)處理多徑分量數(shù)目的方法.下面分三種情況進(jìn)行分析:一是選擇所有的多徑分量,稱(chēng)為理想RA KE(A-RA KE);二是從接收機(jī)輸入端獲得的N個(gè)多徑分量中選擇S個(gè)最好的分量,但需要一個(gè)選擇的過(guò)程,這種方式稱(chēng)為選擇性RA KE(S-RA KE);三是沒(méi)有選擇過(guò)程,直接合并最先到達(dá)的P個(gè)多徑分量,稱(chēng)為部分RA KE(PRA KE).合并方式分為最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC).在MRC方式下,每個(gè)支路輸出乘以一個(gè)正比于該路信號(hào)幅度的權(quán)值;而EGC則不進(jìn)行任何加權(quán),將各支路輸出直接相加.

圖2 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)

由于基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的有用信息既嵌在幅度上又嵌在位置上,所以可以從幅度和位置兩個(gè)角度來(lái)處理這個(gè)信號(hào).聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示.

本文采用硬判決方法.在判決時(shí),接收機(jī)對(duì)表示一個(gè)比特的Ns個(gè)脈沖進(jìn)行N s個(gè)獨(dú)立的判決,最后的判決結(jié)果依據(jù)采用大數(shù)原則得到.將超過(guò)門(mén)限的脈沖數(shù)與低于門(mén)限的脈沖數(shù)比較,輸出大數(shù)對(duì)應(yīng)的比特.令N1表示接收端0的數(shù)目,N2表示接收端1的數(shù)目,則當(dāng)N1＞N2時(shí),最終的估計(jì)比特為0,否則為1.

RA KE接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,m1(t),m2(t),…,mNs(t)表示只考慮位置因素得到的相關(guān)掩模,^b1表示只考慮位置因素得到的估計(jì)比特,設(shè)該RA KE接收機(jī)為RA KE接收機(jī)1;m′1(t),m′2(t),…,m′N(xiāo)s(t)表示只考慮幅度因素得到的相關(guān)掩模,^b2表示只考慮幅度因素得到的估計(jì)比特.

圖3 RAKE接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

處理器的工作過(guò)程如下:當(dāng)^b1=^b2時(shí),表示兩種方法得到的估計(jì)比特一致,故最終的估計(jì)比特^b3=^b1.當(dāng)^b1≠^b2時(shí),表示兩種方法得到的估計(jì)比特不一致,這時(shí),令N1表示RA KE接收機(jī)1接收端“0”的數(shù)目,N2表示RA KE接收機(jī)1接收端“1”的數(shù)目;N3表示RA KE接收機(jī)2接收端“0”的數(shù)目,N4表示RA KE接收機(jī)2接收端“1”的數(shù)目,則判決規(guī)則表達(dá)式如下:

RA KE接收機(jī)的內(nèi)部使用了兩個(gè)不同的RA KE接收機(jī),最終的判決結(jié)果通過(guò)處理器的聯(lián)合檢測(cè)算法得到,故這個(gè)系統(tǒng)稱(chēng)為聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng).

2 仿真結(jié)果與分析

聯(lián)合檢測(cè)系統(tǒng)中采用兩個(gè)RA KE接收機(jī),再加上處理器的處理過(guò)程,最終會(huì)得到3個(gè)誤碼率,取其中的最小值作為整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率BER.在單用戶(hù)情況下,對(duì)基于偏移量的PAM-TH-UWB系統(tǒng)采用RAKE接收機(jī),其BER性能與碼重復(fù)編碼器冗余(表征為重復(fù)編碼器參數(shù)Ns)和RAKE接收機(jī)的支路數(shù)目有關(guān).

理想RA KE接收機(jī)和選擇性RA KE接收機(jī)的BER性能與碼重復(fù)編碼器冗余的關(guān)系如圖4所示.通過(guò)在CM 1信道下的30次仿真結(jié)果得到的平均值可知,Prb隨Ex/N0的增加而下降;錯(cuò)誤概率隨冗余(表征為重復(fù)編碼器參數(shù)Ns)的增加而下降.

圖4 Prb隨Ex/N0變化的情況

理想RA KE接收機(jī),選擇性RA KE接收機(jī)和部分RA KE接收機(jī)的BER性能與其支路數(shù)目關(guān)系如圖5所示.可見(jiàn),理想RA KE接收機(jī)的誤碼率低于選擇性RA KE接收機(jī),選擇性RA KE接收機(jī)低于部分RA KE接收機(jī).

圖5 單用戶(hù)情況下基于偏移量的PAM-TH-UWB系統(tǒng)RAKE接收機(jī)的BER曲線(xiàn)

采用聯(lián)合檢測(cè)算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)和PAM-DS-UWB信號(hào)的理想RA KE接收機(jī)和選擇性RA KE接收機(jī)的誤碼率之間的關(guān)系如圖6—7所示.

由此我們可以看出,采用聯(lián)合檢測(cè)算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的理想RA KE接收機(jī)和選擇性RA KE接收機(jī)的性能要優(yōu)于PAM-DS-UWB信號(hào),系統(tǒng)抗干擾能力有很好的改善.

圖6 兩種信號(hào)的A-RAKE誤碼性能比較

圖7 兩種信號(hào)的S-RAKE誤碼性能比較

3 結(jié)論

針對(duì)以往文獻(xiàn)中沒(méi)有引入偏移量的問(wèn)題[9-11],本文提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統(tǒng),分析了RA KE接收機(jī)的性能.仿真結(jié)果表明:采用基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統(tǒng)后,整個(gè)通信系統(tǒng)性能隨信噪比的增加而提高;隨著碼重復(fù)編碼器冗余(表征為重復(fù)編碼器參數(shù)Ns)的增加,Prb與Ex/N0關(guān)系曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì),錯(cuò)誤概率迅速下降.增加Ns的值能夠提高系統(tǒng)抗干擾能力,基于偏移量的PAM-TH-UWB信號(hào)的理想RA KE接收機(jī)和選擇性RA KE接收機(jī)的性能優(yōu)于PAM-DS-UWB信號(hào)系統(tǒng).

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Study on the RAKE receiver of PAM-TH-UWB based on position-shift

YU Yin-hui,WANG Hong-lei,D INGJian-hua

(College of Communication Engineering.Jilin University,Changchun 130021,China)

In indoo r environment,UWB signals suffer from dense multi-path p ropagation and severe time dispersion.RA KE recep tion is an importantmethod to boost the performance of ultra-w ide band receivers.In this paper,the concep t of position-shift and the PAM-TH-UWB based on position-shift communication system are p roposed,the structure and perfo rmance of the RA KE receiver adop ted joint detection algo rithm are analyzed in detail.It is show n by the simulation results that the perfo rmance of A-RA KE is better than that of S-RA KE and the performance of S-RA KE is better than that of PRA KE;the system is steady and reliable,w hich can reduce the bit error rate,and boost the ability of anti-jamming in the w hole system.

ultra-w ide bandw idth(UWB);PAM(pulse amp litude modulation);bit erro r rate;joint detection;the RA KE receiver

TN 911

510·50

A

1000-1832(2010)04-0051-06

2008-10-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2006AA 06Z114).

于銀輝(1964—),女,博士,教授,主要從事超寬帶通信系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究.

(責(zé)任編輯:陶 理)