吳南南，竇 崢，陳麗麗

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

超寬帶具有傳輸速率高、功耗低、空間容量大、成本低等特點(diǎn)，近年來(lái)在通信行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注.多天線(xiàn)技術(shù)可以利用多發(fā)多收天線(xiàn)來(lái)充分的利用空間資源，在不需要增加頻譜帶寬和發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射功率的條件下，成倍提高信道容量［1］.此外對(duì)于衰落信道，多天線(xiàn)可以采用分集技術(shù)為接收機(jī)提供信息符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落副本，提高了無(wú)線(xiàn)鏈路的可靠性.因此多天線(xiàn)與UWB 的結(jié)合成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn).

關(guān)于多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)的研究主要集中在空時(shí)編碼［2－3］、信道模型［4］等研究.然而不同的調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)的信息傳輸速率、系統(tǒng)增益、誤碼率等方面都會(huì)產(chǎn)生影響.為了盡可能的提高系統(tǒng)性能，選擇一種合適的調(diào)制方法也是至關(guān)重要.文獻(xiàn)［5－6］對(duì)不同調(diào)制方法的多入多出超寬帶通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但都是在基于采用空時(shí)編碼的方法基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，本文構(gòu)建了多天線(xiàn)UWB 通信系統(tǒng)仿真模型，在此系統(tǒng)上研究了脈沖位置調(diào)制(PPM)和脈沖幅度調(diào)制(PAM)兩種調(diào)制對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并針對(duì)PAM 比較跳時(shí)(TH)和直擴(kuò)(DS)兩種情況系統(tǒng)性能差別.

1 基于多天線(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)模型

單用戶(hù)，用戶(hù)具有2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)、2個(gè)接收天線(xiàn)，發(fā)射端用分集發(fā)射，接收端用等增益合并的方法，多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信道模型

多天線(xiàn)系統(tǒng)在每個(gè)收發(fā)天線(xiàn)之間形成一個(gè)子信道，在發(fā)射端用2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，接收端用2個(gè)天線(xiàn)接收，則在收發(fā)之間形成了的信道矩陣圖［7］，在某一時(shí)刻，信道矩陣為:

其中:hij表示從發(fā)射天線(xiàn)j 到接收天線(xiàn)的傳輸函數(shù).UWB 無(wú)線(xiàn)通信的AWGN 信道增益:

其中:r為功率衰減指數(shù)，在自由空間中，r=2;在通常的非視線(xiàn)傳播中，r ＞2;在存在視線(xiàn)的短距離多徑信道，r 可能小于2，在本文的仿真中假設(shè)r=2.c0是參考距離D0=1m 時(shí)獲得參考增益的一個(gè)常數(shù)［8］.

1.2 發(fā)射、接收方案

多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)發(fā)射端用分集發(fā)射，天線(xiàn)1和天線(xiàn)2 發(fā)射的信號(hào)均為s(t)，信號(hào)的功率平均分配到每個(gè)天線(xiàn)上［9］.

在接收端的接收機(jī)由相關(guān)器和檢測(cè)器組成，并采用等增益合并的方法，系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)接收機(jī)

其中:r1(t)為從天線(xiàn)1 接收到的信號(hào)，r2(t)為天線(xiàn)2 接收到的信號(hào)，

其中:n1(t)與n2(t)分別是天線(xiàn)1和天線(xiàn)2 接收到的噪聲，是均值為0，方差為N0/2 的高斯隨機(jī)變量.m(t－τ)是相關(guān)掩模，采用不同的調(diào)制方式相關(guān)掩模也不同，當(dāng)采用TH－PPM 時(shí)，m(t－τ)=p(t－τ－cjTc)－p(t－τ－cjTc－ε)，當(dāng)采用TH－PAM 時(shí)，m(t－τ)=cjp(t－τ－cjTc)，當(dāng)采用DS－PAM 時(shí)，m(t－τ)=cjp(t－τ)其中各個(gè)符號(hào)的意義同式(4)中相同.

從天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)器，完成等增益合并后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)判決得到發(fā)射的二進(jìn)制序列.

2 多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)中采用的調(diào)制方法基本原理

從攜帶的信息來(lái)看，UWB 的調(diào)制方式可以是數(shù)據(jù)信息調(diào)制和多址技術(shù)的結(jié)合.基本的數(shù)據(jù)信息調(diào)制方式有:脈沖位置調(diào)制(PPM)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)、開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)、二進(jìn)制相位調(diào)制(BPSK)、多維雙正交鍵控(MBOK)、數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)以及以上調(diào)制方式的組合.多址技術(shù)有:跳時(shí)(TH)、直擴(kuò)(DS)等.常用的結(jié)合方式有TH－PPM、TH－PAM、DS－PAM［7］.下面詳細(xì)的介紹下這三種調(diào)制方法的原理.

2.1 TH－PPM 調(diào)制

UWB 信號(hào)是由周期為納秒級(jí)別的窄脈沖形成的.TH－PPM 是傳統(tǒng)的UWB 調(diào)制方式.PPM 是通過(guò)脈沖的相對(duì)時(shí)移來(lái)表示發(fā)射的數(shù)據(jù)比特值.在二進(jìn)制脈沖位置調(diào)制中，脈沖位置相對(duì)于原來(lái)的參考位置沒(méi)有平移表示發(fā)射的比特為0，脈沖位置相對(duì)于原來(lái)的參考位置延遲一段時(shí)間間隔代表發(fā)射比特1.TH 是將每個(gè)幀周期分為多個(gè)部分，每個(gè)部分為一個(gè)碼片周期，再通過(guò)偽隨機(jī)碼來(lái)控制發(fā)射脈沖的碼片周期.

用Ts表示脈沖重復(fù)周期，Tc是碼片時(shí)間，ε 是調(diào)制數(shù)據(jù)比特所對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)移，cj是偽隨機(jī)碼，aj是發(fā)射的比特值，p(t)為脈沖波形函數(shù)，是最大發(fā)射比特?cái)?shù).則TH－PPM 信號(hào)模型為:

假設(shè)發(fā)射的二進(jìn)制序列b=0，1，采用重復(fù)編碼數(shù)Ns=5，跳時(shí)編碼為(2 2 2 0 1)時(shí)的UWB 信號(hào)波形圖如圖3所示.

圖3 TH－PPM 已調(diào)UWB 信號(hào)波形

2.2 TH－PAM 調(diào)制

脈沖幅度調(diào)制(PAM)是一種把信息調(diào)制在脈沖幅度上的方式.二進(jìn)制反極性PAM 是指當(dāng)發(fā)射比特為1 時(shí)發(fā)射正向脈沖，當(dāng)發(fā)射比特0 時(shí)發(fā)射反向脈沖.TH－PAM 調(diào)制是通過(guò)TH 的偽隨機(jī)碼來(lái)控制發(fā)射脈沖的碼片周期，發(fā)射的數(shù)字序列來(lái)決定脈沖的極性.則TH－PAM 信號(hào)模型為:

其中:p(t)、M、Ts、aj、cj、Tc所表示的意義同上.

假設(shè)發(fā)射的二進(jìn)制序列b=0，1，當(dāng)重復(fù)編碼數(shù)Ns=5，跳時(shí)編碼為(2 0 2 2 2)時(shí)采用TH－PAM調(diào)制的UWB 信號(hào)波形圖如圖4所示.

圖4 TH－PAM 已調(diào)UWB 信號(hào)波形

2.3 DS－PAM

直擴(kuò)是用信源碼與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2 加來(lái)產(chǎn)生一個(gè)新碼.DS－PAM 是將信源輸出的信號(hào)與偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2 加得到的碼來(lái)控制發(fā)射脈沖的幅度.則DS－PAM 信號(hào)模型為:

其中:p(t)、M、Ts所表示的意義同式上，dj是發(fā)射比特與DS 碼進(jìn)行模2 加的結(jié)果.

如發(fā)射的二進(jìn)制碼b=0，1，當(dāng)重復(fù)編碼數(shù)為Ns=5，DS 碼為(1 1－1 1 1)時(shí)的DS－PAM 調(diào)制的UWB 信號(hào)波形如圖5所示.

圖5 DS－PAM 已調(diào)UWB 波形

3 不同調(diào)制方式在多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)中仿真結(jié)果及比較

仿真信道是具有2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，2個(gè)接收天線(xiàn)的理想AWGN 信道，采用的脈沖波形是高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù):

其中:α 是脈沖形成因子，α=0.25 ns，采用的跳時(shí)碼和直接序列擴(kuò)頻碼碼長(zhǎng)均為5，發(fā)射機(jī)功率為－30 dBm，發(fā)射端發(fā)送的信息比特?cái)?shù)為1 000，重復(fù)發(fā)射100次.以誤碼率作為系統(tǒng)性能的衡量指標(biāo).

采用TH－PPM 與DS－PAM 時(shí)多天線(xiàn)UWB系統(tǒng)的仿真誤碼率曲線(xiàn)如圖6所示.

從圖6 中的系統(tǒng)誤碼率仿真曲線(xiàn)可以看出在相同信噪比時(shí)，均使用TH 方式時(shí)，采用PAM 時(shí)系統(tǒng)誤碼率性能要優(yōu)于采用PPM 下誤碼率性能，在誤碼率為10－4的情況下，采用PAM 時(shí)的系統(tǒng)較PPM 時(shí)的系統(tǒng)所需信噪比低近6 dB.是由于在采用PPM 時(shí)，在接收端用相關(guān)解調(diào)時(shí)使用的接收掩模是代表0 的脈沖與代表1 的脈沖的差，當(dāng)從天線(xiàn)接收到的信號(hào)與掩模相乘時(shí)相當(dāng)于引入了2 次噪聲;而采用PAM 時(shí)，接收掩模是單個(gè)脈沖，相當(dāng)引入1 次噪聲，故采用PAM 的系統(tǒng)性能要優(yōu)于采用PPM 的系統(tǒng).

圖6 TH－PPM 與TH－PAM 調(diào)制方法在多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)中誤碼率仿真比較

仿真環(huán)境不變，當(dāng)均采用PAM 調(diào)制時(shí)，分別采用TH和DS 技術(shù)時(shí)多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)的仿真誤碼率曲線(xiàn)如圖7所示.

圖7 TH－PAM 與DS－PAM 調(diào)制方法在多天線(xiàn)UWB 系統(tǒng)中誤碼率仿真比較

從圖7 中可以看出在A(yíng)WGN 信道的多天線(xiàn)超寬帶通信系統(tǒng)中，當(dāng)均用PAM，在誤碼率為5 dB時(shí)，采用DS 的系統(tǒng)誤碼率要比采用TH 的低，但是差別并不大.由于DS 的通信隱蔽性好，且易實(shí)現(xiàn)數(shù)字加密，故在保密性能要求高的系統(tǒng)可以采用DS－PAM 方法，而TH 易于實(shí)現(xiàn)碼分多址，頻譜利用率高，故在保密性能要求不高的系統(tǒng)可以采用TH－PAM.

4 結(jié)語(yǔ)

本文在超寬帶的基礎(chǔ)上建立了多天線(xiàn)UWB系統(tǒng)仿真模型，并研究了不同種調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響.仿真結(jié)果表明，在相同條件下，采用PAM 時(shí)系統(tǒng)性能要優(yōu)于采用PPM，在誤碼率為時(shí)，應(yīng)用PAM 的系統(tǒng)信噪比較應(yīng)用PPM 時(shí)有近6 dB的提高.當(dāng)均采用PAM 條件下，采用TH 技術(shù)和采用DS 技術(shù)時(shí)系統(tǒng)的誤碼率性能相近.在保密性要求高的系統(tǒng)中采用DS 技術(shù)，在相對(duì)保密性不高的系統(tǒng)中采用TH 技術(shù).

［1］黃 韜，袁超偉.MIMO 相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:3－6.

［2］LIU Q Y.Analog Space–Time Coding for MIMO Ultra－Wideband Transmissions［J］.IEEE transaction on communications，2004:938－947.

［3］ENZO B，MAURO B.Space－Time Orthogonal M－ary PPM coding for Coverage Extension of MIMO UWB－IR Systems［J］.IEEE transactions on communication，2005:263－267.

［4］吳 艷.UWB－MIMO 的信道建模及其影響因素的研究分析［D］.寧夏:寧夏大學(xué)，2008:15－20.

［5］WIPAWEE S S，MASOUD O.On the Performance Evaluation of TH and DS UWB MIMO Systems［J］.IEEE Communications Society，2004:1800－1805.

［6］王金龍，王呈貴.無(wú)線(xiàn)超寬帶通信原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:58－64.

［7］CHADI A R.On Space－Time Coding with Pulse Position and Amplitude Modulations for ime－Hopping Ultra－Wideband systems［J］.IEEE International Conference on Ultra－Wideband，2007:2490－2509.

［8］葛利嘉，朱 林.超寬帶無(wú)線(xiàn)電基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:169－180.

［9］李文興，曹 鵬.集群通信終端內(nèi)置PIFA 天線(xiàn)設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，28(5):551－558.