ＤＴＲ—ＤＳ—ＢＰＳＫ超寬帶通信系統的同步算法研究

摘 要：分析了采用差分傳輸參考(differential transmitted reference)—直接序列擴頻—二進制移相鍵控(DTR—DS—BPSK)方案的超寬帶(ultra—wideband，UWB)通信系統的原理及其實現方案，在此基礎上，提出了一種適用于DTR—DS—BPSK UWB通信系統的同步方案，并利用Matlab對該方案在室外環境下的捕獲性能進行了仿真，從而為室外環境下超寬帶通信系統的相關設計提供了依據。

關鍵詞：超寬帶通信系統；差分傳輸參考；直接序列擴頻；同步

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0305403

A Synchronization Scheme for DTR—DS—BPSK UWB Communication System

KANG Rongzong，ZHANG Jian，LIU Luokun

(Institute of Information Engineering，PLA Information Engineering University，Zhengzhou，450002，China)

Abstract：After an introduction to the principle and implementation of DTR—DS—BPSK UWB communication system，an synchronization scheme for DTR—DS—BPSK UWB communication system is obtained.Numerical simulations are performed with Matlab to verify the acquisition performance of this scheme under the outdoor environment，a reference for the design of UWB communication system under the outdoor environment is given.

Keywords：UWB communication system;differential transmitted reference;DS;synchronization

1 引 言

超寬帶無線通信技術作為一種新興的技術，相對于窄帶通信方式而言，具有頻帶寬、發射功率低、傳輸速率高、多徑分辨能力強，穿透能力強等優點。因此在高速無線通信系統、目標定位與跟蹤等方面有著廣泛的應用。

UWB采用沖激脈沖攜帶信息實現了信號頻譜的大幅擴展，但是，UWB信號的大帶寬造成信道的極度頻率選擇性，導致接收到的信號波形畸變嚴重，要使系統具有較好的檢測性能，就必須精確估計出信道參數，這是非常困難的。即使信道特性已知，標準的UWB系統所采用的RAKE接收機也需要數量極多的延遲分支，導致復雜度大大增加，且由于脈沖持續時間極短，脈沖同步和幀定時變得困難。為了減輕UWB信道估計的困難和對定時的要求，Hoctor和 Tomlinson[1，2]提出了傳輸參考(Transmitted reference)沖激無線電(TR UWB)系統。該系統能夠在UWB多徑信道環境中利用一個簡單的接收機結構收集到所有的能量，而且系統不需要復雜的信道估計，并對于失真并不敏感。但是這種系統在傳輸信息脈沖的同時又要傳輸一個參考脈沖從而降低了信息傳輸的效率，為此Chao 和Scholtz[3]基于自相關解調和差分編碼[4]的思想提出了差分傳輸參考(DTR)系統，除了具有傳統的TR的優點外，這種采用前一個信息符號的脈沖作為參考的DTR系統有3 dB的性能提升，并且可以傳輸更高的傳輸速率。

在調制方式上，UWB—IR系統一般采用PPM或BPSK的調制方式。PPM可以通過多個位置調制來提高信息傳輸速率，然而，PPM調制的脈沖信號的功率存在離散譜線會對現有窄帶通信系統造成嚴重的影響，從而不滿足FCC對UWB信號頻譜的規定。若采用BPSK調制，由于信號均值為零，功率譜中不含離散譜線，完全由脈沖的頻譜決定。在滿足FCC對UWB信號頻譜密度特性要求上，BPSK是更為理想的一種調制方式。

上述的調制方式與擴頻技術(TH—SS，DS—SS)相結合，可以得到不同的多址接入方案，典型的組合方案為TH—PPM和DS—BPSK。相比較而言，DS—BPSK具有通信速率高，抗多徑能力強等優點。所以在UWB通信系統的實現中，采用DS—BPSK的UWB通信系統是較為理想的實現方案。

通過以上分析，我們采用了差分傳輸參考—直接序列擴頻—二進制移相鍵控(DTR—DS—BPSK)體制的超寬帶系統，而同步問題是UWB通信系統設計中需要考慮的重要問題之一。由于脈沖持續時間極短，ns級的定時誤差可以嚴重影響UWB系統的性能[5]，這就給UWB系統中的同步捕獲帶來困難。與傳統的脈沖UWB系統相比，本文提出的適用于DTR—DS—BPSK UWB系統的同步方案具有簡單、快速、占用資源少的特點。通過對采用DTR—DS—UWB的UWB通信系統的工作原理進行分析，針對該系統給出了一種簡單的符號同步捕獲方法。并通過仿真計算，分析了該方法在室外環境條件下的捕獲性能，對室外環境下超寬帶通信系統的設計具有一定的意義。

2 DTR—DS—BPSK UWB信號模型

圖1給出了DTR系統的發送端結構框圖，信息符號di和擴頻碼bj相乘進行直接序列擴頻調制后得到bjdi；再進行差分編碼，即前一個編碼數據ai，j+1被反饋回來，ai，j作為當前信息比特的參考被信息數據比特bjdi所調制；而后經過脈沖產生及其BPSK調制模塊發送出去。

圖1 DTR—DS—BPSK UWB發送機結構DTR—DS—BPSK UWB發送信號可描述為：

其中： ai，j+1=ai，jbjdi，ai+1，0=ai，Nf－1bNf－1di，ti，j=(j+iNf)Tf，di表示第i個數據信息符號，bj∈{+1，－1}表示擴頻序列。假設每個數據符號由Nf幀組成，即Tb=NfTf，每發射一個信息符號Tb時間內發射脈沖的數目Nf取決于系統采用的擴頻碼(PN碼)的周期，這里設每幀內只含有一個脈沖波形。p(t)為持續時間為Tp(Tf)的單周期脈沖波形，Tf(ns)為脈沖重復周期。p(t)一般為高斯函數的二階導數，可以表示為：

3 同步算法

通過上節對DTR—DS—BPSK UWB發送信號模型的分析，針對本系統所采用的脈沖傳輸體制和調制方式及其多址技術，我們提出了一種適用于此系統的同步方案，如圖2所示。

首先對接收機接收到的信號進行解差分，接收到的信號分為兩路，一路經過Tf延時后和原信號相乘，即把前一幀的脈沖信號作為本幀脈沖的參考脈沖做相關運算，恢復出發送的擴頻序列；再將此每幀的相關值作為匹配濾波器的輸入，經過Nf個移位寄存器和本地擴頻碼Cm，m∈(1，2，…Nf)分別逐幀作相關匹配，得到相應的判決變量，將這Nf個判決變量求和后得到最終的判決變量，完成對擴頻碼的匹配相關運算。為降低虛警概率，此輸出的相關值和預先設定的門限值進行比較以決定是否接收到的信號中含有信息數據，如果小于門限，判定接收到的信號為非匹配信號，則進行下一個相位的匹配相關運算；如果大于門限，將此相關值存儲，并不斷進行最值比較更新，這樣當接收到的碼符號序列和本地參考相匹配時輸出最大值，接收機的碼發生器被啟動后，啟動的初始條件和接收到的碼相位相對應，這樣就在一個符號周期內實現了同步過程。

圖2 DTR—DS—BPSK UWB同步結構框圖

與傳統的DS—UWB系統中采用的匹配濾波思想進行同步捕獲時不同的是，傳統的DS—UWB系統在匹配相關時需要存儲本地波形和接收到的信號進行相關，這樣需要占用一定的資源，且如果擴頻碼較長，在匹配相關時就需要大量的乘法運算，從而需要占用較多的資源，并且發送端信號經過復雜的信道環境后波形失真嚴重，要產生與之匹配的精確本地波形是非常困難的。而本文提出的適用于DTR—DS—BPSK UWB系統的基于匹配濾波思想的捕獲方案中，由于前端對脈沖已經進行了相關檢測，本地匹配濾波器不必存儲復雜脈沖的波形，只需存儲簡單的擴頻碼，且在匹配相關時僅完成簡單的加法運算，大大減少了對資源的耗費。圖3給出了本地碼的存儲示意圖。

圖3 本地擴頻碼示意圖

本地參考碼的碼型與發送端擴頻碼碼型相同，其碼個數為擴頻碼碼長為Nf。由于DTR—DS—BPSK UWB中采用了窄脈沖體制，脈沖具有一定的占空比，即大部分時間段內無信號能量。在匹配相關時，為了提高系統的處理增益，本地參考碼的每個碼字實際存儲的數據長度為TI，且全為1，而其他Tf－TI時間段內為0。TI相當于積分寬度，如果TI=Tp，在多徑情況下，實際上是完成了對某一徑信號的捕獲。一般Tp串擾(IFI)影響越大，所以存在一個最佳值，需要依據實際的信道情況而定。這樣相對于傳統的擴頻系統而言，系統獲得的總處理增益增加了Tf/TI倍，在其他條件相同的情況下，捕獲性能變好。

4 仿真結果

為了檢驗上節適用于DTR—DS—BPSK UWB系統的同步方案在室外公里級距離條件下的捕獲性能，并為中距離室外環境下超寬帶通信系統相關設計提供一定的參考，采用Matlab仿真進行性能分析。

目前有關UWB—IR系統的信道仿真和建模的文獻中多數為室內環境條件下，如IEEE 802.15.3a；在室外環境下，現有的相關模型有IEEE.802.15.4a，但此模型也只適用于近距離的環境下，在公里級距離的室外環境下還沒有明確的信道模型，國內外相關研究文獻較少，文獻[6]給出了一種簡單的UWB—IR室外通信信道的仿真模型，該模型考慮了含有損耗和多徑條件影響下的1～5 km間的公里級室外信道模型(沒有考慮雨霧等氣象的因素，即頻率選擇性衰落的影響)。在該模型下仿真了不同擴頻碼長度下同步捕獲概率和信噪比之間的關系，如圖4所示。具體參數設置如下：脈沖寬度Tp= 4 ns，脈沖間隔Tf=60 ns，采樣頻率為2 GHz，傳輸距離1 km的室外開闊地，多徑數目為10，擴頻碼長度Nf分別為31，63，127，255。

圖4 捕獲概率和信噪比的關系

從上面給出的仿真結果可以看出，DTR—DS—BPSK UWB通信系統中同步捕獲概率受到接收機輸入信噪比及其采用的PN碼周期等因素的影響，隨著接收機信噪比的

提高，捕獲概率也提高，并且在信噪比一定的條件下，隨著PN碼周期的增加，捕獲性能變好，而且碼周期長的系統所能忍受的最低信噪比變強。

5 結語

同步是UWB無線通信系統中很重要的問題，本文詳細分析了DTR—DS—BPSK UWB系統，并針對該系統提出了一種簡單有效的同步方案，通過仿真給出了該同步方法在室外環境下公里級距離條件下的捕獲性能，從而為室外環境下超寬帶系統的相關設計提供了依據。分析和仿真結果表明，該同步方案具有簡單快速同步的功能。

參考文獻

[1]Hoctor R，Tomlinson H.An Overview of Delay—hopped，Transmitted Reference RF Communications[M].Tech.Rep.2001crd198，GE Research and Dvelopment Center，2002.

[2]Hoctor R，Tomlinson H.Delay—hopped Transmitted—reference RF Communications[J].IEEE Ultra Wideband Systems and Technologies，Baltimore，MD，2002:265—269.

[3]Chao Y L，Scholtz R.Optimal and Suboptimal Receivers for Ultra—wideband Transmitted Reference Systems[A].Proceedings GLOBECOM′03，759—763，San Francisco，CA，2003.

[4]Simon M K，Hinedi S M，Lindsey W C.Digital Communication Techniques — Signal Design and Detection[M].Englewood Cliffs，New Jersey:Prentice Hall，1994.

[5]Lovelace W，Townsend J.The Effects of Timing Jitter on the Performance of Impulse Radio[A].Proceedings of IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies，2002:251—254.

[6]馬龍，王庭昌． UWB—IR 室外通信信道模型及其容量近似求解[J].電波科學學報，2006，8(4)：595—600.

作者簡介 康榮宗 男，1983年出生，碩士研究生。主要研究方向為超寬帶無線通信系統。

張 劍 男，1976年出生，博士研究生，講師。主要研究方向為超寬帶無線通信系統。

劉洛琨 男，1963年出生，碩士生導師，副教授。主要研究方向為衛星通信系統，無線自組織網絡、超寬帶無線通信系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。