基于ＴＨ—ＰＰＭ—ＵＷＢ多徑信道下的Ｒａｋｅ接收機(jī)性能分析

摘 要：超寬帶信號在無線信道中傳播會產(chǎn)生嚴(yán)重的衰落和多徑干擾等問題，而在抗多徑干擾方面采用Rake接收機(jī)的方式是一種行之有效的手段。利用IEEE802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)信道模型，采用TH—PPM調(diào)制方式對信道沖激響應(yīng)的特性進(jìn)行了分析，并對標(biāo)準(zhǔn)信道模型下的A—Rake，P—Rake和S—Rake三種接收機(jī)模型在不同的支路下的BER進(jìn)行了對比分析。從仿真結(jié)果可以得出A—Rake為理想接收機(jī)性能最佳，相同支路下S—Rake接收機(jī)的性能要優(yōu)于P—Rake接收機(jī)，但是隨著支路數(shù)的增加兩者的性能差距也越來越小。

關(guān)鍵詞：超寬帶；多徑信道；Rake接收機(jī)；誤碼率

中圖分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0308103

Performance of Rake Receiver for TH—PPM—UWB in Multipath Channel

ZHANG Jing

(Information Communication College，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

Abstract：When UWB signal transfer in the channel.It will take along with the serious multipath to the reception of UWB.It′s a better way to low of multipath disturb with Rake receiver in ultra wide band radio system.Based on the Intel model of IEEE802.15.SG3a group.Using of Time—Hopping Pulse Position Modulation(TH—PPM).The paper analyses A—Rake，P—Rake and S—Rake receiver modle under the Intel model.The results indicate that the A—Rake is the best of receiver and the S—Rake receiver is better than the P—Rake receiver but with the increasing of figner the difference of performance between S—Rake and P—Rake will be reduced.

Keywords：UWB;multipath channel;Rake receiver;error ratio

1 引 言

超寬帶脈沖無線電(Ultra—Wideband Impulse Radio，IR—UWB)是一種新興的短距離脈沖無線電通信方式，他不需要使用載波，而是通過發(fā)送納秒級脈沖傳輸數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。發(fā)射和接收電路較以往的短距離無線通信系統(tǒng)簡單、且功耗低、對現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小、傳輸速率高、抗多徑分辨能力強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、隱蔽性好、系統(tǒng)容量大、定位精度高等優(yōu)勢而著稱，數(shù)據(jù)的傳輸速率可以達(dá)到數(shù)百兆，近幾年引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

Rake接收機(jī)以抗多徑干擾而著稱，本文采用TH—PPM調(diào)制方式，對基于IEEE UWB的標(biāo)準(zhǔn)信道模型下的UWB Rake接收機(jī)的性能進(jìn)行了分析和對比。典型的信道模型有根據(jù)1 GHz頻段實(shí)測結(jié)果建立的2 ns分辨率統(tǒng)計抽頭延時線(STDL)模型和Intel根據(jù)2～8 GHz實(shí)測數(shù)據(jù)建立的0.167 ns分辨率S—V模型，后者被采納為IEEE802.15.3a的標(biāo)準(zhǔn)信道模型。本文利用仿真軟件并結(jié)合理論知識經(jīng)過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，給出了幾種信道的信道沖擊響應(yīng)和A—Rake，P—Rake，S—Rake三種Rake接收方式在不同條件下的誤碼率仿真結(jié)果，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

2 發(fā)射端模型

TH—PPM信號是一種跳時信號，即對偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制，用脈沖不同的位置來傳送信息，這種調(diào)制方式具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如具有抗干擾強(qiáng)，保密性好等優(yōu)點(diǎn)。TH—PPM信號模型可以表示為：

式中Ts為傳送一個脈沖的時間； cj為偽隨機(jī)碼序列；Tc為碼片時間；cjTc為碼元c所引起的位移；ajε為PPM所引起的偏移量。發(fā)送過來的偽隨機(jī)序列輸入TH—PPM編碼器內(nèi)，這樣脈沖的發(fā)生時間可以表示為(jTs－cjTc－ajε)。碼序列c對信號引入了TH位移，所以c也叫做TH 碼，PPM調(diào)制引起的位移ajε。通常情況下由TH碼引起的位移要比cjTc小得多。

3 信道模型

3.1 信道模型

本文采用Intel根據(jù)2～8 GHz實(shí)測數(shù)據(jù)建立的0.167 ns分辨率S—V模型，此信道模型具有多徑成簇到達(dá)以及Δ—K模型中的振幅衰落服從對數(shù)正態(tài)分布等特點(diǎn)，因此可以很好的描述實(shí)際信道對信號的影響。

基于IEEE模型的信道特性定義的信道沖激響應(yīng)為：

多徑分量是以簇的形式到達(dá)的，其時間是一個到達(dá)速率為Λ的柏松過程：

簇內(nèi)多徑分量到達(dá)時間，服從速率為λ的泊松過程：

式中:X為對數(shù)正態(tài)分布幅度增益；N為觀測到的簇的數(shù)目。K(n)是第n簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目，幅度增益X為對數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量，可以表示為：

αnk為第n簇中第k條路徑的系數(shù)；Tn為第n簇的到達(dá)時間；τnk為第n簇中第k條路徑的時延；g是均值為g0，方差為σg2的高斯隨機(jī)變量，g0值取決于平均總多徑增益G，他是在觀測位置測量得到的。信道系數(shù)αnk可以表示為：

式中pnk為等概率取+1和-1的離散隨機(jī)變量；βnk為第n簇中第k條路徑的服從對數(shù)正態(tài)分布的信道系數(shù)，他可以表示為：

式中xnk是均值為μnk，標(biāo)準(zhǔn)差為σnk的高斯隨機(jī)變量。

ξn和ζnk為兩個高斯隨機(jī)變量。利用簇幅度和簇內(nèi)每個多徑分量的幅度都服從指數(shù)衰減的特點(diǎn)可以得出μnk的值：

式中:σ2ξ和σ2ζ為ξn和ζnk的方差；ω0代表第一簇第一徑的平均能量；Γ為功率衰減系數(shù)；γ為簇內(nèi)脈沖功率衰減系數(shù)。

3.2 信道模型仿真

根據(jù)以上分析的IEEE標(biāo)準(zhǔn)信道模型充分考慮了實(shí)際信道中的多徑以及衰落對信號的影響，在實(shí)際的仿真中考慮了四種環(huán)境對信號的影響，分別是CM1，CM2，CM3，CM4四種信道環(huán)境，其中參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 信道仿真參數(shù)

CM1:LOS(0～4 m)的視距信道；CM2:NLOS(0～4 m)的非視距信道；CM3:NLOS(4～10 m)的非視距信道；CM4:NLOS(4～10 m)的極限非視距信道。

本文給出了在CM1信道環(huán)境下和CM3信道環(huán)境下信道沖激響應(yīng)的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 CM1信道沖激響應(yīng)

圖2 CM3信道沖激響應(yīng)

通過多次仿真試驗(yàn)結(jié)果分析，信道模型的各種參數(shù)特性，比較符合實(shí)際信道的特點(diǎn)。

4 接收端模型

4.1 接收信號模型

信號經(jīng)過信道后存在著多徑效應(yīng)和衰落，并有加性噪聲的疊加，所以接收信號可以表示為：

式中n(t)為高斯白噪聲；X為信道的對數(shù)正態(tài)分布幅度增益；ETX為單個脈沖的發(fā)射能量；N為接收端簇數(shù)目；K(n)為第N簇內(nèi)多徑分量的數(shù)量；αnk為第n簇內(nèi)第k條路徑的信道系數(shù)；Ts為平均脈沖重復(fù)周期；φj為第j個脈沖的時間抖動。

4.2 接收機(jī)模型

Rake接收機(jī)可以在多徑信道的環(huán)境下使原來能量很小的多徑信號經(jīng)過能量合并后提高信噪比，他主要是通過幾條互不相關(guān)的支路捕獲能量，從而提高系統(tǒng)性能的多徑分集接收技術(shù)。

A—Rake為理想情況下的接收機(jī)，需要的相關(guān)器數(shù)目很大不容易實(shí)現(xiàn)。S—Rake接收機(jī)從多徑分量中選擇最好的Ls個分量進(jìn)行合并，P—Rake接收機(jī)把最先到達(dá)的前Lp個多徑分量進(jìn)行合并。Rake接收機(jī)信道估計可以利用發(fā)送已知的訓(xùn)練序列來完成，向量H=(h1，h2，…，hN)被定義為可分辨信道多徑分量H=(h1，h2，…h(huán)N)的信道估計值，經(jīng)過信道估計后然后選擇出L個能量最強(qiáng)的多徑分量為：(α1，α2，…，αL)= argmax[abs(h1，h2，…，hN)]。接收信號再分別與不同延遲的本地模板脈沖信號做相關(guān)處理，然后在t=nTs時刻對L個相關(guān)器進(jìn)行抽樣之后按順序(α1，α2，…，αL)為加權(quán)系數(shù)求和，實(shí)現(xiàn)最大信噪比合并。

在理想信道估計的前提下，任意一條支路K經(jīng)過簡化的相關(guān)器抽樣輸出為：

對于支路K，相關(guān)器輸出信噪比為：

式中ρ為自相關(guān)系數(shù)。其中L個信號的多徑分量互不相關(guān)， 對L個相關(guān)器輸出抽樣合并后，采用MRC方式輸出信號的總信噪比為下式所示：

信道的誤比特率可以表示為：

式中G=∑Lk=1α2k 表示接收機(jī)可以接收到的能量，就是信道沖擊響應(yīng)能量最強(qiáng)的L個多徑分量的能量和。

4.3 接收機(jī)性能仿真

由于實(shí)際的室內(nèi)UWB環(huán)境較為接近CM3的信道特性，所以本文選擇CM3信道作為仿真信道模型。從仿真試驗(yàn)結(jié)果來看理想的A—Rake接收機(jī)的性能最好，在相同支路的條件下，S—Rake的性能要優(yōu)于P—Rake。

圖3給出了不同支路的P—Rake性能比較，不同支路的BER和接收到的能量有很大的關(guān)系。圖中給出了2，5，10，25條支路時的性能比較。在BER為10－4時與理論上限的A—Rake接收機(jī)性能相差14 dB，7.5 dB，4 dB，2.5 dB左右。

圖3 不同支路的P—Rake性能比較

圖4 不同支路的S—Rake性能比較

圖4給出了不同支路時S—Rake接收機(jī)的性能比較，從

圖3和圖4比較可以得出，在相同支路的條件下，S—Rake

接收機(jī)的性能要比P—Rake接收機(jī)的性能好，從圖5的仿真結(jié)果可以明顯地看出這一結(jié)論。在BER為10－4的條件下支路數(shù)為2時，兩種接收機(jī)的性能相差8 dB，支路數(shù)為10時相差3.5 dB，當(dāng)支路增加到25時相差0.6 dB。

圖5 不同支路的P—Rake和S—Rake性能比較

5 結(jié) 語

根據(jù)以上分析與仿真結(jié)果來看Rake接收機(jī)具有很好的抗多徑干擾和衰落的作用。理想情況下的A—Rake接收性能最好，在實(shí)際應(yīng)用中可以采用P—Rake和S—Rake接收機(jī)。S—Rake接收機(jī)因?yàn)椴捎昧诉x擇性接收的方法所以性能要優(yōu)于P—Rake接收機(jī)，但是比P—Rake接收機(jī)要復(fù)雜。隨著支路數(shù)的增加，接收機(jī)的性能也相差不多，所以在實(shí)際應(yīng)用中要充分考慮到UWB接收機(jī)實(shí)際應(yīng)用在那種環(huán)境和實(shí)現(xiàn)的難易程度等因素，來決定采用何種接收機(jī)方式。

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作者簡介 張 靜 男，1981年出生，河北石家莊人，碩士研究生。主要從事超寬帶接收機(jī)理論的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。