基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的研究

于銀輝,王洪磊,丁建華

(吉林大學通信工程學院,吉林長春 130021)

基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的研究

于銀輝,王洪磊,丁建華

(吉林大學通信工程學院,吉林長春 130021)

提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統,給出了采用聯合檢測算法RA KE接收機的構成,詳細分析了其性能.仿真結果表明:該系統穩定可靠,理想RA KE接收機(ARA KE)優于選擇性RA KE接收機(S-RA KE),選擇性RA KE接收機優于部分RA KE接收機(P-RA KE),可以降低系統的誤碼率,提高系統抗干擾能力.

超寬帶(UWB);脈幅調制;誤碼率;聯合檢測;RA KE接收機

超寬帶(U ltra Wideband,UWB)通信技術是相對帶寬大于0.2或在傳輸的任何時刻帶寬大于500 M Hz的無線通信技術,信號功率譜密度不超過-41.3 dBm[1-2].由于其特有的性質,特別是室內短距離無線多址通信方面,近年來超寬帶通信技術受到學術界和產業界的廣泛研究和關注[3].

基于脈沖調制的UWB技術其信息調制方式的實現,主要有脈沖幅度調制PAM(pulse amp litude modulation)和脈沖位置調制PPM(pulse position modulation)兩種方式[4-6],文獻[7]提出了PAM-THUWB信號,本文在此基礎上引入了偏移量,提出了一種基于偏移量的PAM-TH-UWB信號構成的端到端通信,構造了信號發射系統,給出了聯合檢測系統結構,分析其RA KE接收機性能.

1 系統模型

1.1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的產生

超寬帶信號在室內環境中經多徑傳播會產生嚴重的時間彌散.采用RA KE接收是提高超寬帶接收機性能的重要手段.為了克服時間彌散,我們提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統,基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的產生如圖1所示.

圖1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號發射系統

給定待發射的二進制序列為b,其速率為Rb(B/s),每個比特重復Ns次,產生一個新的序列a,速率Rcb(B/s),c為偽隨機序列,d由a和c構成.再用序列a去調制這個跳時脈沖串.d輸入到PAM調制模塊后,得到速率為Rp(脈沖/s)的單位脈沖序列,p(t)為沖激響應.其中:

此信號的特點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模型簡介

Salen-Valenzula模型(簡稱S-V模型)[7]是一種描述多徑按簇分布現象的信道模型,在多數情況下,可以較好地擬合UWB信道中的實測數據.S-V模型使用兩個相互獨立的Poisson過程,分別描述簇的第一徑的到達和簇內多徑相對于其第一徑的到達.具體定義如下變量:

Tl為第l簇的第一徑的到達時間;τk,l為第l簇中的第k徑相對于其第一徑的到達時間;Λ為簇到達率;λ為簇內的徑的到達率.

因此,簇和徑的到達時間為:

第l簇中第k徑的幅度用βkl表示,βkl服從瑞利分布,按雙指數規律衰減,其均值為

1.2.2 IEEE 802-15.3a信道模型

基于對實測數據的分析,IEEE 802-15.3a提出了一組UWB室內信道模型,作為評估各種UWB系統方案的基礎.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數正態分布,這樣可更好地擬合實測數據.模型中的信道沖擊響應函數為[8]

其中:{αik,l}為信道的第i個實現中第l簇第k徑的增益系統;{Til}為第l簇的額外時延;{τik,l}為第l簇第k徑相對于第l簇第一徑的時延;{Xi}為信道的陰影衰落系數,是對數正態分布隨機變量.

1.3 RAKE接收機

根據IEEE 802-15.3a統計信道模型,對于基于偏移量的PAM-TH-UWB信號系統,在單用戶情況下,接收信號可以表示為[7]

其中:X為信道的對數正態分布幅度增益;ETX為每個脈沖的發射能量;αnk為第n簇內第k條路徑的信道系統;αj為第j個發射脈沖的幅度(在PPM情況下,αj=1);τnk為第n簇內第k條路徑的時延.

對于信道沖激響應的每一個實現,信道系統包含的能量歸一化,即

其中ERX=X2ETX是一個發射脈沖的總接收能量.

在IR-UWB系統中,脈沖持續時間達到納秒級,假設所有的多徑分量都互相不重疊,接收到的波形由相互獨立的分量組成.使用采用多個相關器RA KE接收機,分別與同一個發射脈沖波形的多個多徑分量相匹配,來實現對室內時間彌散的削減.這里,每個相關器與發送信號的一個多徑分量匹配,即RA KE接收機第j條支路的相關掩模m j(t)在時間上與發射符號的第j個時延多徑分量是對齊的,但RA KE接收機的使用增加了接收機的復雜性.為了降低復雜性,我們采用減少接收機處理多徑分量數目的方法.下面分三種情況進行分析:一是選擇所有的多徑分量,稱為理想RA KE(A-RA KE);二是從接收機輸入端獲得的N個多徑分量中選擇S個最好的分量,但需要一個選擇的過程,這種方式稱為選擇性RA KE(S-RA KE);三是沒有選擇過程,直接合并最先到達的P個多徑分量,稱為部分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,每個支路輸出乘以一個正比于該路信號幅度的權值;而EGC則不進行任何加權,將各支路輸出直接相加.

圖2 基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的聯合檢測系統

由于基于偏移量的PAM-TH-UWB信號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角度來處理這個信號.聯合檢測系統如圖2所示.

本文采用硬判決方法.在判決時,接收機對表示一個比特的Ns個脈沖進行N s個獨立的判決,最后的判決結果依據采用大數原則得到.將超過門限的脈沖數與低于門限的脈沖數比較,輸出大數對應的比特.令N1表示接收端0的數目,N2表示接收端1的數目,則當N1＞N2時,最終的估計比特為0,否則為1.

RA KE接收機的內部結構如圖3所示,m1(t),m2(t),…,mNs(t)表示只考慮位置因素得到的相關掩模,^b1表示只考慮位置因素得到的估計比特,設該RA KE接收機為RA KE接收機1;m′1(t),m′2(t),…,m′Ns(t)表示只考慮幅度因素得到的相關掩模,^b2表示只考慮幅度因素得到的估計比特.

圖3 RAKE接收機的內部結構

處理器的工作過程如下:當^b1=^b2時,表示兩種方法得到的估計比特一致,故最終的估計比特^b3=^b1.當^b1≠^b2時,表示兩種方法得到的估計比特不一致,這時,令N1表示RA KE接收機1接收端“0”的數目,N2表示RA KE接收機1接收端“1”的數目;N3表示RA KE接收機2接收端“0”的數目,N4表示RA KE接收機2接收端“1”的數目,則判決規則表達式如下:

RA KE接收機的內部使用了兩個不同的RA KE接收機,最終的判決結果通過處理器的聯合檢測算法得到,故這個系統稱為聯合檢測系統.

2 仿真結果與分析

聯合檢測系統中采用兩個RA KE接收機,再加上處理器的處理過程,最終會得到3個誤碼率,取其中的最小值作為整個系統的誤碼率BER.在單用戶情況下,對基于偏移量的PAM-TH-UWB系統采用RAKE接收機,其BER性能與碼重復編碼器冗余(表征為重復編碼器參數Ns)和RAKE接收機的支路數目有關.

理想RA KE接收機和選擇性RA KE接收機的BER性能與碼重復編碼器冗余的關系如圖4所示.通過在CM 1信道下的30次仿真結果得到的平均值可知,Prb隨Ex/N0的增加而下降;錯誤概率隨冗余(表征為重復編碼器參數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,選擇性RA KE接收機和部分RA KE接收機的BER性能與其支路數目關系如圖5所示.可見,理想RA KE接收機的誤碼率低于選擇性RA KE接收機,選擇性RA KE接收機低于部分RA KE接收機.

圖5 單用戶情況下基于偏移量的PAM-TH-UWB系統RAKE接收機的BER曲線

采用聯合檢測算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信號和PAM-DS-UWB信號的理想RA KE接收機和選擇性RA KE接收機的誤碼率之間的關系如圖6—7所示.

由此我們可以看出,采用聯合檢測算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的理想RA KE接收機和選擇性RA KE接收機的性能要優于PAM-DS-UWB信號,系統抗干擾能力有很好的改善.

圖6 兩種信號的A-RAKE誤碼性能比較

圖7 兩種信號的S-RAKE誤碼性能比較

3 結論

針對以往文獻中沒有引入偏移量的問題[9-11],本文提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統,分析了RA KE接收機的性能.仿真結果表明:采用基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系統后,整個通信系統性能隨信噪比的增加而提高;隨著碼重復編碼器冗余(表征為重復編碼器參數Ns)的增加,Prb與Ex/N0關系曲線呈下降趨勢,錯誤概率迅速下降.增加Ns的值能夠提高系統抗干擾能力,基于偏移量的PAM-TH-UWB信號的理想RA KE接收機和選擇性RA KE接收機的性能優于PAM-DS-UWB信號系統.

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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

國家高技術研究發展計劃(863)項目(2006AA 06Z114).

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

(責任編輯:陶 理)