摘 要：主要針對(duì)IEEE802.15.3a工作組提出的UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型，在簡(jiǎn)述Rake接收機(jī)和相關(guān)掩模選取的基礎(chǔ)上，用圖解的方法分析單脈沖的發(fā)送、經(jīng)過信道及接收端采用Rake接收的全過程，主要從仿真方面分析比較典型TH-PPM-UWB系統(tǒng)接收端分別采用ARake，PRake和SRake接收的誤碼率，并對(duì)SRake不同分支數(shù)的誤碼率進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明采用選擇性Rake結(jié)構(gòu)可以有效降低誤碼率、提高系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論的分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：TH-PPM；ARake；PRake；SRake；誤碼率

中圖分類號(hào)：TN91123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0102805

Analysis of Rake Bit Error Ratio

TAN Hanhong1，ZHAO Xiang2

(1.Dongguan Nanbo Polytechnic College，Dongguan，523900，China;

2.Application Science Technology College，Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

Abstract：Based on the Intel model approved by the IEEE 802.15.SG3a group and the discussions of Rake receiver and correlation mask，the whole processing of transmitting，crossing UWB channel and Rake receiving of one bit is illustrated，the Bit Error Rate (BER) performance of ARake，PRake，SRake and the different numbers of SRake path for TH-PPM-UWB (time-hopping pulse position modulation ultra wideband) system are simulated and compared.The performance analysis of all kind of Rake receivers in certain channels is useful for applying of Rake receiver.The result indicates that Rake receiver can efficiently improve the performance of UWB system.The simulated results verify the conclusion of theory.

Keywords：TH-PPM;ARake;PRake;SRake;bit error ratio

1 引 言

UWB(Ultra Wideband，超寬帶)技術(shù)是目前正被廣泛研究的一種新興無線通信技術(shù)。對(duì)于通信系統(tǒng)，必須辯證地分析UWB信號(hào)的多徑分辨力。在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而UWB信號(hào)可以將他們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并，因此UWB系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗衰落能力。但UWB信號(hào)極高的多徑分辨力也導(dǎo)致信號(hào)能量產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)間彌散(頻率選擇性衰落)，接收機(jī)必須通過犧牲復(fù)雜度(增加分集數(shù))以捕獲足夠的信號(hào)能量，這將對(duì)接收機(jī)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在實(shí)際的UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須折衷考慮信號(hào)帶寬和接收機(jī)復(fù)雜度，得到理想的性價(jià)比。Rake接收技術(shù)是一種有效的抗衰落分集接收技術(shù)，可以捕獲盡可能多的信號(hào)能量，改善接收性能^[1，2]。

[JP2]文獻(xiàn)[3，4]討論了傳統(tǒng)的Rake接收機(jī)。對(duì)于Rake接收機(jī)來說，最理想的合并方式是采用ARake合并，然而這種方式將使用大量的相關(guān)器，使得其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性會(huì)大大增加，在現(xiàn)實(shí)中幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。采用PRake方式比采用SRake方式性能會(huì)有所下降，但其復(fù)雜性也隨之下降。復(fù)雜度和性能問題必須進(jìn)行綜合考慮，超寬帶無線電TH-PPM調(diào)制作為沖激無線電一種最為經(jīng)典的調(diào)制方式，目前文獻(xiàn)已經(jīng)作了大量的研究。文獻(xiàn)[5]主要討論了TH-PPM調(diào)制信號(hào)在多徑環(huán)境下的誤碼率問題。文獻(xiàn)[3]提供了在室內(nèi)UWB信道下自相關(guān)接收機(jī)和不同合并方式Rake接收機(jī)的單用戶PPM-UWB通信系統(tǒng)總體性能框架并仿真了誤碼率。文獻(xiàn)[6]用蒙特卡洛方法比較了統(tǒng)計(jì)抽頭延時(shí)線信道模型下ARake，PRake和SRake的性能。但這些文獻(xiàn)中采用的信道都不是IEEE802.15.3a的標(biāo)準(zhǔn)信道模型。典型的信道模型有根據(jù)1 GHz頻段實(shí)測(cè)結(jié)果建立的2 ns分辨率統(tǒng)計(jì)抽頭延時(shí)線(STDL)模型^[7]和Intel根據(jù)2~8 GHz實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出的0.167 ns分辨率S-V模型^[8]，后者被采納為IEEE802.15.3a的標(biāo)準(zhǔn)信道模型。[JP]

本文主要針對(duì)IEEE802.15.3a工作組提出的UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型，在簡(jiǎn)述Rake接收機(jī)和相關(guān)掩模選取的基礎(chǔ)上，用圖解的方法分析單脈沖的發(fā)送、經(jīng)過信道及接收端采用Rake接收的全過程，主要從仿真方面分析比較典型TH-PPM-UWB系統(tǒng)接收端分別采用ARake，PRake和SRake接收的誤碼率，并對(duì)SRake不同分支數(shù)的誤碼率進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明采用選擇性Rake結(jié)構(gòu)可以有效降低誤碼率、提高系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論的分析結(jié)論。

2 超寬帶系統(tǒng)模型描述

[BT3]2.1 發(fā)端模型

[BT4]2.1.1 TH-PPM-UWB發(fā)射信號(hào)仿真

典型的跳時(shí)脈沖位置調(diào)制(TH-PPM)信號(hào)是由一系列隨機(jī)時(shí)移的窄帶脈沖構(gòu)成。利用脈沖位置調(diào)制(PPM)方式，若數(shù)字信息為“1”脈沖有移位，若為“0”則脈沖不移位。采用跳時(shí)擴(kuò)頻技術(shù)，用PN碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，此時(shí)第k個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)可寫成^[9]：

制，當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，脈沖發(fā)送時(shí)間比調(diào)制數(shù)據(jù)為“0”時(shí)延遲δ秒。Tf一般遠(yuǎn)大于Tc，且Nh(huán)Tc≤Tf，保證每一幀只傳送一個(gè)脈沖波形。

[JP2]本實(shí)驗(yàn)TH-PPM-UWB無線通信系統(tǒng)中，比特重復(fù)數(shù)Ns=1即一個(gè)比特傳輸一個(gè)脈沖，比特重復(fù)周期Tb=20 ns，平均脈沖重復(fù)周期Tf=20 ns，單個(gè)UWB脈沖間隔為1 ns，即碼片周期Tc=1 ns，PPM調(diào)制位移時(shí)間δ=0.5 ns，TH碼元素上界值Nh(huán)為4。PPM-TH發(fā)射機(jī)波形如圖1所示，假設(shè)0比特沒有位移，1比特有位移，從圖可以看出信息比特為[1 0 0 0 1 …]，跳時(shí)碼為[4 4 4 3 4 …]。[JP]

圖2和圖3是在實(shí)驗(yàn)室收發(fā)天線距離1 m內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的TH-PPM-UWB系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)波形和接收信號(hào)波形，TH-PPM信號(hào)頻率為512 kHz。實(shí)驗(yàn)中發(fā)射信號(hào)單脈沖寬度約為0.5 ns，幅度約為3 V。實(shí)測(cè)接收信號(hào)脈沖寬度展寬，幅度約為100 mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接收脈沖波形類似于高斯脈沖的二階導(dǎo)數(shù)波形，并且脈寬展寬、幅度衰減。

[BT3]2.2 超寬帶室內(nèi)多徑信道模型

在對(duì)UWB信道脈沖響應(yīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行仿真時(shí)，加上小尺度衰落中沒有的特性，即在各次實(shí)現(xiàn)之間考慮對(duì)數(shù)正態(tài)陰影的影響，這樣得到空間上的平均PDP，當(dāng)考慮對(duì)數(shù)正態(tài)陰影的影響時(shí)，UWB多徑信道的離散時(shí)間脈沖響應(yīng)為下列形式^[2]：

一般Rake接收機(jī)由搜索器(Searcher)、解調(diào)器(finger)、合并器(Combiner)三個(gè)模塊組成。搜索器完成多徑搜索，找出能量相對(duì)較大的多徑，主要原理是利用碼的自相關(guān)及互相關(guān)特性。解調(diào)器完成多徑信號(hào)的解擴(kuò)、解調(diào)，解調(diào)器的個(gè)數(shù)決定了解調(diào)的多徑數(shù);合并器完成多個(gè)解調(diào)器輸出信號(hào)的合并處理，通用的合并算法有選擇式相加合并、等增益合并和最大比合并3種。圖4顯示了Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)，圖中τ與α分別代表多徑的時(shí)延和幅度。

Rake接收機(jī)必須知道構(gòu)成接收信號(hào)的多徑分量的時(shí)間分布。任務(wù)的完成，需要給Rake提供掃描信道沖激響應(yīng)、捕獲、調(diào)整某些多徑分量時(shí)延的能力。如果相關(guān)器采用MRC方法，調(diào)整加權(quán)因子時(shí)也必須知道多徑分量的幅度值。這一任務(wù)使用信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)完成。

其中，wj是第j個(gè)分量的加權(quán)系數(shù)，τj表示第j條路徑的傳播時(shí)延，m(t)是在AWGN情況下傳輸符號(hào)的相關(guān)掩模。

相關(guān)掩模中的加權(quán)系數(shù)的選取與Rake接收機(jī)的合并方式有關(guān)。常用的Rake接收機(jī)的合并方式有等增益合并(EGC)，最大比合并(MRC)等。如果相關(guān)器采用MRC方法，調(diào)整加權(quán)因子時(shí)必須知道多徑分量的幅度值。而相關(guān)掩模中的傳播時(shí)延要求Rake接收機(jī)必須知道構(gòu)成接收信號(hào)的多徑分量的時(shí)間分布。多徑分量的幅度值和多徑分量的時(shí)間分布，這些任務(wù)的完成，需要給Rake提供掃描信道沖激響應(yīng)、捕獲、調(diào)整某些多徑分量時(shí)延的能力，即需要進(jìn)行信道估計(jì)，而精確信道估計(jì)往往很困難，復(fù)雜度高，成本高。

(1) EGC情況

wj是第j個(gè)分量的加權(quán)系數(shù)wj=1。等增益合并的加權(quán)系數(shù)不需要信道估計(jì)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但性能差。

(2) MRC情況

有3種方式選擇多徑進(jìn)行合并，即ARake，SRake和PRake。

ARake(All Rake)：把接收端接收到的所有多徑分量都進(jìn)行處理。wj是第j個(gè)多徑分量的幅度值，j取1到接收端接收到的多徑數(shù)。因而這種方式具有非常龐大數(shù)目的相關(guān)器，這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中是不可行的。

SRake(Selective Rake)：選擇所有可用的多徑中的具有較強(qiáng)能量的徑進(jìn)行合并。wj是第j個(gè)多徑分量的幅度值，j取1到選擇合并的多徑數(shù)。這種接收機(jī)能夠最大限度地使用相關(guān)器，在成本和性能之間選擇了較好的折中，因而得到廣泛采用。

PRake(Partial Rake)：沒有選擇過程，直接合并最先達(dá)到的幾個(gè)徑進(jìn)行接收。wj是第j個(gè)多徑分量的幅度值，j取1到部分合并的多徑數(shù)。這合并方式的好處是帶來實(shí)際復(fù)雜度的降低。

3 圖解Rake接收

現(xiàn)用圖解的方法分析單個(gè)比特脈沖的發(fā)送、經(jīng)過信道及接收端采用Rake接收的全過程。與上述假設(shè)一致，比特重復(fù)數(shù)Ns=1即一個(gè)比特傳輸一個(gè)脈沖，比特重復(fù)周期Tb=20 ns，平均脈沖重復(fù)周期Ts=20 ns，單個(gè)UWB脈沖間隔為1 ns即碼片周期Tc=1 ns，PPM調(diào)制位移時(shí)間dppm=0.5 ns，TH碼元素上界值Nh(huán)為4 ns。假設(shè)0比特沒有位移，1比特有位移。PPM-TH發(fā)射信號(hào)波形如圖5所示，從圖可以看出，發(fā)射比特為1，TH碼為0。

CM1的離散時(shí)間脈沖響應(yīng)如圖6所示，圖6(b)為圖6(a)的放大圖。發(fā)射信號(hào)在傳播過程中遭受多徑及衰減，接收信號(hào)如圖7所示，圖7(a)為未加噪聲的接收信號(hào)。若引入噪聲，在這取信噪比Eb/N0為0 dB，經(jīng)多徑及衰減并引入噪聲的信號(hào)如圖7(b)。

式中，wj是第j個(gè)多徑分量的幅度值。本實(shí)驗(yàn)平均脈沖重復(fù)周期Ts=20 ns，相關(guān)掩模的觀察時(shí)間取到20 ns。τj表示第j條路徑的傳播時(shí)延，m(t)是在AWGN情況下傳輸符號(hào)的相關(guān)掩模，wj和τj經(jīng)過信道估計(jì)得到，ARake，j取1到接收端接收到的多徑數(shù)；SRake，j取1到選擇合并的多徑數(shù);PRake，j取1到部分合并的多徑數(shù)。CM1離散時(shí)間脈沖響應(yīng)如圖6所示，選擇合并的多徑數(shù)S=4，部分合并的多徑數(shù)L=4，則ARake，SRake和PRake的相關(guān)掩模分別如圖8(b)，(c)和(d)所示。

在TH-PPM-UWB系統(tǒng)，根據(jù)Rake接收機(jī)采用的不同合并方式，選擇與之相對(duì)應(yīng)不同的相關(guān)掩模與經(jīng)多徑、衰落并加入噪聲的接收信號(hào)相乘，得到Rake合并器輸出的判決變量，他被送到檢測(cè)器判決。若檢測(cè)器檢測(cè)總的能量大于0，該接收符號(hào)被判決為1；若檢測(cè)器檢測(cè)總的能量小于0，該接收符號(hào)則被判決為0。這就完成單個(gè)符號(hào)的發(fā)射和接收。

4 TH-PPM-UWB系統(tǒng)Rake接收仿真結(jié)果

[BT4]4.1 MRC合并與EGC合并性能比較

下面仿真比較TH-PPM-UWB系統(tǒng)接收端采用MRC和EGC兩種合并方式的Rake接收性能。圖9是不同信道下采用不同合并方式的性能比較圖。圖9(a)是CM1下進(jìn)行MRC合并與EGC合并性能比較圖。圖9(b)是MRC合并在CM1，

[GK!4]CM4下的性能比較圖。

觀察圖9可以看出，對(duì)于同樣的信噪比，AWGN環(huán)境下的差錯(cuò)率最低，其次是進(jìn)行MRC合并的，最差的是EGC合并。這是由于MRC對(duì)收集到的多徑進(jìn)行加權(quán)，從而獲得較低的差錯(cuò)率，但MRC的缺點(diǎn)就是需要有精確的信道估計(jì)，從而有較為復(fù)雜的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。在我們?cè)O(shè)計(jì)的Rake接收機(jī)中，為了獲得較好的性能，采用MRC合并。采用MRC合并時(shí)，CM1的性能明顯比CM4的性能要好，[HK]CM4是存在25 ns延時(shí)的極限非視距信道模型。

[BT4]4.2 ARake，SRake和PRake性能比較

由以上分析可知，在MRC中，有3種方式選擇多徑進(jìn)行合并，即ARake，SRake和PRake，下面分析一下他們的優(yōu)缺點(diǎn)：

ARake把接收端接收到的所有多徑分量都進(jìn)行處理，因而這種方式具有非常龐大數(shù)目的相關(guān)器，這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中是不可行的。

SRake選擇所有可用的多徑中的具有較強(qiáng)能量的徑進(jìn)行合并，這種接收機(jī)能夠最大限度地使用相關(guān)器，在成本和性能之間選擇了較好的折中，因而得到廣泛采用。這種方法的缺點(diǎn)在于需要較為準(zhǔn)確的信道估計(jì)，而非常精確信道估計(jì)往往很困難。

PRake沒有選擇過程，直接合并最先達(dá)到的幾個(gè)徑進(jìn)行接收，帶來實(shí)際復(fù)雜度的降低。

圖10是不同信道下采用理想、選擇性和部分Rake接收的性能比較圖。圖10(a)，(b)分別比較了在CM1，CM4下接收端采用MRC理想Rake接收，8支路選擇性Rake，4支路選擇性Rake，8支路部分Rake和4支路部分Rake接收時(shí)的誤碼率比較。圖11是在CM1下分別選擇2條徑、3條徑、4條徑、8條徑、10條徑與采用AWGN接收進(jìn)行比較的示意圖。通過觀察可以看出，收集2條徑，3條徑性能較之收集4條徑，8條徑，10條徑等為差，說明收集的徑數(shù)越多，收集的能量越多，判斷信息越準(zhǔn)。而且收集4條徑、8條徑、10條徑幾條線幾乎重合到了一起，說明這時(shí)多收集的幾條徑的能量相當(dāng)小，對(duì)判斷信息影響不大。

5 結(jié) 語

本文主要針對(duì)IEEE802.15.3a工作組提出的UWB標(biāo)準(zhǔn)信道模型，研究典型TH-PPM-UWB系統(tǒng)接收端采用不同的多徑合并方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響。正如仿真結(jié)果所示，采用最大比Rake接收要比等增益接收性能好，而超寬帶信號(hào)經(jīng)過超寬帶采用最大比ARake接收時(shí)要比經(jīng)過加性高斯白噪聲信道的性能稍差。ARake接收在實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)，可以采用SRake接收或PRake接收，SRake和PRake性能與支路數(shù)有關(guān)，SRake要優(yōu)于PRake。采用SRake時(shí)，對(duì)于CM1信道，大概3條較強(qiáng)徑就可以達(dá)到大部分能量的收集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論的分析結(jié)論。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

譚漢洪 女，1979年出生，廣東東莞人，桂林電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)生。主要從事超寬帶通信方面的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>