摘 要：TR-UWB系統(tǒng)采用自相關(guān)接收檢測(cè)技術(shù)作為一種非最優(yōu)接收機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良。對(duì)TR-UWB系統(tǒng)的自相關(guān)接收檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，通過合并有限數(shù)目多徑信號(hào)以提高接收信號(hào)能量，同時(shí)對(duì)接收信號(hào)做平均處理抑制噪聲，從而提高系統(tǒng)性能。采用高斯近似法得到系統(tǒng)的誤碼率，最后在多徑信道環(huán)境下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了接收機(jī)性能的改進(jìn)和誤碼率分析的正確。

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關(guān)鍵詞：TR-UWB；自相關(guān)接收機(jī)；多徑；噪聲抑制

中圖分類號(hào)：TN914.53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-021-03

Performance of an Improved Autocorrelation Receiver for TR-UWB System

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ZHENG Jun，F(xiàn)AN Yan

(Zhejiang Forestry University，Lin′an，311300，China)

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Abstract：TR-UWB system uses Autocorrelation Receiver (AcR) as a suboptimal receiver for its simple structure and good performance.To improve the performance of the AcR，a limited number of multipath is combined and the received signal is averaged to suppress the noise.By using the Gaussian approximation，the BER of the improved AcR is obtained.Finally，a simulation is carried out under the multipath channel.According to the results，it is demonstrated that the performance improvement of the receiver and the correction of the BER analysis.

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Keywords：TR-UWB;autocorrelation receiver;multipath;noise suppression

1 引 言

UWB系統(tǒng)具有發(fā)射功率小、抗干擾性強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因而成為無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)的核心技術(shù)。

UWB系統(tǒng)通過直接發(fā)送納秒級(jí)的基帶窄脈沖序列傳輸數(shù)據(jù)。這樣的極窄脈沖具有很高的時(shí)間分辨率，為接收端利用多徑分集提高接收性能提供了條件。文獻(xiàn)［1-3］中提出的各種RAKE接收機(jī)都具有優(yōu)秀的性能，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

為了簡(jiǎn)化UWB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將TR(Transmitted Reference)信號(hào)模型運(yùn)用到UWB系統(tǒng)中形成TR-UWB系統(tǒng)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于，采用自相關(guān)接收機(jī)(Autocorrelation Receiver，AcR)檢測(cè)信號(hào)，不需要精確的時(shí)間同步，也不需要進(jìn)行信道估計(jì)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。自相關(guān)檢測(cè)雖然帶來了接收機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，但由于兩個(gè)脈沖信號(hào)都攜帶噪聲，導(dǎo)致接收性能相對(duì)RAKE接收機(jī)有所下降。文獻(xiàn)［3，4］為了抑制噪聲，對(duì)接收參考脈沖求平均后再與數(shù)據(jù)脈沖相關(guān)以提高檢測(cè)性能；文獻(xiàn)［5］則利用UWB信號(hào)的高分辨率，在自相關(guān)接收機(jī)中采用分集合并技術(shù)提高檢測(cè)性能，并提出了多種合并標(biāo)準(zhǔn)。

本文對(duì)自相關(guān)接收機(jī)的多徑合并，選取最先到達(dá)的數(shù)條多徑，而非文獻(xiàn)［5］中完成對(duì)全部多徑信號(hào)處理后再根據(jù)某一準(zhǔn)則進(jìn)行合并。因?yàn)殡S著延遲的增大，多徑衰落越來越嚴(yán)重，即先到達(dá)的多徑信號(hào)較強(qiáng)，后到達(dá)的信號(hào)較弱，所以只選取先到達(dá)的多徑信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。這樣可以簡(jiǎn)化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，有效降低信號(hào)處理的時(shí)間。同時(shí)，為了最大程度降低噪聲的影響，不僅對(duì)參考脈沖做平均處理，數(shù)據(jù)脈沖同樣也經(jīng)過平均，再讓兩者進(jìn)行相關(guān)。不同于文獻(xiàn)［3］中參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖來自兩個(gè)相鄰的比特，而選擇同一比特內(nèi)的脈沖，這樣的參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖經(jīng)歷同樣的衰減，相關(guān)性較強(qiáng)。

經(jīng)過改進(jìn)后的自相關(guān)接收機(jī)應(yīng)用到無線個(gè)人局域網(wǎng)信道模型IEEE802.15.4a^[6]中，通過分析與仿真，驗(yàn)證了其優(yōu)良的性能。

2 系統(tǒng)模型

2.1 信號(hào)模型

采用BPSK調(diào)制的經(jīng)典TR-UWB發(fā)射信號(hào)模型為：

其中，第一項(xiàng)表示發(fā)送的參考脈沖，第二項(xiàng)表示參考脈沖之后經(jīng)過BPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)脈沖，兩個(gè)脈沖起始時(shí)刻的間隔為Td，脈沖寬度為Tw；d|i/Ns|表示待發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過BPSK調(diào)制，映射為-1或1，[XC]iNs[XC]為取整操作；每個(gè)比特由連續(xù)的Ns個(gè)持續(xù)時(shí)間為Tf的幀構(gòu)成，以增加接收端接收到的信號(hào)能量。

經(jīng)典TR-UWB信號(hào)模型的一個(gè)缺點(diǎn)在于，兩個(gè)脈沖之間存在時(shí)間間隔，降低了數(shù)據(jù)傳輸率。為了提高數(shù)據(jù)率，將Td設(shè)置為脈沖寬度大小，即Td= Tw：





s(t)=∑∞i=0∑Ns－1j=0gtr(t－jTf)+d[XC；%30%30]i/Ns[XC；%30%30]gtr(t－jTf－Tw)

(2)



則兩個(gè)脈沖相繼發(fā)送，形成如圖1所示脈沖序列：

圖1 脈沖序列

2.2 信道模型

針對(duì)UWB的信道模型，IEEE信道模型分委會(huì)決定采用基于簇方式的模型。該模型借助于經(jīng)典的S-V模型，其主要特征是：來自同一個(gè)脈沖的多徑分量以簇的形式到達(dá)接收機(jī)，簇到達(dá)時(shí)間服從一個(gè)泊松到達(dá)過程；每一簇內(nèi)，相繼的多徑分量的到達(dá)時(shí)間服從另一個(gè)泊松到達(dá)過程。IEEE信道模型的沖激響應(yīng)為^[6]：



h(t)=X∑Ll=1∑K(l)k=1αk，lδ(t－Tl－τk，l)

(3)



其中，X表示服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的大尺度衰落，也稱陰影效應(yīng)；αk，l是第l個(gè)簇內(nèi)第k條多徑的幅度衰減系數(shù)；Tl為第l個(gè)簇的延遲，τk，l為第l個(gè)簇內(nèi)第k條多徑在該簇內(nèi)的延遲；L是接收到的簇的數(shù)目，K(l)是第l個(gè)簇內(nèi)的總多徑數(shù)目。為了表示簡(jiǎn)單，將該信道模型改寫為：

h(t)=∑Ll=1αlδ(t－τl)

(4)



L為總多徑數(shù)目，αl和τl分別表示第l條多徑的衰減和延遲。

TR-UWB信號(hào)經(jīng)過信道衰減后得到接收信號(hào)：



r(t)=s(t)h(t)+n(t)

(5)



其中，n(t)表示加性高斯白噪聲。

2.3 自相關(guān)接收機(jī)

對(duì)接收信號(hào)做自相關(guān)檢測(cè)前，先將信號(hào)通過濾波器濾除帶外噪聲。濾波后的接收信號(hào)為：



(t)=∑∞i=0∑Ns－1j=0∑Ll=0(t－jTf－τl)+

(t－jTf－Tw－τl)+(t)

(6)



自相關(guān)接收機(jī)框圖如圖2所示。

每一比特信息的判決變量，通過對(duì)NS個(gè)幀內(nèi)的全部多徑信號(hào)自相關(guān)后得到。即每一幀內(nèi)有：



Zj=∑Ll=1∫jTf+Tw+τl+TwjTf+Tw+τl(t－Tw)#8226;(t)dt

(7)



由NS個(gè)幀的相關(guān)結(jié)果求和得到判決變量：



Z=∑Ns－1j=0Zj

(8)



圖2 自相關(guān)接收機(jī)

3 改進(jìn)型自相關(guān)接收機(jī)

2.3中的自相關(guān)接收機(jī)有兩大缺點(diǎn)：第一，需要對(duì)每一幀的所有多徑信號(hào)進(jìn)行接收處理，使得處理時(shí)間太長(zhǎng)。UWB系統(tǒng)使用的納秒級(jí)窄脈沖具有極高的分辨率，從而其多徑信號(hào)數(shù)目很多，有時(shí)能達(dá)到數(shù)百個(gè)多徑。這些多徑信號(hào)中，先到達(dá)的多徑信號(hào)較強(qiáng)，隨著延遲的增大，信號(hào)越來越弱，接收這些弱信號(hào)對(duì)增加接收信號(hào)能量意義不大，只會(huì)增加接收處理時(shí)間，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的效率。第二，無法降低帶內(nèi)噪聲對(duì)接收機(jī)檢測(cè)性能的影響。FCC為了防止UWB脈沖信號(hào)對(duì)其他無線通信系統(tǒng)形成干擾，規(guī)定其發(fā)射能量極低，導(dǎo)致有用信號(hào)能量和噪聲能量同級(jí)，這對(duì)接收機(jī)尤其是對(duì)自相關(guān)接收的性能造成很大影響。自相關(guān)接收機(jī)直接對(duì)接收到的兩個(gè)信號(hào)做相關(guān)，而這兩個(gè)脈沖同時(shí)帶有噪聲，必然影響接收性能。因此，如何抑制噪聲的影響非常重要。

為克服上述缺點(diǎn)，對(duì)自相關(guān)接收機(jī)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。第一，放棄對(duì)全部多徑信號(hào)的處理，而只對(duì)每一幀內(nèi)先到達(dá)的有限條多徑進(jìn)行接收處理以提高接收機(jī)的處理速度。第二，由于帶內(nèi)噪聲是白噪聲，具有期望為零的統(tǒng)計(jì)特性，因此，為了抑制帶內(nèi)噪聲的影響，對(duì)每個(gè)比特內(nèi)所有的參考脈沖和數(shù)據(jù)脈沖分別取平均。

經(jīng)過低通濾波器后的接收信號(hào)為：



(t)=∑Ns－1j=0∑L(j)l=1αj，l(t－jTf－τj，l)+

diαj，l(t－jTf－Td－τj，l)+(t)

(9)



判決變量Z為：



Z=∫T0[HT3，10.]［[HT10.]1N∑Ns－1j=0∑L(j)l=1diαj，l(t－jTf－Td－τj，l)+ 

(t－jTf－Td－τj，l)[HT3，10.]］[HT10.]#8226;

[HT3，10.]［[HT10.]1N∑Ns－1j′=0∑L(j′)l′=1αj′，l′(t－j′Tf－τj′，l′)+

(t－j′Tf－τj′，l′)[HT3，10.]］[HT10.]dt

(10)



其中，N為接收到的多徑信號(hào)總數(shù)，N=∑jL(j)。積分式中第一個(gè)乘積項(xiàng)是經(jīng)過平均后的數(shù)據(jù)脈沖，第二項(xiàng)則是經(jīng)過平均處理后的參考脈沖，(t)依然是經(jīng)過濾波器后的零均值高斯白噪聲過程。為了分析得到該自相關(guān)接收機(jī)的誤碼性能，需要獲得判決變量的期望與方差，這兩個(gè)數(shù)字特征以某一信道實(shí)現(xiàn)為條件，分別為：

E［Z|U=u］=EpN2∑Ns－1j=0∑Ns－1j′=0∑L(j)l=1∑L(j′)l′=1diαj，lαj′，l′

(11)

Var［Z|U=u］=2N0WN3∑Ns－1j=0∑Ns－1k=0∑L(j)l=1∑L(k)m=1αj，lαk，mβ+

(N0W)2N2γ

(12)

TR-UWB系統(tǒng)最終的誤碼率與信道特征有關(guān)，要得到系統(tǒng)誤碼率，必須知道準(zhǔn)確的信道特征。但是信道特征也是一個(gè)隨機(jī)過程，并且難以用一個(gè)閉合的表達(dá)式來描述信道特征，因此系統(tǒng)的誤碼率最終也難以得到一個(gè)閉合形式：



Perror=P(Z|U=u)#8226;P(U=u)

(17)



4 系統(tǒng)仿真

脈沖信號(hào)采用二階導(dǎo)數(shù)高斯脈沖，脈寬Tw=05 ns，每比特包含Ns=20幀，為滿足IEEE802.15.4a對(duì)數(shù)據(jù)速率的限制^[7]，取每幀長(zhǎng)度Tf=200 ns，這一時(shí)間長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于信道最大延遲擴(kuò)展，減輕了ISI的影響。信道模型采用文獻(xiàn)［6］中IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)中的CM1信道模型，多徑數(shù)分別取1，3，5條。

圖3 CM1信道中的仿真結(jié)果與理論值

由圖3可知，理論誤碼率與仿真結(jié)果基本吻合，表明理論誤碼率式(13)正確。由圖4可知，改進(jìn)型自相關(guān)接收

機(jī)的誤碼率在單徑情況下(最下面一條曲線)已明顯低于

優(yōu)于單徑性能，因此，對(duì)自相關(guān)接收機(jī)改進(jìn)后，其誤碼率性能獲得了顯著提升。

圖4 傳統(tǒng)自相關(guān)接收機(jī)系統(tǒng)與改進(jìn)型

自相關(guān)接收機(jī)性能比較

5 結(jié) 語

針對(duì)TR-UWB系統(tǒng)所采用的自相關(guān)接收機(jī)的缺點(diǎn)，對(duì)其做相應(yīng)的改進(jìn)。合理利用UWB系統(tǒng)的多徑信號(hào)提高接收信號(hào)能量，并提升信號(hào)處理時(shí)間；同時(shí)針對(duì)信號(hào)中包含的噪聲，采用簡(jiǎn)單的算數(shù)平均加以抑制，提高接收機(jī)性能。通過分析，得到接收機(jī)的誤碼率，并與計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，該接收機(jī)的性能明顯優(yōu)于改進(jìn)前的接收機(jī)，并且，接收機(jī)的理論誤碼率與仿真結(jié)果一致。

綜上所述，通過對(duì)普通自相關(guān)接收機(jī)的改進(jìn)，在系統(tǒng)復(fù)雜度沒有增加的情況下，系統(tǒng)性能有了很大提升。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Win M Z，Scholtz R A.On the Energy Capture of Ultra-wide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments\\[J\\].IEEE Commun.Lett.，1998，2:245-247.



［2］Clessienne T，Yang Sheng.A Generalization of the Rake Receiver Performance.Proc.IEEE PIMRC04，2004，4:2 436-2 440.



［3］Choi J D，Stark W E.Performance of Ultra-wideband Communications with Suboptimal Receivers in Multipath Channels\\[J\\].IEEE Selec.Areas Commun.，2002，20:1 754-1 766.



［4］Quek T Q S，Win M Z.Ultrawide Bandwidth Transmitted-reference Signaling\\[C\\].Proc.IEEE Int.Conf.on Commun.，2004:3 409-3 413.



［5］Dong X，Lee A C Y，Xiao L.A New UWB Dual-pulse Transmission and Detection Technique\\[C\\].Proc.IEEE Int.Conf.on Commun.，2005:2 835-2 839.



［6］Molisch A F.Channel Model Subcommittee-final Report\\[R\\].IEEE802.15-04/535r0，2004.

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［7］Heile R F.MAC and PHY Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).http://standards.ieee.org/.

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作者簡(jiǎn)介 鄭 軍 男，1979年出生。主要從事通信理論研究。

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。