摘 要:依據(jù)混沌序列碼元豐富，抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)良的相關(guān)特性和白噪聲統(tǒng)計(jì)特性，采用改進(jìn)型Logistic映射迭代產(chǎn)生的混沌序列作為擴(kuò)頻序列，提出了多徑信道下混沌UWB通信系統(tǒng)。針對(duì)該系統(tǒng)Rake接收機(jī)的性能進(jìn)行分析，重點(diǎn)仿真了不同信道、不同支路、不同擴(kuò)頻碼情況下的Rake接收機(jī)性能，由分析和仿真可知，系統(tǒng)性能得到了改善，抗干擾能力增強(qiáng)。關(guān)鍵詞:混沌; 超寬帶; CDS-PAM; Rake接收機(jī)

中圖分類號(hào):TN925-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)21-0024-04

Performance Analysis for Rake Reciever of UWB Radio System Based on Logistic Sequences

JIANG Chun-Yan1，2， GU Li-min2

(1. Jiangsu Radio and TV University， Nanjing 210017， China; 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

Abstract: Because chaotic sequence has rich code elements and good capability of anti-jamming， the properties of good correlation and white noise statistician， the chaotic sequences are created by iteration methods based on advanced Logistic-map， and they are applied in the UWB system under multipath channel model， then the performance of the system uses Rake receiver is analyzed. The performance of Rake receiver under different channels and different spread-spectrum sequence is discussed. The results indicate that the chaotic sequence can improve the performance of UWB system， and the capability of anti-jamming is good.

Keywords: chaos; UWB; CDS-PAM; Rake receiver

0 引 言

超寬帶無線通信技術(shù)是利用納秒至皮秒級(jí)的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，它具有傳輸速率高、功耗低、安全性好、抗多徑能力強(qiáng)以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)短距離高速無線通信和精確定位等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

超寬帶通信主要工作在室內(nèi)環(huán)境中，信號(hào)傳播時(shí)受到許多干擾物體的影響，多徑的存在會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)的性能[3-8]。為了減小其影響，本文主要研究了混沌超寬帶通信系統(tǒng)，用非線性映射的混沌序列來代替超寬帶通信中的偽隨機(jī)碼，分析了多徑信道模型下Rake接收機(jī)的性能，使系統(tǒng)性能得到提高?；煦缧蛄袛?shù)目眾多，并具有優(yōu)良的相關(guān)特性和類似白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性[9-10]，這使得混沌超寬帶通信系統(tǒng)具有低截獲率，能更有效地抵抗窄帶干擾和多徑干擾。

1 混沌序列及其相關(guān)特性

在混沌超寬帶通信系統(tǒng)中，混沌序列性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。適合于實(shí)際通信系統(tǒng)的混沌序列應(yīng)具有下列基本特性:

(1) 具有尖銳的自相關(guān)函數(shù)和接近于零的互相關(guān)函數(shù);

(2) 具有高復(fù)雜性和足夠長的碼周期，能抗偵破和抗干擾;

(3) 易于產(chǎn)生、加工、復(fù)制和控制;

(4) 具有較多獨(dú)立地址，能實(shí)現(xiàn)碼分多址。

對(duì)于以上幾點(diǎn)要求，這里采用改進(jìn)型Logistic映射數(shù)字化產(chǎn)生混沌序列，其表達(dá)式為:



yk+1=f(yk)=1-2(yk)2， yk∈(-1，+1)

(1)

改進(jìn)型Logistic映射迭代產(chǎn)生的混沌序列均值為零，自相關(guān)是δ函數(shù)，互相關(guān)值為零，其統(tǒng)計(jì)特性與零均值白噪聲一致。其相關(guān)特性和功率普密度仿真結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

2 混沌超寬帶通信系統(tǒng)

圖3為多徑信道下混沌超寬帶通信系統(tǒng)框圖。因DS-PAM技術(shù)的抗干擾性能優(yōu)于TH-PPM技術(shù)，在發(fā)射機(jī)部分，混沌序列生成后，系統(tǒng)采用CDS-PAM調(diào)制。下面具體介紹CDS-PAM超寬帶信號(hào)模型、IEEE UWB多徑信道模型和Rake接收機(jī)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

圖1 混沌序列的相關(guān)特性圖

圖2 混沌序列的功率譜密度

圖3 多徑信道下混沌超寬帶通信系統(tǒng)框圖

2.1 改進(jìn)的CDS-PAM超寬帶信號(hào)模型

在混沌超寬帶通信系統(tǒng)中，首先把Logistic映射迭代產(chǎn)生的混沌序列作為直擴(kuò)碼，再利用混沌碼對(duì)二進(jìn)制序列進(jìn)行編碼來調(diào)制發(fā)射脈沖信號(hào)的幅度。其發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)表達(dá)式為:

S(k)TX(t)=∑∞j=-∞E(k)TXd(k)jp0(t-jTS)(2)

式中:d(k)j為第k個(gè)用戶的混沌調(diào)幅碼，dj=ajcj，其元素值為±1，c(k)j是混沌跳時(shí)碼，a(k)j是第k個(gè)用戶的第j個(gè)脈沖傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)值(取值為1或者0);E(k)TX是每個(gè)脈沖攜帶的能量;p0(t)是基本脈沖經(jīng)過能量歸一化后的波形;TS是脈沖重復(fù)周期。

2.2 IEEE多徑信道模型

混沌超寬帶室內(nèi)信道模型采用IEEE 802.15.3a提出的修正(S-V)多徑信道模型。該模型中多徑振幅衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，多徑分量的衰落相互獨(dú)立，其信道沖激響應(yīng)可以表示為:

h(t)=X∑Nn=1∑K(n)k=1αnkδ(t-Tn-τnk)(3)

式中:X為對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量，代表信道的幅度增益;N為觀測(cè)到的簇的數(shù)目;K(n)為第n簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目;αnk為第n簇中第k條路徑的系數(shù);Tn為第n簇到達(dá)時(shí)間;τnk為第n簇中第k條路徑的時(shí)延。

根據(jù)信道環(huán)境的特征分為4種典型的信道模型，分別記為:

CM1:0~4 m的有直達(dá)徑信道(LOS);

CM2:0~4 m的無直達(dá)徑信道(NLOS);

CM3:4~10 m的無直達(dá)徑信道(NLOS);

CM4:嚴(yán)重多徑信道環(huán)境。

2.3 Rake接收

在混沌超寬帶通信中，接收信號(hào)包含了大量的多徑分量，因此可以通過多徑分量能量的組合來提高接收機(jī)的信噪比，Rake接收機(jī)能夠完成這一功能的接收技術(shù)。它是使用一組相關(guān)器，對(duì)每個(gè)多徑分量使用一個(gè)相關(guān)接收機(jī)，各相關(guān)接收機(jī)與被接收的信號(hào)的多徑分量之一進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，然后將這些相關(guān)接收機(jī)的輸出根據(jù)其相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)，并把加權(quán)后的每路輸出合并成一個(gè)輸出信號(hào)。系統(tǒng)中的分集合并技術(shù)采用最大比合并(MRC)方式，即加權(quán)系數(shù)是基于每個(gè)相關(guān)器輸出的功率或信噪比(SNR)來確定的。

由于Rake接收機(jī)要在其性能和復(fù)雜度之間做一個(gè)平衡，因此可以有不同的多徑選擇方案:

(1) 完全A-Rake接收機(jī)，它組合所有的可分辨多徑分量，其性能相對(duì)較好，但接收機(jī)的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜;

(2) P-Rake接收機(jī)，它選擇前面到達(dá)的數(shù)個(gè)多徑分量，接收機(jī)不對(duì)多徑做選擇，其結(jié)構(gòu)比較簡單;

(3) S-Rake接收機(jī)，它從接收的多徑分量中選擇幾個(gè)最好的L個(gè)分量，經(jīng)MRC技術(shù)進(jìn)行合并，接收機(jī)要對(duì)多徑分量做選擇。

2.4 系統(tǒng)性能分析

對(duì)圖3多徑信道混沌超寬帶通信系統(tǒng)進(jìn)行分析，經(jīng)過多徑信道后的信號(hào)可表示為:



r(t)=s(t)*h(t)+n(t)=∑Nmaxl=1sl(t)+n(t)

=∑Nmaxl=1αls(t-τl)+n(t)(4)

式中:s(t)為系統(tǒng)發(fā)送的混沌超寬帶調(diào)制信號(hào);h(t)為多徑信道沖激響應(yīng)。設(shè)多徑分量信道估計(jì)后，其向量為=(1，2，…，Nmax)，選出L個(gè)能量最強(qiáng)的多徑分量為:



(α1，α2，…，αL)=argmax[abs(1，2，…，Nmax)](5)

再按順序以(α1，α2，…，αL)為加權(quán)系數(shù)求和，實(shí)現(xiàn)最大信噪比合并。信道沖激響應(yīng)能量最強(qiáng)的L個(gè)多徑分量的能量和表示為Gc=∑Lk=1α2k。

接收端在t=nTS時(shí)刻對(duì)L個(gè)相關(guān)器的輸出進(jìn)行抽樣，對(duì)于任一個(gè)支路k，其相關(guān)器輸出可表示為:



yk(nTS)=∫TS0sk(t)*αkm(t)dt

=∫TS0[αks(t-τk)+n(t)]*αkm(t)dt(6)

式中:m(t)為調(diào)制方式下的模板信號(hào)。上述相關(guān)器的輸出信噪比為:

rk=Eb(1-ρ)N0α2(7)

式中:ρ為波形的相關(guān)函數(shù)。L個(gè)支路相關(guān)器的輸出合并后，輸出總信噪比為:

SNRout=E(1-ρ)N0Gc(8)

其誤比特率為:

Pber(e/h)=12erfcEb(1-ρ)2N0Gc

(9)

對(duì)于A-Rake接收機(jī)，其誤比特率為:

Pber(e/h)=12erfcEb(1-ρ)2N0total

(10)

因在室內(nèi)多徑環(huán)境下Gc為一個(gè)隨機(jī)變量，對(duì)于S-Rake接收機(jī)，其誤比特率為:

Pb=∫10P(Gc)12erfcEb(1-ρ)2N0GcdGc

(11)

2.5 性能仿真與比較

在仿真中，超寬帶波形選用二階高斯脈沖，脈沖形成因子τ=0.25 ns，脈沖寬度Tm=0.5 ns，發(fā)射功率為-30 dB，采樣頻率為fc=50e+9 Hz，發(fā)送數(shù)據(jù)比特為100 000個(gè)，碼片寬度Tc=1e-9，幀寬度Tf=50e-9，混沌序列采用改進(jìn)型Logistic映射，初始值chaos(1)=0.49。

理論分析中，在相同支路L的情況下，S-Rake接收機(jī)比P-Rake接收性能好，圖4分析了不同支路時(shí)采用A-Rake接收機(jī)和S-Rake接收機(jī)的誤碼性能。仿真實(shí)驗(yàn)中采用CM1信道模型，混沌超寬帶系統(tǒng)的調(diào)制方式為CDS-PAM調(diào)制。

由圖4可知，A-Rake接收機(jī)性能要比S-Rake接收機(jī)的性能好，后者性能與收集的多徑支路有關(guān)，徑數(shù)越多，接收機(jī)的性能越好，并且隨著多徑支路的增加，性能增加的幅度減緩。

圖5給出了同支路情況下，Rake接收機(jī)在4種信道模型的性能比較。由圖可知CM1和CM2信道性能相差不大，CM4信道狀況最惡劣，在相同的信噪比的條件下，系統(tǒng)的性能最差。

圖4 CM1信道下CDS-PAM-UWB

選擇Rake性能曲線

圖5 不同信道對(duì)Rake接收機(jī)的影響

圖6給出混沌超寬帶通信系統(tǒng)和采用偽隨機(jī)碼的超寬帶通信系統(tǒng)性能比較。仿真結(jié)果說明采用混沌序列的超寬帶系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的偽隨機(jī)碼，這與前面分析的結(jié)論一致。

圖6 不同擴(kuò)頻碼對(duì)系統(tǒng)的性能影響

3 結(jié) 論

基于改進(jìn)型Logistic映射迭代產(chǎn)生的混沌序列，提出混沌超寬帶通信系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)在多徑衰落信道中的Rake接收機(jī)性能。通過理論分析和仿真比較了不同的多徑選擇策略下系統(tǒng)的誤碼率性能，可以看出A-Rake接收機(jī)性能好于S-Rake接收機(jī)，S-Rake接收機(jī)徑數(shù)越多，接收機(jī)的性能越好;同支路情況下CM1和CM2信道性能相差不大，CM4信道狀況最惡劣;采用混沌序列的超寬帶系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的偽隨機(jī)碼。因此混沌序列作為擴(kuò)頻碼，易于產(chǎn)生，可提供更多的用戶容量，并且其優(yōu)良的相關(guān)特性，可減少多徑干擾，提高系統(tǒng)性能。

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