(解放軍信息工程大學 通信工程系,鄭州 450002)

1 引 言

超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)無線通信技術近年來興起并快速發(fā)展，是當前國際研究的熱點之一。作為非頻率侵占性的極低譜密度傳輸方式，擁有至少500M信號帶寬的超寬帶技術以低功耗、低成本、與現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜共享等諸多優(yōu)點，具有獨特而廣闊的應用前景。

發(fā)送參考(Transmitted Reference)體制的檢測結(jié)

構(gòu)因避免了復雜的信道估計,在超寬帶系統(tǒng)中得到廣泛的研究和應用，其具有時域、頻域及碼域參考3種具體的實現(xiàn)方式。文獻[1]和文獻[2]分別提出了基于時延發(fā)送參考(Transmitted-Reference，TR)和基于微小頻偏發(fā)送參考(Slightly Frequency-Shifted Reference，F(xiàn)SR)的UWB系統(tǒng)；文獻[3]提出了一種基于正交碼發(fā)送參考(Code-Orthogonalized Transmitted-Reference，COTR)的UWB系統(tǒng)；文獻[4]提出了基于碼分多路發(fā)送參考(Code-Multiplexed Transmitted-Reference，CM-TR)的UWB系統(tǒng)，并給出了碼序列優(yōu)化選擇方法；文獻[5]將文獻[3]和[4]通稱為碼參考(Coded-Reference，CR)UWB系統(tǒng)，并指出文獻[5]中的CR-UWB接收機是接近最優(yōu)的低復雜度實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

Chirp-UWB作為典型的載波調(diào)制UWB系統(tǒng)以載波頻帶選擇靈活、發(fā)射效率高等突出優(yōu)點在超寬帶領域日益得到重視。Chirp信號用于通信領域的想法首先由M.Winkler[6]于1962年提出。在傳統(tǒng)的Chirp信號傳輸接收結(jié)構(gòu)中，接收端多采用模擬聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件，利用Chirp信號良好的自相關性進行相干匹配濾波，完成信號檢測，即CSS(Chirp Spectral Spread)技術。但對于Chirp-UWB信號，信號的實際帶寬一般不小于500 MHz，聲表面波模擬器件動態(tài)范圍太大，硬件實現(xiàn)困難，并且對后端采樣率要求過高，信號精度較難保證。

Chirp-COTR-UWB將Chirp-UWB信號與碼域參考相結(jié)合，發(fā)揮了兩者的優(yōu)點，進一步擴展了UWB系統(tǒng)的應用領域。文獻[7]借鑒雷達信號處理中的去斜脈沖壓縮(De-chirp)方法和碼發(fā)送參考原理，采用有源頻譜壓縮(Active Spectrum Compression，ASC) 結(jié)構(gòu)完成Chirp-COTR-UWB信號的檢測。系統(tǒng)接收端采用非相干檢測的能量判決方法，引入了噪聲平方項的干擾分量，影響了系統(tǒng)解調(diào)性能。

傳統(tǒng)的TR-UWB接收機分為簡單的TR-接收機(STR)[8-9]和平均TR-接收機(ATR)[9]，其中，STR的本地模版信號為幀內(nèi)參考脈沖，ATR則取幾個參考信號的均值作為新的參考信號，雖未提高數(shù)據(jù)速率和能量利用率，但是通過降低參考信號中的噪聲能量達到了改善檢測性能的目的。

鑒于COTR信號的特點，傳統(tǒng)累加方法并不適用。為此，本文在Chirp -COTR-UWB解調(diào)結(jié)構(gòu)的基礎上，借鑒ATR接收機的思想，提出了基于反饋平衡累加的ACOTR檢測方法，對本地模板的噪聲影響進行抑制，達到了提高接收端系統(tǒng)檢測性能的目的。

2 ASC-Chirp-COTR-UWB系統(tǒng)模型

x(t)=(blCI+CQ)g(t)cos(2πf0t+πμt2)

(1)

圖1 ASC-Chirp-COTR-UWB發(fā)射機模型Fig.1 ASC-Chirp-COTR-UWB transmitter model

圖2 ASC-Chirp-COTR-UWB接收機模型Fig.2 ASC-Chirp-COTR-UWB receiver model

加性高斯白噪聲條件下，經(jīng)過圖 2接收機的去斜脈沖壓縮處理及理想低通濾波后，輸出信號的表達形式為

r(t)=(blCI+CQ)g(t)/2+n′(t)/2

(2)

式中，噪聲分量n′(t)可以近似看作均值為零、方差為δ2=N0W(W為理想低通濾波器帶寬)的窄帶高斯噪聲，其發(fā)射和低通濾波輸出信號形式如圖3所示。

圖3 發(fā)射信號及低通輸出信號r(t)Fig.3 Transmitting signal and low pass signal r(t)

對于二碼片擴頻的ASC-COTR-UWB系統(tǒng)和脈沖結(jié)構(gòu)下的COTR系統(tǒng)，其誤碼率分別為

(3)

(4)

3 基于反饋平衡累加的檢測方法分析

參考TR-UWB結(jié)構(gòu)的定義，上一節(jié)給出的COTR檢測結(jié)構(gòu)可以稱為Chirp-SCOTR-UWB結(jié)構(gòu)，其直接使用幀內(nèi)的參考信號作為本地模板。由公式(3)、(4)可知，脈沖COTR-UWB系統(tǒng)誤碼率性能受噪聲的乘積項的影響較大，去斜處理的超寬帶系統(tǒng)性能也在很大程度上受到噪聲的影響。如圖 4所示，COTR信號的碼元速率為1 Mbit/s，Chirp-UWB信號產(chǎn)生的的擴頻增益G=BT/Rc=500/2=250，即26.98 dB的總擴頻增益。由仿真結(jié)果可見，當誤碼率為10-3時，系統(tǒng)信噪比約為-16 dB。在不考慮擴頻增益的情況下，采用該Chirp-SCOTR-UWB接收結(jié)構(gòu)時，碼域參考Chirp-UWB信號的檢測性能與差分BPSK相比約低3 dB,與相干BPSK相比約低4 dB。

圖4 二碼片Chirp-COTR-UWB性能仿真Fig.4 The performance of two-chip Chirp-COTR-UWB

采用Chirp-SCOTR-UWB檢測結(jié)構(gòu)時，數(shù)據(jù)信號與參考信號在碼域上進行參考，噪聲平方項影響了信號檢測性能，由誤碼率性能可知，其引入了近1 dB的額外性能損失。采用多位Walsh碼進行碼參考的時侯，在總擴頻增益不變的條件下，隨著系統(tǒng)一次擴頻帶寬W的增大，引入的噪聲乘噪聲項將導致系統(tǒng)的接收性能進一步惡化。因此，構(gòu)建較為理想的信號碼域參考模板，有效抑制信號噪聲平方項是亟待解決的問題。

對于慢衰落信道，可以認為單個Chirp-COTR-UWB符號內(nèi)的信道響應保持不變，且相鄰符號的信道傳輸函數(shù)近似相等，且信道疊加的高斯白噪聲經(jīng)過低通濾波輸出的噪聲分量在任意兩個不同碼片上不相關。由于Chirp-COTR-UWB信號每幀內(nèi)只發(fā)送一個信息符號，所以需要對多個接收信號進行存儲后進行累加構(gòu)建模板，將幾個參考信號取均值后作為新的參考信號。雖然采用該方法數(shù)據(jù)速率和能量利用率沒有提高，但通過降低參考信號中的噪聲能量達到了改善檢測性能的目的。

傳統(tǒng)的平均降噪將參考支路信號進行累加得到提純的信道模板，但對于Chirp-COTR-UWB信號的碼域參考結(jié)構(gòu)的發(fā)送方式，其采用的是脈位調(diào)制的非相干檢測系統(tǒng)(即采用了差分的能量判決法)，接收到的是位于信號的不同碼片的并行模板。在進行模板提純的時候，需要根據(jù)接收符號從不同的碼片取出參考模板進行累加。如果直接采用多符號累加結(jié)構(gòu)，將會因不同碼片的模板疊加數(shù)量不同而使得累加結(jié)果不適合作為信號提純參考模板。更加極端的情況就是，在通信傳輸過程中，如果連續(xù)接收到相同的信息符號，即常1或常-1，將會嚴重影響信號解調(diào)。

設連續(xù)N個信號低通輸出為

r=[r0r1r2…rN-1]

(5)

如果直接采用多符號時域平均累加，得到的降噪?yún)⒖寄０鍨?/p>

(6)

(7)

雖然噪聲通過累加可得到抑制，但如果下一個接收符號為-1，不考慮噪聲的情況下信號的解調(diào)輸出為

(8)

可見，直接累加的模板雖然能夠消除噪聲，但沒有考慮到COTR的信號結(jié)構(gòu)，參考模板的重構(gòu)并不理想。基于這一問題，結(jié)合參考機制原理[10-11]，本文提出了Chirp-ACOTR-UWB接收機模型，該方法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 反饋平衡累加接收機Fig.5 Feedback balance accumulation receiver

(9)

該方法的檢測步驟如下：

(2)根據(jù)指針位置，將新得到的r(t)替換最早饋入累加池不能反映當前信道信息的累計量；

(3)上一步驟得到的結(jié)果可以近似認為慢變信道下參考支路的模板，隨著信號在時域上的不斷累加，參考模板的窄帶高斯噪聲分量逐漸被抑制。由于該模板與當前到達信號疊加的窄帶高斯噪聲分量非相干，兩者的合并較好地消除了噪聲乘噪聲項的影響。

4 基于反饋平衡累加的檢測方法仿真

下面通過Matlab仿真分析該方法的性能。仿真條件：AWGN信道下隨機發(fā)送信號-1、1，擴頻碼N=2，Rb=1 Mbit/s，低通截止帶寬W=2 MHz，線性掃頻帶寬B=500 MHz，累加次數(shù)均為Nadd=20。采用直接反饋累加和反饋平衡累加檢測方法的性能比較如圖6所示。

圖6 采用反饋平衡累加檢測結(jié)構(gòu)的性能比較Fig.6 Performance of feedback balance accumulation

由圖6可見，由于傳統(tǒng)的直接反饋累加方式?jīng)]有考慮到COTR信號的特性，連續(xù)接收到隨機1或-1信號的情況下導致了模板非平衡，其累加結(jié)果反而惡化了系統(tǒng)的性能。

圖7 不同累加次數(shù)的性能Fig.7 Performance of different accumulations

本文提出的經(jīng)幅度歸一化的反饋平衡累加，避免了上述方法的不足，保證了非相干檢測時參考支路能量的一致性，較之原來的檢測結(jié)構(gòu)，誤碼率性能提高了約0.5 dB。檢測性能在不考慮擴頻增益的情況下，更接近差分BPSK系統(tǒng)的理論性能，較好地到達了噪聲抑制的目的。對于采用多位參考碼序列進行信號擴頻傳輸?shù)那闆r，相應支路都需要加入反饋累加結(jié)構(gòu)，最終將這些支路累加起來作為信號的參考模板，完成模板重構(gòu)，實現(xiàn)抑制噪聲提高性能的目的。如圖 7所示，隨著累加次數(shù)繼續(xù)增加系統(tǒng)性能提升有限，且資源消耗將過多，性價比不高。

5 總 結(jié)

本文在研究ASC-Chirp-SCOTR-UWB檢測結(jié)構(gòu)的基礎上，針對其參考模板噪聲平方項帶來的性能損失，分析了傳統(tǒng)直接累加方式的不足，提出了基于反饋平衡累加的Chirp-COTR-UWB信號檢測方法，即ASC-Chirp-ACOTR-UWB檢測法。該方法通過判決反饋和平衡累加達到了抑制噪聲平方項、改善參考模板的目的，提高了發(fā)送參考結(jié)構(gòu)參考模板重構(gòu)的準確性。該結(jié)構(gòu)將經(jīng)過擴頻的基帶信號進行累加，對于延時線的精度要求較低，因而更便于實現(xiàn)。

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