許燕萍

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215104）

沖激無線電超寬帶（IR-UWB）與傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù)或者3G蜂窩網(wǎng)中的擴(kuò)頻寬帶技術(shù)不同，IR-UWB直接對(duì)納秒級(jí)的非正弦窄脈沖進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生高達(dá)幾個(gè)GHz的超寬帶信號(hào)。基于此，超寬帶（UWB）通信系統(tǒng)具有功耗低、容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、多徑分辨能力強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、成本低等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其接收信號(hào)具有較高的時(shí)間分辨率［1-3］，非常適用于室內(nèi)高速率短距離的無線通信，并且在理論上可以提供厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的定位精度，通過重復(fù)利用頻譜，可解決頻譜擁擠不堪的問題，UWB在無線通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［4-6］。

信號(hào)傳輸過程中存在噪聲干擾、多用戶干擾、碼間串?dāng)_及外部干擾等，使得UWB系統(tǒng)接收端信噪比有所降低，研究如何改善和提高UWB系統(tǒng)在低信噪比下的性能，不僅具有深刻的理論意義，同時(shí)還具有很高的實(shí)用價(jià)值。跳時(shí)多址（TH-MA）是最常見的一種超寬帶系統(tǒng)多址接入方式，IRUWB通常通過脈沖幅度調(diào)制（PAM），脈沖位置調(diào)制（PPM）等調(diào)制方式攜帶信息，其中TH-PAM系統(tǒng)采用雙極性調(diào)制，其性能明顯優(yōu)于TH-PPM系統(tǒng)［7］。因此，本文著重研究PAM-TH-MA系統(tǒng)在多徑信道下的抗噪性能，并分析采用P-Rake和S-Rake接收機(jī)時(shí)兩種系統(tǒng)的性能。

1 多用戶THMA/DSMA-UWB系統(tǒng)描述

1.12PAM-TH-MA系統(tǒng)模型

典型的2PAM-TH-MA UWB系統(tǒng)模型如圖1，圖2所示為2PAM-TH UWB發(fā)射機(jī)模型。

圖1 2PAM-TH-MA UWB系統(tǒng)模型

從圖2可以看到，二進(jìn)制信源產(chǎn)生含有信息比特“0”和“1”的獨(dú)立同分布且等概出現(xiàn)的二進(jìn)制序列，每比特通過重復(fù)編碼器重復(fù)Ns次，經(jīng)過發(fā)送編碼和PAM調(diào)制器，送入脈沖成形器，最后由發(fā)射天線發(fā)射出去。信息比特持續(xù)時(shí)間為Tb，二進(jìn)制序列傳輸率為Rb=Ns/Tbbits/s，寬度為Tp的納秒級(jí)高斯單脈沖是能量歸一化的脈沖波形。第u個(gè)用戶傳輸?shù)亩M(jìn)制反極性PAM-TH-MA信號(hào)表示為:

圖2 2PAM-TH UWB發(fā)射機(jī)

式中，a（ju）∈{±1}是第u個(gè)用戶的第j個(gè)脈沖傳輸?shù)亩M(jìn)制的數(shù)值，E（txu）是每一個(gè)脈沖的傳輸能量;Ts是平均脈沖重復(fù)周期，c（ju）是第u個(gè)用戶使用的TH序列的第j個(gè)系數(shù)，Tc是切普寬度，c（ju）Tc是由于TH碼引起的時(shí)移。每一個(gè)TH碼都是由Np個(gè)獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量構(gòu)成的序列，隨機(jī)變量以概率1/Nh在［0，Nh-1］范圍內(nèi)取整。

1.2 信道和接收機(jī)模型

采用IEEE802.15.3a工作組推薦的基于簇方式的模型，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)多徑的幅度作了修正，IEEE模型的信道沖激響應(yīng)可以表示為:

其中，X是對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量，代表信道的幅度增益;N是觀測(cè)到的簇的數(shù)目，nc是第c簇內(nèi)接收到的多徑數(shù)目。

為了減少多徑的影響，通常采用Rake接收機(jī)。Rake接收主要應(yīng)用分集技術(shù)的思想，充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸可靠性。

圖3 具有N個(gè)并行相關(guān)器和時(shí)延單元的Rake接收機(jī)

在接收端使用Rake接收機(jī)增加了接收機(jī)的復(fù)雜性，其復(fù)雜程度隨判決前后分析和合并的多徑數(shù)目的增加而增大，因此，可以通過減少接收機(jī)處理的多徑分量數(shù)目來降低復(fù)雜性。然而，減少分析的數(shù)目會(huì)使接收機(jī)獲取的能量減少。如何在復(fù)雜性和盡可能多的獲取能量之間取得平衡成為了研究熱點(diǎn)。Rake接收機(jī)的不同結(jié)構(gòu)和合并策略對(duì)其性能有很大的影響。

1.3 性能分析

根據(jù)圖3所示的Rake接收機(jī)模型，接收信號(hào)表達(dá)式可寫為:

式中，n（t）是0均值、雙邊功率譜密度為N0/2的加性高斯白噪聲（AWGN），Nm是路徑數(shù)，τd是每條路徑的時(shí)延，αd是每條路徑的增益。

假設(shè)Rake接收機(jī)可以很好地估計(jì)信道參數(shù)，輸出端第i'個(gè)比特、第l個(gè)分支的輸出可以表示為:

如果兩個(gè)連續(xù)延遲的時(shí)間大于脈沖的持續(xù)時(shí)間，得到噪聲的均值和方差為:

2 仿真結(jié)果與分析

采用高斯二階導(dǎo)函數(shù)作為發(fā)射脈沖波形，脈沖寬度0.2 ns，脈沖形成因子0.287 7 ns，脈沖的中心0.1 ns。

在CM1信道下，S-Rake接收機(jī)的叉指數(shù)分別取5、10和20，P-Rake接收機(jī)的叉指數(shù)分別取10、20和30，采用最大比合并接收，TH-PAM超寬帶單用戶系統(tǒng)性能如圖4所示。

圖4 TH-UWB系統(tǒng)性能

從圖4可以看出，S-Rake接收機(jī)的性能優(yōu)于P-Rake接收機(jī)，并且隨著叉指數(shù)的增加，系統(tǒng)性能均得到提高。這是因?yàn)镾-Rake接收機(jī)是從接收機(jī)輸入端獲得的眾多徑分量中選擇最好的幾個(gè)分量，而P-Rake接收機(jī)沒有選擇過程，直接合并最先到達(dá)的幾個(gè)路徑。但是，當(dāng)最好的分量位于信道沖激響應(yīng)的起始處時(shí)，如在LOS情況下，兩者的性能差距就會(huì)減小。

在CM1信道下，采用最大比合并的20個(gè)叉指數(shù)S-Rake接收機(jī)，不同幀數(shù)時(shí)的TH-UWB超寬帶系統(tǒng)性能如圖5所示。TH-UWB系統(tǒng)在多用戶情況下，所用跳時(shí)碼有一個(gè)額外的時(shí)間偏移，如果這個(gè)時(shí)間偏移太小，就會(huì)增加用戶間的碰撞概率，幀數(shù)越多系統(tǒng)性能就越差。

圖5 采用不同幀數(shù)的TH-UWB系統(tǒng)性能比較

3 小結(jié)

本文利用IEEE 802.15.3a工作組建議的標(biāo)準(zhǔn)UWB室內(nèi)信道模型，針對(duì)TH-MA-UWB系統(tǒng)，分析了采用S-Rake和P-Rake接收機(jī)時(shí)系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果表明，在多用戶情況下，隨著幀數(shù)的增加，TH-UWB系統(tǒng)的性能將變差。此外，對(duì)系統(tǒng)分別采用S-Rake和P-Rake接收機(jī)時(shí)的性能進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，采用S-Rake接收機(jī)時(shí)的系統(tǒng)性能要優(yōu)于P-Rake接收機(jī)。

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