吳南南，竇 崢，陳麗麗

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，哈爾濱 150001)

超寬帶具有傳輸速率高、功耗低、空間容量大、成本低等特點，近年來在通信行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注.多天線技術(shù)可以利用多發(fā)多收天線來充分的利用空間資源，在不需要增加頻譜帶寬和發(fā)射天線的發(fā)射功率的條件下，成倍提高信道容量［1］.此外對于衰落信道，多天線可以采用分集技術(shù)為接收機提供信息符號的多個獨立衰落副本，提高了無線鏈路的可靠性.因此多天線與UWB 的結(jié)合成為學者們研究的熱點.

關(guān)于多天線UWB 系統(tǒng)的研究主要集中在空時編碼［2－3］、信道模型［4］等研究.然而不同的調(diào)制方式對系統(tǒng)的信息傳輸速率、系統(tǒng)增益、誤碼率等方面都會產(chǎn)生影響.為了盡可能的提高系統(tǒng)性能，選擇一種合適的調(diào)制方法也是至關(guān)重要.文獻［5－6］對不同調(diào)制方法的多入多出超寬帶通信系統(tǒng)進行了研究，但都是在基于采用空時編碼的方法基礎(chǔ)上進行研究，本文構(gòu)建了多天線UWB 通信系統(tǒng)仿真模型，在此系統(tǒng)上研究了脈沖位置調(diào)制(PPM)和脈沖幅度調(diào)制(PAM)兩種調(diào)制對系統(tǒng)性能的影響，并針對PAM 比較跳時(TH)和直擴(DS)兩種情況系統(tǒng)性能差別.

1 基于多天線超寬帶通信系統(tǒng)模型

單用戶，用戶具有2個發(fā)射天線、2個接收天線，發(fā)射端用分集發(fā)射，接收端用等增益合并的方法，多天線UWB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 多天線UWB 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 信道模型

多天線系統(tǒng)在每個收發(fā)天線之間形成一個子信道，在發(fā)射端用2個發(fā)射天線，接收端用2個天線接收，則在收發(fā)之間形成了的信道矩陣圖［7］，在某一時刻，信道矩陣為:

其中:hij表示從發(fā)射天線j 到接收天線的傳輸函數(shù).UWB 無線通信的AWGN 信道增益:

其中:r為功率衰減指數(shù)，在自由空間中，r=2;在通常的非視線傳播中，r ＞2;在存在視線的短距離多徑信道，r 可能小于2，在本文的仿真中假設(shè)r=2.c0是參考距離D0=1m 時獲得參考增益的一個常數(shù)［8］.

1.2 發(fā)射、接收方案

多天線UWB 系統(tǒng)發(fā)射端用分集發(fā)射，天線1和天線2 發(fā)射的信號均為s(t)，信號的功率平均分配到每個天線上［9］.

在接收端的接收機由相關(guān)器和檢測器組成，并采用等增益合并的方法，系統(tǒng)的接收機結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 多天線UWB 系統(tǒng)接收機

其中:r1(t)為從天線1 接收到的信號，r2(t)為天線2 接收到的信號，

其中:n1(t)與n2(t)分別是天線1和天線2 接收到的噪聲，是均值為0，方差為N0/2 的高斯隨機變量.m(t－τ)是相關(guān)掩模，采用不同的調(diào)制方式相關(guān)掩模也不同，當采用TH－PPM 時，m(t－τ)=p(t－τ－cjTc)－p(t－τ－cjTc－ε)，當采用TH－PAM 時，m(t－τ)=cjp(t－τ－cjTc)，當采用DS－PAM 時，m(t－τ)=cjp(t－τ)其中各個符號的意義同式(4)中相同.

從天線接收到的信號經(jīng)過相關(guān)器，完成等增益合并后，經(jīng)過檢測判決得到發(fā)射的二進制序列.

2 多天線UWB 系統(tǒng)中采用的調(diào)制方法基本原理

從攜帶的信息來看，UWB 的調(diào)制方式可以是數(shù)據(jù)信息調(diào)制和多址技術(shù)的結(jié)合.基本的數(shù)據(jù)信息調(diào)制方式有:脈沖位置調(diào)制(PPM)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)、開關(guān)鍵控(OOK)、二進制相位調(diào)制(BPSK)、多維雙正交鍵控(MBOK)、數(shù)字脈沖間隔調(diào)制(DPIM)以及以上調(diào)制方式的組合.多址技術(shù)有:跳時(TH)、直擴(DS)等.常用的結(jié)合方式有TH－PPM、TH－PAM、DS－PAM［7］.下面詳細的介紹下這三種調(diào)制方法的原理.

2.1 TH－PPM 調(diào)制

UWB 信號是由周期為納秒級別的窄脈沖形成的.TH－PPM 是傳統(tǒng)的UWB 調(diào)制方式.PPM 是通過脈沖的相對時移來表示發(fā)射的數(shù)據(jù)比特值.在二進制脈沖位置調(diào)制中，脈沖位置相對于原來的參考位置沒有平移表示發(fā)射的比特為0，脈沖位置相對于原來的參考位置延遲一段時間間隔代表發(fā)射比特1.TH 是將每個幀周期分為多個部分，每個部分為一個碼片周期，再通過偽隨機碼來控制發(fā)射脈沖的碼片周期.

用Ts表示脈沖重復周期，Tc是碼片時間，ε 是調(diào)制數(shù)據(jù)比特所對應(yīng)的脈沖時移，cj是偽隨機碼，aj是發(fā)射的比特值，p(t)為脈沖波形函數(shù)，是最大發(fā)射比特數(shù).則TH－PPM 信號模型為:

假設(shè)發(fā)射的二進制序列b=0，1，采用重復編碼數(shù)Ns=5，跳時編碼為(2 2 2 0 1)時的UWB 信號波形圖如圖3所示.

圖3 TH－PPM 已調(diào)UWB 信號波形

2.2 TH－PAM 調(diào)制

脈沖幅度調(diào)制(PAM)是一種把信息調(diào)制在脈沖幅度上的方式.二進制反極性PAM 是指當發(fā)射比特為1 時發(fā)射正向脈沖，當發(fā)射比特0 時發(fā)射反向脈沖.TH－PAM 調(diào)制是通過TH 的偽隨機碼來控制發(fā)射脈沖的碼片周期，發(fā)射的數(shù)字序列來決定脈沖的極性.則TH－PAM 信號模型為:

其中:p(t)、M、Ts、aj、cj、Tc所表示的意義同上.

假設(shè)發(fā)射的二進制序列b=0，1，當重復編碼數(shù)Ns=5，跳時編碼為(2 0 2 2 2)時采用TH－PAM調(diào)制的UWB 信號波形圖如圖4所示.

圖4 TH－PAM 已調(diào)UWB 信號波形

2.3 DS－PAM

直擴是用信源碼與偽隨機碼進行模2 加來產(chǎn)生一個新碼.DS－PAM 是將信源輸出的信號與偽隨機碼進行模2 加得到的碼來控制發(fā)射脈沖的幅度.則DS－PAM 信號模型為:

其中:p(t)、M、Ts所表示的意義同式上，dj是發(fā)射比特與DS 碼進行模2 加的結(jié)果.

如發(fā)射的二進制碼b=0，1，當重復編碼數(shù)為Ns=5，DS 碼為(1 1－1 1 1)時的DS－PAM 調(diào)制的UWB 信號波形如圖5所示.

圖5 DS－PAM 已調(diào)UWB 波形

3 不同調(diào)制方式在多天線UWB 系統(tǒng)中仿真結(jié)果及比較

仿真信道是具有2個發(fā)射天線，2個接收天線的理想AWGN 信道，采用的脈沖波形是高斯函數(shù)的二階導數(shù):

其中:α 是脈沖形成因子，α=0.25 ns，采用的跳時碼和直接序列擴頻碼碼長均為5，發(fā)射機功率為－30 dBm，發(fā)射端發(fā)送的信息比特數(shù)為1 000，重復發(fā)射100次.以誤碼率作為系統(tǒng)性能的衡量指標.

采用TH－PPM 與DS－PAM 時多天線UWB系統(tǒng)的仿真誤碼率曲線如圖6所示.

從圖6 中的系統(tǒng)誤碼率仿真曲線可以看出在相同信噪比時，均使用TH 方式時，采用PAM 時系統(tǒng)誤碼率性能要優(yōu)于采用PPM 下誤碼率性能，在誤碼率為10－4的情況下，采用PAM 時的系統(tǒng)較PPM 時的系統(tǒng)所需信噪比低近6 dB.是由于在采用PPM 時，在接收端用相關(guān)解調(diào)時使用的接收掩模是代表0 的脈沖與代表1 的脈沖的差，當從天線接收到的信號與掩模相乘時相當于引入了2 次噪聲;而采用PAM 時，接收掩模是單個脈沖，相當引入1 次噪聲，故采用PAM 的系統(tǒng)性能要優(yōu)于采用PPM 的系統(tǒng).

圖6 TH－PPM 與TH－PAM 調(diào)制方法在多天線UWB 系統(tǒng)中誤碼率仿真比較

仿真環(huán)境不變，當均采用PAM 調(diào)制時，分別采用TH和DS 技術(shù)時多天線UWB 系統(tǒng)的仿真誤碼率曲線如圖7所示.

圖7 TH－PAM 與DS－PAM 調(diào)制方法在多天線UWB 系統(tǒng)中誤碼率仿真比較

從圖7 中可以看出在AWGN 信道的多天線超寬帶通信系統(tǒng)中，當均用PAM，在誤碼率為5 dB時，采用DS 的系統(tǒng)誤碼率要比采用TH 的低，但是差別并不大.由于DS 的通信隱蔽性好，且易實現(xiàn)數(shù)字加密，故在保密性能要求高的系統(tǒng)可以采用DS－PAM 方法，而TH 易于實現(xiàn)碼分多址，頻譜利用率高，故在保密性能要求不高的系統(tǒng)可以采用TH－PAM.

4 結(jié)語

本文在超寬帶的基礎(chǔ)上建立了多天線UWB系統(tǒng)仿真模型，并研究了不同種調(diào)制方式對系統(tǒng)性能的影響.仿真結(jié)果表明，在相同條件下，采用PAM 時系統(tǒng)性能要優(yōu)于采用PPM，在誤碼率為時，應(yīng)用PAM 的系統(tǒng)信噪比較應(yīng)用PPM 時有近6 dB的提高.當均采用PAM 條件下，采用TH 技術(shù)和采用DS 技術(shù)時系統(tǒng)的誤碼率性能相近.在保密性要求高的系統(tǒng)中采用DS 技術(shù)，在相對保密性不高的系統(tǒng)中采用TH 技術(shù).

［1］黃 韜，袁超偉.MIMO 相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007:3－6.

［2］LIU Q Y.Analog Space–Time Coding for MIMO Ultra－Wideband Transmissions［J］.IEEE transaction on communications，2004:938－947.

［3］ENZO B，MAURO B.Space－Time Orthogonal M－ary PPM coding for Coverage Extension of MIMO UWB－IR Systems［J］.IEEE transactions on communication，2005:263－267.

［4］吳 艷.UWB－MIMO 的信道建模及其影響因素的研究分析［D］.寧夏:寧夏大學，2008:15－20.

［5］WIPAWEE S S，MASOUD O.On the Performance Evaluation of TH and DS UWB MIMO Systems［J］.IEEE Communications Society，2004:1800－1805.

［6］王金龍，王呈貴.無線超寬帶通信原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:58－64.

［7］CHADI A R.On Space－Time Coding with Pulse Position and Amplitude Modulations for ime－Hopping Ultra－Wideband systems［J］.IEEE International Conference on Ultra－Wideband，2007:2490－2509.

［8］葛利嘉，朱 林.超寬帶無線電基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:169－180.

［9］李文興，曹 鵬.集群通信終端內(nèi)置PIFA 天線設(shè)計［J］.哈爾濱商業(yè)大學學報:自然科學版，2012，28(5):551－558.