張曉娟，梁中華，孟德帥，劉浩杰 ，榮 玫

(長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

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TRPC-UWB通信系統(tǒng)基于不同調(diào)制方式的性能分析*

張曉娟，梁中華，孟德帥，劉浩杰 ，榮 玫

(長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

為了克服傳統(tǒng)TR系統(tǒng)因延遲線過長而在實際中難以實現(xiàn)的問題，傳輸參考脈沖簇(Transmitted Reference Pulse Cluster，TRPC)系統(tǒng)作為傳輸參考(Transmitted Reference，TR) 系統(tǒng)的一種改進(jìn)方案，成為一種頗具潛力的非相干超寬帶(Ultra-WideBand，UWB)通信系統(tǒng)。TRPC系統(tǒng)最初采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)的調(diào)制方式，雖然基于這種調(diào)制方式的TRPC系統(tǒng)性能已明顯優(yōu)于傳統(tǒng)TR，但是為了滿足不同應(yīng)用場合在復(fù)雜度及成本方面的要求，有必要進(jìn)一步研究多種調(diào)制方式在TRPC系統(tǒng)中的性能。因此，以O(shè)OK、BPSK-PPM及BPSK三種調(diào)制方式為研究對象，分析、比較它們在TRPC系統(tǒng)中的性能。理論分析以及MATLAB仿真結(jié)果表明，在實現(xiàn)TRPC系統(tǒng)時，需要根據(jù)復(fù)雜度、成本及誤碼性能等方面的要求選擇合適的調(diào)制方式。

超寬帶；傳輸參考脈沖簇；開關(guān)鍵控調(diào)制；混合調(diào)制；二進(jìn)制相移鍵控

0 引言

超寬帶(Ultra-WideBand, UWB)技術(shù)是一種頗具潛力的短距離無線通信解決方案，它具有低成本、低功耗及良好的時域分辨能力等優(yōu)勢[1]。在低碼率的超寬帶系統(tǒng)中，出于低成本、低功耗等要求的考慮，較多地采用復(fù)雜度較低、對采樣速率要求不高且無需信道估計的非相干接收機[2]?；趥鬏攨⒖?Transmitted Reference, TR)技術(shù)的UWB系統(tǒng)是一種備受關(guān)注的非相干超寬帶通信系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的傳輸參考技術(shù)中，為避免脈沖間干擾(Inter-Pulse Interference, IPI)，需要數(shù)據(jù)脈沖與參考脈沖之間的時間延遲大于信道的最大多徑時延，從而引入了過長的延遲線。然而以目前的技術(shù)手段實現(xiàn)過長的模擬延遲線是不實際的，這就成為實現(xiàn)TR-UWB系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)[3]。為了解決傳統(tǒng)TR系統(tǒng)中的過長延遲線問題，Dong Xiaodai等人提出了傳輸參考脈沖簇(Transmitted Reference Pulse Cluster, TRPC)系統(tǒng)[4]。與傳統(tǒng)的TR信號相比較，TRPC信號具有更加統(tǒng)一、緊湊的脈沖排列結(jié)構(gòu)。由于脈沖間隔很小，IPI是不可避免的。但是，這種緊湊的脈沖排列結(jié)構(gòu)在信號能量的捕獲效率及降噪方面所獲得的性能增益明顯超過了由此所引入的脈沖間干擾[5]。在二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制(Binary Phase Shift Keying, BPSK)的情況下，TRPC系統(tǒng)的誤碼性能已明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的TR系統(tǒng)[5]?？紤]到隨著TRPC系統(tǒng)更為廣泛地應(yīng)用于各種場所，所需的能量利用率、誤碼率及復(fù)雜度等要求各不相同，IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)[6]建議,可以把混合調(diào)制BPSK-PPM(Binary Phase Shift Keying-Pulse Position Modulation)用于非相干系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[2]的仿真結(jié)果表明，基于混合調(diào)制的TRPC系統(tǒng)性能比二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制明顯改善。

基于以上分析，本文將在TRPC系統(tǒng)中分別采用開關(guān)鍵控調(diào)制(On-Off Keying, OOK)、BPSK、BPSK-PPM，并對三種調(diào)制方式的TRPC系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗，從而分析得出TRPC系統(tǒng)適應(yīng)不同要求的最優(yōu)調(diào)制方式。

本文首先介紹TRPC系統(tǒng)模型，然后討論基于不同調(diào)制方式的TRPC系統(tǒng)的符號判決方法，最后給出不同調(diào)制方式的TRPC系統(tǒng)的仿真結(jié)果及相關(guān)分析。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)是單用戶的TRPC系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 TRPC系統(tǒng)框圖

1.1 基于 BPSK調(diào)制的TRPC信號

根據(jù)IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)[6]，參考文獻(xiàn)[4]中給出了TRPC系統(tǒng)信號的形式：

(1)

其中，sbm(t)如式(2)所示，Eb代表每符號的發(fā)射能量，Nf代表每個符號中脈沖對重復(fù)的次數(shù)，Tp是脈沖寬度，Ts是符號持續(xù)時間。

(2)

其中，g(t)為能量歸一化的超寬帶脈沖，bm∈{+1,-1}為經(jīng)BPSK后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號，Td是參考脈沖與數(shù)據(jù)脈沖在一幀之內(nèi)的延遲。

1.2 基于BPSK-PPM調(diào)制的TRPC信號

(3)

其中，gl(t)=g(t-lTs)；|u2l-1|+|u2l|=1，即|u2l-1|和|u2l|為0或者1，表示經(jīng)混合調(diào)制后的數(shù)據(jù)符號。由此可見，基于混合調(diào)制的信號每個符號攜帶兩個比特。

1.3 基于OOK調(diào)制的TRPC信號

g(t-(2i+1)Td)]

(4)

在理想狀態(tài)下，發(fā)送符號‘1’時，信號的形式與基于BPSK調(diào)制的TRPC系統(tǒng)的信號形式相同；當(dāng)發(fā)送符號‘0’時，判決門限也應(yīng)當(dāng)為0，但是在實際中，有噪聲干擾，而且還有多徑影響，發(fā)送符號‘0’時，決策變量不會為0。本文采用訓(xùn)練序列的方式，得到合適的判決門限值，這樣就解決了噪聲和多徑效應(yīng)引起的問題。

1.4 信道模型

根據(jù)IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)所描述的通用UWB信道模型的復(fù)基帶等效沖激響應(yīng)可以表示為[7]：

(5)

其中，K為信道多徑分量的總數(shù)，αk和τk分別代表第k路多徑分量的復(fù)衰落系數(shù)和延時。

2 基于不同調(diào)制方式的符號判決方法

(6)

其中i=1,2,3。

2.1 基于BPSK調(diào)制的判決方法

第m個符號的決策變量可表示為[9]：

(7)

其中，T1=Td+Tl；T2=(2Nf-1)Td+Th+Tp，Tl和Th分別是積分時，UWB信道的開始和結(jié)束的瞬時時間。r1(t)是當(dāng)發(fā)射信號為S1(t)時的接收信號。在理想狀態(tài)下，如果Re(D1)>0，則判決為‘+1’，反之，為‘-1’。

2.2 基于混合調(diào)制的判決方法

采用混合調(diào)制的TRPC系統(tǒng)的門限判決方法與采用BPSK調(diào)制很相似，由于混合調(diào)制中每個符號攜帶2 bit，因此有兩個決策變量分別為[2]:

(8)

(9)

[1]中采用的判決方法是讓兩個決策變量的實部分別相減和相加，若都小于0，則判決為‘00’；若前者大于0，后者小于0，則判決為‘10’；若前者小于0，后者大于0，則判決為‘01’；若都大于0，則判決為‘11’。然后根據(jù)格雷映射，得到相應(yīng)的含有2 bit的符號。

2.3 基于OOK調(diào)制的判決方法

3 性能分析及仿真結(jié)果

這部分內(nèi)容主要分析針對不同調(diào)制方式特點的TRPC系統(tǒng)性能并給出MATLAB仿真結(jié)果。仿真實驗基于實際的信道模型即IEEE 802.15.4a 信道模型中的模型1、模型2和模型8，信道模型1代表室內(nèi)強視距環(huán)境，信道模型2代表室內(nèi)非視距環(huán)境, 信道模型8代表有非常大延遲的非視距環(huán)境。TRPC信號的主要參數(shù)設(shè)置與參考文獻(xiàn)[4]相同。

3.1 基于不同調(diào)制特性的系統(tǒng)性能分析

在恒參信道條件下，BPSK調(diào)制具有較高的抗噪聲干擾性能，且能有效地利用所給定的信道頻帶，即使在有多徑衰落的信道中也有較好的結(jié)果[10]。OOK調(diào)制的抗噪聲性能較差，所以基于BPSK調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率小于基于OOK調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率。

3.2 基于不同調(diào)制的系統(tǒng)誤碼性能分析

圖2給出了分別運用不同調(diào)制時TRPC系統(tǒng)在信道模型1下的誤碼率?？梢钥闯觯?dāng)信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)為12 dB時，采用混合調(diào)制和BPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率很接近。當(dāng)信噪比逐漸增大時，兩種調(diào)制方式下的誤碼率都逐漸下降，但是由于信道存在多徑效應(yīng)和噪聲的影響，因此抗噪聲性能較好的混合調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率下降更快。

圖2 TRPC系統(tǒng)在信道模型1下的誤碼性能

當(dāng)誤碼率BER=1×10-3時，BPSK調(diào)制相對于OOK調(diào)制系統(tǒng)獲得了約2.5 dB的增益。此時，混合調(diào)制相對于BPSK調(diào)制獲得了約1.3 dB的增益，相對于OOK調(diào)制獲得了約3.8 dB的增益。當(dāng)SNR較小時，基于混合調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率小于基于BPSK調(diào)制和OOK調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率，而且在信噪比增大的過程中，采用混合調(diào)制的系統(tǒng)誤碼率下降更快。由此可見混合調(diào)制明顯改善了系統(tǒng)的誤碼性能。

圖3給出了TRPC系統(tǒng)在信道模型2下的誤碼率，通過此仿真結(jié)果看出，當(dāng)SNR<17 dB時，采用混合調(diào)制的TRPC系統(tǒng)的誤碼率下降速度與BPSK調(diào)制下降速度相當(dāng)；但是當(dāng)SNR>17 dB時，混合調(diào)制誤碼率下降速度明顯大于BPSK調(diào)制。例如，當(dāng)SNR從12 dB增加到16 dB時，二者的誤碼率之差幾乎不變；當(dāng)SNR從17 dB增加到20 dB時，二者的誤碼率之差逐漸增大。因此，隨著SNR的逐漸增大，混合調(diào)制的性能優(yōu)勢更加明顯。

圖3 TRPC系統(tǒng)在信道模型2下的誤碼性能

圖4給出了分別運用BPSK-PPM調(diào)制、BPSK調(diào)制、OOK調(diào)制時TRPC系統(tǒng)在信道模型8下的誤碼率。當(dāng)BER=1×10-2時，采用BPSK-PPM調(diào)制比BPSK調(diào)制的TRPC系統(tǒng)獲得了約2.1 dB的性能增益，而且比OOK調(diào)制獲得了約6.7 dB的性能增益；采用BPSK調(diào)制比OOK調(diào)制獲得了約2.6 dB的性能增益。因此，OOK調(diào)制不適合用于對誤碼性能要求精確的系統(tǒng)。

圖4 TRPC系統(tǒng)在信道模型8下的誤碼性能

對比圖2、圖3和圖4可以看出，在信道模型1下的誤碼性能優(yōu)于信道模型8和信道模型2。因為信道模型1是室內(nèi)環(huán)境的直視信道，所以信號在傳輸過程中的損耗較少，系統(tǒng)誤碼率較低。當(dāng)BER=1×10-4時，采用BPSK或者BPSK-PPM調(diào)制時，在信道模型1下所獲得的性能增益比信道模型8分別高出大約1.2 dB和1.3 dB；這兩種調(diào)制方式此時在信道模型1下所獲得的性能增益比信道模型2分別高出約1 dB和1.1 dB。

通過以上仿真結(jié)果可以看出，OOK調(diào)制下的誤碼率性能遠(yuǎn)不如BPSK-PPM和BPSK調(diào)制，但是由于OOK調(diào)制非常簡單，對于一些低功耗的裝置非常實用，比如家庭自動化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、無線基站、胎壓檢測系統(tǒng)和低功耗的網(wǎng)絡(luò)傳感器等。

根據(jù)以上分析可以看出，仿真結(jié)果與理論分析基本吻合。如果實用系統(tǒng)對于誤碼性能要求較高，則優(yōu)先考慮混合調(diào)制；如果需要簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)誤碼性能要求不嚴(yán)格，則選擇結(jié)構(gòu)簡單、成本低且易實現(xiàn)的OOK調(diào)制。總之，根據(jù)應(yīng)用場合的需要，綜合考慮不同的調(diào)制方式，以提高系統(tǒng)的利用率。

4 結(jié)論

本文通過分析TRPC系統(tǒng)在BPSK、OOK及BPSK-PPM混合調(diào)制三種調(diào)制方式下的性能，得出如下結(jié)論：采用BPSK-PPM混合調(diào)制時系統(tǒng)的誤碼率明顯降低，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)成本高；雖然BPSK調(diào)制的TRPC系統(tǒng)的誤碼率比BPSK-PPM調(diào)制下的高，但是結(jié)構(gòu)相對簡單，更容易實現(xiàn)，而且BPSK調(diào)制的抗加性高斯白噪聲性能良好。因此，BPSK調(diào)制的TRPC系統(tǒng)是一種折衷的方案。OOK調(diào)制的TRPC系統(tǒng)誤碼性能雖然不如以上兩種調(diào)制方法，但是它的調(diào)制方法最為簡單，實現(xiàn)的成本最低，是簡易低功耗模型的首選方法。

參考文獻(xiàn)

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Performance analysis of transmitted reference pulse cluster UWB communication systems based on different modulation formats

Zhang Xiaojuan, Liang Zhonghua, Meng Deshuai, Liu Haojie, Rong Mei

(School of Information Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Transmitted reference pulse cluster (TRPC) was proposed as an improved transmitted reference (TR) signaling for ultra-wideband (UWB) communications. It overcomes the major problem of long delay line for the implementation of the conventional TR. So it has become a promising candidate for non-coherent UWB communications. Initially, binary phase shift keying (BPSK) modulation was employed in TRPC systems and it has been demonstrated that with BPSK modulation, TRPC systems significantly outperform conventional TR systems. In order to meet the different demands on complexity and cost for different applications, it is necessary to further develop TRPC systems with different modulation formats. Therefore, this paper employs on-off keying (OOK), binary phase shift keying-pulse position modulation (BPSK-PPM), and BPSK modulations to TRPC system, and evaluate their performances over realistic UWB channels models. Our theoretical analysis and simulation results show that, to implement a practical TRPC system, it is important to select an appropriate modulation method according to the requirements in terms of complexity, cost and bit error rate (BER) performance.

ultra-wideband(UWB); transmitted reference pulse cluster(TRPC); on-off keying(OOK); binary phase shift keying-pulse position modulation(BPSK-PPM); binary phase shift keying(BPSK)

國家自然科學(xué)基金(61271262、61201233)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2015JM6310)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(310824152010、0009-2014G1241043)

TN914.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.018

張曉娟，梁中華，孟德帥，等. TRPC-UWB通信系統(tǒng)基于不同調(diào)制方式的性能分析[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(20)：65-68.

2016-06-27)

張曉娟(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：超寬帶無線通信。

梁中華(1974-)，通信作者，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：超寬帶無線通信。E-mail: lzhxjd@hotmail.com。

孟德帥(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：超寬帶無線通信。