基于反馈平衡累加的Chirp-COTR-UWB检测方法

(解放军信息工程大学 通信工程系,郑州 450002)

1 引 言

超宽带(Ultra-Wideband，UWB)无线通信技术近年来兴起并快速发展，是当前国际研究的热点之一。作为非频率侵占性的极低谱密度传输方式，拥有至少500M信号带宽的超宽带技术以低功耗、低成本、与现有系统频谱共享等诸多优点，具有独特而广阔的应用前景。

发送参考(Transmitted Reference)体制的检测结

构因避免了复杂的信道估计,在超宽带系统中得到广泛的研究和应用，其具有时域、频域及码域参考3种具体的实现方式。文献[1]和文献[2]分别提出了基于时延发送参考(Transmitted-Reference，TR)和基于微小频偏发送参考(Slightly Frequency-Shifted Reference，FSR)的UWB系统；文献[3]提出了一种基于正交码发送参考(Code-Orthogonalized Transmitted-Reference，COTR)的UWB系统；文献[4]提出了基于码分多路发送参考(Code-Multiplexed Transmitted-Reference，CM-TR)的UWB系统，并给出了码序列优化选择方法；文献[5]将文献[3]和[4]通称为码参考(Coded-Reference，CR)UWB系统，并指出文献[5]中的CR-UWB接收机是接近最优的低复杂度实现结构。

Chirp-UWB作为典型的载波调制UWB系统以载波频带选择灵活、发射效率高等突出优点在超宽带领域日益得到重视。Chirp信号用于通信领域的想法首先由M.Winkler[6]于1962年提出。在传统的Chirp信号传输接收结构中，接收端多采用模拟声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件，利用Chirp信号良好的自相关性进行相干匹配滤波，完成信号检测，即CSS(Chirp Spectral Spread)技术。但对于Chirp-UWB信号，信号的实际带宽一般不小于500 MHz，声表面波模拟器件动态范围太大，硬件实现困难，并且对后端采样率要求过高，信号精度较难保证。

Chirp-COTR-UWB将Chirp-UWB信号与码域参考相结合，发挥了两者的优点，进一步扩展了UWB系统的应用领域。文献[7]借鉴雷达信号处理中的去斜脉冲压缩(De-chirp)方法和码发送参考原理，采用有源频谱压缩(Active Spectrum Compression，ASC) 结构完成Chirp-COTR-UWB信号的检测。系统接收端采用非相干检测的能量判决方法，引入了噪声平方项的干扰分量，影响了系统解调性能。

传统的TR-UWB接收机分为简单的TR-接收机(STR)[8-9]和平均TR-接收机(ATR)[9]，其中，STR的本地模版信号为帧内参考脉冲，ATR则取几个参考信号的均值作为新的参考信号，虽未提高数据速率和能量利用率，但是通过降低参考信号中的噪声能量达到了改善检测性能的目的。

鉴于COTR信号的特点，传统累加方法并不适用。为此，本文在Chirp -COTR-UWB解调结构的基础上，借鉴ATR接收机的思想，提出了基于反馈平衡累加的ACOTR检测方法，对本地模板的噪声影响进行抑制，达到了提高接收端系统检测性能的目的。

2 ASC-Chirp-COTR-UWB系统模型

x(t)=(blCI+CQ)g(t)cos(2πf0t+πμt2)

(1)

图1 ASC-Chirp-COTR-UWB发射机模型Fig.1 ASC-Chirp-COTR-UWB transmitter model

图2 ASC-Chirp-COTR-UWB接收机模型Fig.2 ASC-Chirp-COTR-UWB receiver model

加性高斯白噪声条件下，经过图 2接收机的去斜脉冲压缩处理及理想低通滤波后，输出信号的表达形式为

r(t)=(blCI+CQ)g(t)/2+n′(t)/2

(2)

式中，噪声分量n′(t)可以近似看作均值为零、方差为δ2=N0W(W为理想低通滤波器带宽)的窄带高斯噪声，其发射和低通滤波输出信号形式如图3所示。

图3 发射信号及低通输出信号r(t)Fig.3 Transmitting signal and low pass signal r(t)

对于二码片扩频的ASC-COTR-UWB系统和脉冲结构下的COTR系统，其误码率分别为

(3)

(4)

3 基于反馈平衡累加的检测方法分析

参考TR-UWB结构的定义，上一节给出的COTR检测结构可以称为Chirp-SCOTR-UWB结构，其直接使用帧内的参考信号作为本地模板。由公式(3)、(4)可知，脉冲COTR-UWB系统误码率性能受噪声的乘积项的影响较大，去斜处理的超宽带系统性能也在很大程度上受到噪声的影响。如图 4所示，COTR信号的码元速率为1 Mbit/s，Chirp-UWB信号产生的的扩频增益G=BT/Rc=500/2=250，即26.98 dB的总扩频增益。由仿真结果可见，当误码率为10-3时，系统信噪比约为-16 dB。在不考虑扩频增益的情况下，采用该Chirp-SCOTR-UWB接收结构时，码域参考Chirp-UWB信号的检测性能与差分BPSK相比约低3 dB,与相干BPSK相比约低4 dB。

图4 二码片Chirp-COTR-UWB性能仿真Fig.4 The performance of two-chip Chirp-COTR-UWB

采用Chirp-SCOTR-UWB检测结构时，数据信号与参考信号在码域上进行参考，噪声平方项影响了信号检测性能，由误码率性能可知，其引入了近1 dB的额外性能损失。采用多位Walsh码进行码参考的时侯，在总扩频增益不变的条件下，随着系统一次扩频带宽W的增大，引入的噪声乘噪声项将导致系统的接收性能进一步恶化。因此，构建较为理想的信号码域参考模板，有效抑制信号噪声平方项是亟待解决的问题。

对于慢衰落信道，可以认为单个Chirp-COTR-UWB符号内的信道响应保持不变，且相邻符号的信道传输函数近似相等，且信道叠加的高斯白噪声经过低通滤波输出的噪声分量在任意两个不同码片上不相关。由于Chirp-COTR-UWB信号每帧内只发送一个信息符号，所以需要对多个接收信号进行存储后进行累加构建模板，将几个参考信号取均值后作为新的参考信号。虽然采用该方法数据速率和能量利用率没有提高，但通过降低参考信号中的噪声能量达到了改善检测性能的目的。

传统的平均降噪将参考支路信号进行累加得到提纯的信道模板，但对于Chirp-COTR-UWB信号的码域参考结构的发送方式，其采用的是脉位调制的非相干检测系统(即采用了差分的能量判决法)，接收到的是位于信号的不同码片的并行模板。在进行模板提纯的时候，需要根据接收符号从不同的码片取出参考模板进行累加。如果直接采用多符号累加结构，将会因不同码片的模板叠加数量不同而使得累加结果不适合作为信号提纯参考模板。更加极端的情况就是，在通信传输过程中，如果连续接收到相同的信息符号，即常1或常-1，将会严重影响信号解调。

设连续N个信号低通输出为

r=[r0r1r2…rN-1]

(5)

如果直接采用多符号时域平均累加，得到的降噪参考模板为

(6)

(7)

虽然噪声通过累加可得到抑制，但如果下一个接收符号为-1，不考虑噪声的情况下信号的解调输出为

(8)

可见，直接累加的模板虽然能够消除噪声，但没有考虑到COTR的信号结构，参考模板的重构并不理想。基于这一问题，结合参考机制原理[10-11]，本文提出了Chirp-ACOTR-UWB接收机模型，该方法的实现结构如图5所示。

图5 反馈平衡累加接收机Fig.5 Feedback balance accumulation receiver

(9)

该方法的检测步骤如下：

(2)根据指针位置，将新得到的r(t)替换最早馈入累加池不能反映当前信道信息的累计量；

(3)上一步骤得到的结果可以近似认为慢变信道下参考支路的模板，随着信号在时域上的不断累加，参考模板的窄带高斯噪声分量逐渐被抑制。由于该模板与当前到达信号叠加的窄带高斯噪声分量非相干，两者的合并较好地消除了噪声乘噪声项的影响。

4 基于反馈平衡累加的检测方法仿真

下面通过Matlab仿真分析该方法的性能。仿真条件：AWGN信道下随机发送信号-1、1，扩频码N=2，Rb=1 Mbit/s，低通截止带宽W=2 MHz，线性扫频带宽B=500 MHz，累加次数均为Nadd=20。采用直接反馈累加和反馈平衡累加检测方法的性能比较如图6所示。

图6 采用反馈平衡累加检测结构的性能比较Fig.6 Performance of feedback balance accumulation

由图6可见，由于传统的直接反馈累加方式没有考虑到COTR信号的特性，连续接收到随机1或-1信号的情况下导致了模板非平衡，其累加结果反而恶化了系统的性能。

图7 不同累加次数的性能Fig.7 Performance of different accumulations

本文提出的经幅度归一化的反馈平衡累加，避免了上述方法的不足，保证了非相干检测时参考支路能量的一致性，较之原来的检测结构，误码率性能提高了约0.5 dB。检测性能在不考虑扩频增益的情况下，更接近差分BPSK系统的理论性能，较好地到达了噪声抑制的目的。对于采用多位参考码序列进行信号扩频传输的情况，相应支路都需要加入反馈累加结构，最终将这些支路累加起来作为信号的参考模板，完成模板重构，实现抑制噪声提高性能的目的。如图 7所示，随着累加次数继续增加系统性能提升有限，且资源消耗将过多，性价比不高。

5 总 结

本文在研究ASC-Chirp-SCOTR-UWB检测结构的基础上，针对其参考模板噪声平方项带来的性能损失，分析了传统直接累加方式的不足，提出了基于反馈平衡累加的Chirp-COTR-UWB信号检测方法，即ASC-Chirp-ACOTR-UWB检测法。该方法通过判决反馈和平衡累加达到了抑制噪声平方项、改善参考模板的目的，提高了发送参考结构参考模板重构的准确性。该结构将经过扩频的基带信号进行累加，对于延时线的精度要求较低，因而更便于实现。

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