基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的研究

于银辉,王洪磊,丁建华

(吉林大学通信工程学院,吉林长春 130021)

基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的研究

于银辉,王洪磊,丁建华

(吉林大学通信工程学院,吉林长春 130021)

提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系统,给出了采用联合检测算法RA KE接收机的构成,详细分析了其性能.仿真结果表明:该系统稳定可靠,理想RA KE接收机(ARA KE)优于选择性RA KE接收机(S-RA KE),选择性RA KE接收机优于部分RA KE接收机(P-RA KE),可以降低系统的误码率,提高系统抗干扰能力.

超宽带(UWB);脉幅调制;误码率;联合检测;RA KE接收机

超宽带(U ltra Wideband,UWB)通信技术是相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500 M Hz的无线通信技术,信号功率谱密度不超过-41.3 dBm[1-2].由于其特有的性质,特别是室内短距离无线多址通信方面,近年来超宽带通信技术受到学术界和产业界的广泛研究和关注[3].

基于脉冲调制的UWB技术其信息调制方式的实现,主要有脉冲幅度调制PAM(pulse amp litude modulation)和脉冲位置调制PPM(pulse position modulation)两种方式[4-6],文献[7]提出了PAM-THUWB信号,本文在此基础上引入了偏移量,提出了一种基于偏移量的PAM-TH-UWB信号构成的端到端通信,构造了信号发射系统,给出了联合检测系统结构,分析其RA KE接收机性能.

1 系统模型

1.1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的产生

超宽带信号在室内环境中经多径传播会产生严重的时间弥散.采用RA KE接收是提高超宽带接收机性能的重要手段.为了克服时间弥散,我们提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系统,基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的产生如图1所示.

图1 基于偏移量的PAM-TH-UWB信号发射系统

给定待发射的二进制序列为b,其速率为Rb(B/s),每个比特重复Ns次,产生一个新的序列a,速率Rcb(B/s),c为伪随机序列,d由a和c构成.再用序列a去调制这个跳时脉冲串.d输入到PAM调制模块后,得到速率为Rp(脉冲/s)的单位脉冲序列,p(t)为冲激响应.其中:

此信号的特点是有用信息既嵌在幅度上又嵌在位置上.

1.2 信道模型

1.2.1 S-V模型简介

Salen-Valenzula模型(简称S-V模型)[7]是一种描述多径按簇分布现象的信道模型,在多数情况下,可以较好地拟合UWB信道中的实测数据.S-V模型使用两个相互独立的Poisson过程,分别描述簇的第一径的到达和簇内多径相对于其第一径的到达.具体定义如下变量:

Tl为第l簇的第一径的到达时间;τk,l为第l簇中的第k径相对于其第一径的到达时间;Λ为簇到达率;λ为簇内的径的到达率.

因此,簇和径的到达时间为:

第l簇中第k径的幅度用βkl表示,βkl服从瑞利分布,按双指数规律衰减,其均值为

1.2.2 IEEE 802-15.3a信道模型

基于对实测数据的分析,IEEE 802-15.3a提出了一组UWB室内信道模型,作为评估各种UWB系统方案的基础.这一组信道模型中,将S-V模型中每一径的幅度βkl的分布由瑞利分布改为对数正态分布,这样可更好地拟合实测数据.模型中的信道冲击响应函数为[8]

其中:{αik,l}为信道的第i个实现中第l簇第k径的增益系统;{Til}为第l簇的额外时延;{τik,l}为第l簇第k径相对于第l簇第一径的时延;{Xi}为信道的阴影衰落系数,是对数正态分布随机变量.

1.3 RAKE接收机

根据IEEE 802-15.3a统计信道模型,对于基于偏移量的PAM-TH-UWB信号系统,在单用户情况下,接收信号可以表示为[7]

其中:X为信道的对数正态分布幅度增益;ETX为每个脉冲的发射能量;αnk为第n簇内第k条路径的信道系统;αj为第j个发射脉冲的幅度(在PPM情况下,αj=1);τnk为第n簇内第k条路径的时延.

对于信道冲激响应的每一个实现,信道系统包含的能量归一化,即

其中ERX=X2ETX是一个发射脉冲的总接收能量.

在IR-UWB系统中,脉冲持续时间达到纳秒级,假设所有的多径分量都互相不重叠,接收到的波形由相互独立的分量组成.使用采用多个相关器RA KE接收机,分别与同一个发射脉冲波形的多个多径分量相匹配,来实现对室内时间弥散的削减.这里,每个相关器与发送信号的一个多径分量匹配,即RA KE接收机第j条支路的相关掩模m j(t)在时间上与发射符号的第j个时延多径分量是对齐的,但RA KE接收机的使用增加了接收机的复杂性.为了降低复杂性,我们采用减少接收机处理多径分量数目的方法.下面分三种情况进行分析:一是选择所有的多径分量,称为理想RA KE(A-RA KE);二是从接收机输入端获得的N个多径分量中选择S个最好的分量,但需要一个选择的过程,这种方式称为选择性RA KE(S-RA KE);三是没有选择过程,直接合并最先到达的P个多径分量,称为部分RA KE(PRA KE).合并方式分为最大比合并(MRC)和等增益合并(EGC).在MRC方式下,每个支路输出乘以一个正比于该路信号幅度的权值;而EGC则不进行任何加权,将各支路输出直接相加.

图2 基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的联合检测系统

由于基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的有用信息既嵌在幅度上又嵌在位置上,所以可以从幅度和位置两个角度来处理这个信号.联合检测系统如图2所示.

本文采用硬判决方法.在判决时,接收机对表示一个比特的Ns个脉冲进行N s个独立的判决,最后的判决结果依据采用大数原则得到.将超过门限的脉冲数与低于门限的脉冲数比较,输出大数对应的比特.令N1表示接收端0的数目,N2表示接收端1的数目,则当N1＞N2时,最终的估计比特为0,否则为1.

RA KE接收机的内部结构如图3所示,m1(t),m2(t),…,mNs(t)表示只考虑位置因素得到的相关掩模,^b1表示只考虑位置因素得到的估计比特,设该RA KE接收机为RA KE接收机1;m′1(t),m′2(t),…,m′Ns(t)表示只考虑幅度因素得到的相关掩模,^b2表示只考虑幅度因素得到的估计比特.

图3 RAKE接收机的内部结构

处理器的工作过程如下:当^b1=^b2时,表示两种方法得到的估计比特一致,故最终的估计比特^b3=^b1.当^b1≠^b2时,表示两种方法得到的估计比特不一致,这时,令N1表示RA KE接收机1接收端“0”的数目,N2表示RA KE接收机1接收端“1”的数目;N3表示RA KE接收机2接收端“0”的数目,N4表示RA KE接收机2接收端“1”的数目,则判决规则表达式如下:

RA KE接收机的内部使用了两个不同的RA KE接收机,最终的判决结果通过处理器的联合检测算法得到,故这个系统称为联合检测系统.

2 仿真结果与分析

联合检测系统中采用两个RA KE接收机,再加上处理器的处理过程,最终会得到3个误码率,取其中的最小值作为整个系统的误码率BER.在单用户情况下,对基于偏移量的PAM-TH-UWB系统采用RAKE接收机,其BER性能与码重复编码器冗余(表征为重复编码器参数Ns)和RAKE接收机的支路数目有关.

理想RA KE接收机和选择性RA KE接收机的BER性能与码重复编码器冗余的关系如图4所示.通过在CM 1信道下的30次仿真结果得到的平均值可知,Prb随Ex/N0的增加而下降;错误概率随冗余(表征为重复编码器参数Ns)的增加而下降.

图4 Prb随Ex/N0变化的情况

理想RA KE接收机,选择性RA KE接收机和部分RA KE接收机的BER性能与其支路数目关系如图5所示.可见,理想RA KE接收机的误码率低于选择性RA KE接收机,选择性RA KE接收机低于部分RA KE接收机.

图5 单用户情况下基于偏移量的PAM-TH-UWB系统RAKE接收机的BER曲线

采用联合检测算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信号和PAM-DS-UWB信号的理想RA KE接收机和选择性RA KE接收机的误码率之间的关系如图6—7所示.

由此我们可以看出,采用联合检测算法的基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的理想RA KE接收机和选择性RA KE接收机的性能要优于PAM-DS-UWB信号,系统抗干扰能力有很好的改善.

图6 两种信号的A-RAKE误码性能比较

图7 两种信号的S-RAKE误码性能比较

3 结论

针对以往文献中没有引入偏移量的问题[9-11],本文提出了基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系统,分析了RA KE接收机的性能.仿真结果表明:采用基于偏移量的PAM-TH-UWB通信系统后,整个通信系统性能随信噪比的增加而提高;随着码重复编码器冗余(表征为重复编码器参数Ns)的增加,Prb与Ex/N0关系曲线呈下降趋势,错误概率迅速下降.增加Ns的值能够提高系统抗干扰能力,基于偏移量的PAM-TH-UWB信号的理想RA KE接收机和选择性RA KE接收机的性能优于PAM-DS-UWB信号系统.

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Study on the RAKE receiver of PAM-TH-UWB based on position-shift

YU Yin-hui,WANG Hong-lei,D INGJian-hua

(College of Communication Engineering.Jilin University,Changchun 130021,China)

In indoo r environment,UWB signals suffer from dense multi-path p ropagation and severe time dispersion.RA KE recep tion is an importantmethod to boost the performance of ultra-w ide band receivers.In this paper,the concep t of position-shift and the PAM-TH-UWB based on position-shift communication system are p roposed,the structure and perfo rmance of the RA KE receiver adop ted joint detection algo rithm are analyzed in detail.It is show n by the simulation results that the perfo rmance of A-RA KE is better than that of S-RA KE and the performance of S-RA KE is better than that of PRA KE;the system is steady and reliable,w hich can reduce the bit error rate,and boost the ability of anti-jamming in the w hole system.

ultra-w ide bandw idth(UWB);PAM(pulse amp litude modulation);bit erro r rate;joint detection;the RA KE receiver

TN 911

510·50

A

1000-1832(2010)04-0051-06

2008-10-13

国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA 06Z114).

于银辉(1964—),女,博士,教授,主要从事超宽带通信系统理论与应用研究.

(责任编辑:陶 理)