（电路与系统专业论文）truwb系统自相关接收机性能研究.pdf

摘要 无线通信技术和计算机网络技术的结合，产生了无线网络技术，它具有即时、 便捷、高速的优点，适用于短距离无线高速通信环境。在各种无线网络技术中，超 宽带技术因其高达g h z 的带宽能提供上百兆的高速率等优点，成为当前研究热点。 但是，超宽带技术要走向成熟，还需要解决许多关键的技术问题，其中之一就是接 收机的设计，要求它不仅有良好的接收性能，还要有简单的结构。 宽带无线通信系统通常采用r a k e 接收机合并多径信号。l g r _ u w b ( l o c a l l y g e n e r a t e dr e f e r e n c eu w b ) 系统正是采用r a k e 接收机合并丰富的多径信号以提高 接收性能。但是，它需要进行信道估计与同步，导致结构复杂，不满足u w b 系统对 接收机结构的要求。t r u w b ( t r a n s m i t t e dr e f e r e n c eu 孵) 系统采用自相关接收机 ( a u t o c o r r e l a t i o nr e c e i v e r ，a c r ) 进行差分检测，由于不需要信道估计与同步， 因此具有简单的结构，但是自相关接收机的性能又逊于r a l ( e 接收机。 影响自相关接收机性能的主要因素，是接收参考信号中包含的噪声。由于所含 噪声是白噪声，具有统计期望为零的数字特征，因此，采用算术平均的方法就可以 有效抑制噪声。已有研究在一些假设条件下，对参考信号进行平均，提高接收性能。 本文对传统自相关接收机进行改进，使之无需任何假设，更符合实际情况。通过对 来自同一个数据比特的多径接收信号进行平均，分别抑制数据信号和参考信号内的 噪声，将平均后的信号相关，得到判决变量。由于数据信号与参考信号来自同一个 比特，它们经过相同的信道，相关性较好，对提高接收性能具有积极作用。此外， 随着信道延迟增加，多径衰落越来越严重，因此，本文只对优先到达的多径信号进 行合并，这样可以提高接收效率而不降低系统性能。对于自相关接收机性能分析， 采用高斯近似方法推导出判决变量的期望与方差，进而得到自相关接收机的误码 率，然后进行计算机仿真验证，最终得出结论：改进型自相关接收机的性能相比传 统接收机有很大提升。 关键词：t r u w b ；自相关接收机；多径合并；噪声抑制 鬈怒。 a b s t r a c t n ec o m b i l l a t i o no fw i r c l e s sc 0 姗u n i c a t i o na n dc o m p u t e rn e 俩o r kb i i n g s0 u tt h e w i f e l c s sn e m o r k ，w h i c hh a st h ea “柚t a g e so fi n s t a n t a n e o u s n c s s ，c o n v e n i e n c e 柚dh i g l l d a t ar a t e ni ss u i t a l b l ef o rs h o r t - r a n g ea f l dl i i g l ld a t am t ew i f e l e s sc o 蛐u j c a t i o n s a m o n gd j 疵r e n tt e c l m o l o 酉e so fw i r c l e s sn e 咐o r k ，t h cu l t m - w i d e b a i l d ( u w b ) h a saw i d e b a l l d w j d l hu p l o g h z 卸d i s a b l e t op f o v i d ea h i g l ld a t a 阳t e u p t o m b 络t b u s i lb e o 啪ea h o ts p o ti nc u r r e n tt e s e a r c h e s h o w e v e r ，t h e r ea r es o m ek e yp r o b l e m sm u s tb es o l v e d b e f o r ci ti sm a t u r c d ，o n eo fw h i c hi st h ef e c e i v e rd e s i g n nr e q u i r c sn o to n l ya9 0 0 d p e r f o 皿蛐c e ，b u ta i s oas i l l l p l es t m c t l l r e w i d e b 卸dw 础e s sc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m su s u a l l yr e c o v e rt h e 灯a n s m i t t e ds i 弘a l s b yu s i n gar a k er e c c i v e r a n d 也el ，g r 娟僵( l 0 c a l l yg e n e m t e dr e f e r c n c clm ，b ) s y s t e m sj u s ta d o p lt h er 触正r e c e i v e fl o m b i n et h ep l e n t yo fm u l 印a t hs i 舒a l st o i m p r o v et h es ) ，s t e mp c r f o r n l a i l c e b u tm er a ：k er e c c i v e rn c e d sac h 锄e l 髂t i m a t i o na n d s y n c h r o n i z a t i 衄，w h i c hr c s u l t si i lac o m p l i c a t c ds m i c t i l r e ，孤dt h i si sn o tw h a tw ew a t t r j u w b a n s m i t t e d r e f e r c n c eu w b ) s y s t 啪sa d o p tt h ca u t o c o 删a t i o nr e c c i v e r ( a c r ) t oc a r r yo u tm e 出f f e 啪t i a ld e t e c t i o 1 1 l ea c rd o e sn o tn e e dac b a i l n e le s t i l a t i o na n d s y n c h r o n i z a t i o n ，s oi th 嬲al o wc o m p l c x i t y b u tt h ep e d ! b f m a i l c co fa c ri si i l f c j j o r t ot h e r a k er e c e i v e l t h em a i nf a c t o r a 龀c t i n gt h ep e 抽m a l l c eo ft h ea c r ，i st h en o i s ec o n t a i n e di i im e r a ：e j v c dr e j f e r e n c cs i g n a l s h o w c y c r ，t h en o j s ej sw h i f ea i l dh a saz e f om e 翘，w h i c h p r o v i d e s aw a yt os u p p r e s si t t h a i s ，b ya f i t h m e t i c a la v e f a 垂n 岛t h en o 主s cc a nb e e f ! f e c t i v e l ys u p p r e s s e d u n d e rs o m ea s s u m p t i o n s ，t h ee x i s i e dr e s e a r c h e sa v e r a g et h e c c e i v e dr e f e r e n c es i g n a l st oi m p r o v et h ep e r f o 册a n c e w h i l et h i st h e s i si m p r o v e so nt h e t r a d i t i o n a la c rt om a k ei tf i lt h er e a li n s t a l l c ew j t h o u t a n ya s s u m p t i o n s t h e i m p r o v e m e n ta v e r a g e st h er e c e i v e dm u l t i p a t hs i g i l a l sf r o mt h es a m eb “t os u p p r e s st h e n o i s ei nt h er e c e i v e dr e f c r e n c es i g n a l sa n dd a t as i g i l a l sr e s p e c t i v e ly ，a i l dt h e nc o f r e l a t e s t h ea v e r a g e ds i g n a l st oo b t a i nt h ed e c i s i o nm e t r i c s i n c et h er e f e r e n c es i g n a l sa n dd a t a s i g n a l s c o m ef r o mt h es a m eb i t t h e ys u f f e rt h es a m ec h a n n e la l l dh a v eab e t t e r c o r r e l a t i o n ，w h i c hh a sap o s n i v ee f 托c to nt h es y s t 咖p e r f 6 瑚a n c e a st l 】ec h a 加e 1d e l a y i n c r e a s e s ，t h em u l t j p a t hf a d i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，h e n c e ，w ec o m b i n eo n l y 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s t h e 丘r s tf c w 姗j v e dm u l t i p a t hs i g n a l st oi m p m v et l i ee m d e n c yo ft l l er e c e i v e rw i t l l o u t s a c r i f i c 吨t h es y s t 锄p e 面珊a l l c c 舡t ot l l ep e 加i n l 柚c ea n a l y s i s ，w ea d o p tt h c g a u s s i a i la p p r o x i m a t i o nm e m o dt od e d u c ct h em e 锄a n dv a r i a n c e0 ft l l ed e c i s i m e t i i c t oo b t a i t h eb e rf 0 皿u l 龉，觚dt h e np r o v ei tb ys i m u l a t i o nr c s u l t s f 妇l i y ，w em w t h e c o n d u s i o nt h a tt h ei m p m v e da c rh a sam u c hb e t t e rp c r f b m 强c cc o m p a r e dt ot l i e t m d i t i o n a la c r k e yw o r d s ：t r - u w b ；a u t o c o 玎e l a t i o nr e c e i v e r ；m u l t i p a mc o m b i n i n g ； n 0 i s es u p p r e s s i 彻 顾士学住论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 却垮 日期：扫朋# 年6 月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：印垮 日期：沙g 年占月譬日 导师签名：蒡形色 日期炒年月8 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回意迨塞握壅蜃溢卮! 旦坐生i 旦= 生；旦三生筮查! 作者签名：却珲 日期：删年6 月艿日 导师签名：名尹争色 日期：多一z 年占月扩日 1 1 无线网络技术简介 第一章绪论 通信技术经过一百多年的发展，如今已是日新月异，人们对通信这一概念的理 解也不再只是局限于通话这样简单的语音业务，而是各种各样的数据通信业务，并 且对这些数据业务的要求越来越高，不仅要求及时，还要求高速。这些要求成为通 信技术不断发展的动力。随着计算机技术的不断发展，移动通信和计算机互联网相 互结合的无线网络技术，越来越成为人们日常生活中不可或缺的相互交流信息的手 段。无线网络技术可以应用到各种场合之中，如最大范围的无线网络一蜂窝移动 通信，可以实现在全世界任何一个地方进行实时通信，最小的范围可以应用到一个 家庭环境或一个办公室环境等等。因此，无线网络技术在未来的应用将会越来越广 泛，也将越来越深刻地影响人们的工作和生活。 无线网络技术的发展已有一定的历史，目前也有多种成熟的无线网络技术，分 别有以下几种： 1 ) 人们最熟悉的莫过于i e e e 8 0 2 1 1 系列协议，它也是无线网络的一个主要标 准，目前最新的标准是8 0 2 1 1 9 ，而常用的、技术成熟的则是8 0 2 1 1 b ，其 上限速率为2 0 m b p s 。 2 ) 蓝牙技术( b 1 u e t 0 0 t h ) 在1 9 9 9 年发布了蓝牙1 0 版标准，应用领域主要在 无线个人局域网( w p a n ) ，其优点是很容易穿透障碍物，实现全方位数据通 信。 3 ) 红外线传输技术主要进行点对点通信，其软硬件都相当成熟，应用也已经 相当广泛，如手机、笔记本电脑等等。相应的组织是红外线数据标准协会 ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n i r d a ) 。 1 2 超宽带研究背景 无线网络得到如此广泛的应用，最大的优点在于可移动性带来的便捷，脱离了 有线网络的束缚。但是，其缺点相对有线网络也显而易见，即恶劣的无线信道环境 和有限的频谱资源。无线通信环境主要有以下缺点：多径衰落、多址干扰、功率有 项士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 限。频谱资源有限则是全世晃共同面临的难题。如何克服这些缺点，有效提高无线 通信的质量，成为广大研究人员关注的焦点。 根据香农定理，在加性高斯白噪声信道下，系统容量c 与带宽形有如下关系： 胁9 2 【1 + 专) q 1 ) s 为平均接收信号功率，为平均噪声功率。由香农定理可知，在s 和不变的前 提下，增大系统带宽可以提高系统容量。由此，激发了人们研究超宽带信号的灵 感，超宽带信号的独特之处就是高达g h z 的带宽，如此之大的带宽，自然可以轻易 实现高达数百兆的数据传输率。除了高速率，超宽带信号还具有抗多径、保密性强 等等优点。 1 3 本文意义 超宽带研究中的接收机设计是整个系统设计中的一个重点，不仅要求接收机有 良好的接收性能，同时还要求具有简单的结构，以降低系统成本。无线通信系统常 用接收机有两种r k e 接收机和自相关接收机，应用于超宽带系统中它们分别适 用于l g r _ u w b 系统和t r u 1 】l b 系统。超宽带系统根据参考信号产生方式分为两类， 一类是l g r _ u 船系统，它在接收端产生参考信号用r a l ( e 接收机检测恢复数据；另 一类是t r u 1 v b 系统，它在发射端发送参考信号，利用自相关接收机采用差分检测 恢复数据。r a k e 接收机的性能非常好，但是其结构却也非常复杂。因此，人们把视 线转移到结构相对简单的自相关接收机，其突出优点是不需要r a i ( e 接收机中对信 道的准确估计，也不需要对接收信号进行准确的同步，从而可以简化系统结构。 本文主要对t r u w b 系统自相关接收机性能进行分析研究。影响自相关接收机 性能的主要因素是接收信号中包含的噪声，尤其是作为模板信号的参考脉冲所含噪 声，因此，如何抑制噪声，是提高自相关接收机性能的关键。由于噪声的期望为零， 这就为噪声抑制提供了切入点，即对接收信号进行算术平均就能有效抑制其所含噪 声。已有文献采用这一方法先对接收参考脉冲做平均，然后进行相关检测。由于参 考信号可能来自相邻数据比特，因此，他们首先假定了相邻数据比特经历相同的信 道，显然，这与实际情况不符。所以，本文对同一数据比特内的接收信号进行平均， 分别抑制参考信号和数据信号内的噪声，然后将平均后的信号做相关，得到判决变 量，由于参考信号和数据信号来自同一个比特，使它们具有更好的相关性，同时， 不需要前面的假定，这样也更符合实际情况。超宽带信号经历的多径信道环境，其 2 中的多径衰落随着延迟的增大而越来越严重，因此，对于多径信号合并，只选择优 先到达的衰落较小的有限多径分量进行合并，以提高接收性能。对于两个接收机模 型，本文采用高斯近似法分析了各自误码性能，并通过仿真验证了改进型自相关接 收机比传统自相关接收机在误码性能上有很大提升。 3 2 1 超宽带的历史 第二章超宽带概述 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术是当前无线网络通信领域的一个研究热点， 也是未来无线个人局域网的核心技术，其研究的起源可以追溯到2 0 世纪6 0 年代。 事实上，在1 8 9 7 年马可尼成功实现横跨布里斯托尔海峡的无线电通信时，就第一 次实现了最原始、最简单的脉冲通信1 1 】。 2 0 世纪6 0 年代，科学家为了研究微波网络的瞬间特性，研制出了采样示波器， 这是超宽带研究史上的一个突破这些采样电路不仅能够显示超宽带信号，同时 还能提供产生次纳秒级脉冲和基带脉冲所必须的简单电路结构，这就为研究超宽带 信号提供了硬件基础【2 】。1 9 7 2 年，科学家又发明了一种非常敏感的基带脉冲接收机， 用以取代采样示波器，这为超宽带通信系统的设计实现奠定了基础。与其他通信系 统一样，超宽带系统最早应用于军事领域，1 9 7 4 年，第一个基于超宽带的地面雷达 实现商品化；1 9 9 4 年，微功率冲击雷达的出现，又第一次实现了简单、廉价、低功 率的超宽带系统【”。由于超宽带系统研究与应用的不断发展，1 9 8 9 年，美国国防部 正式命名超宽带系统，即通过发送和接收冲击信号进行通信的系统称为超宽带系统 【3 1 。 超宽带系统能够应用到民用通信中，关键得益于r o b e r ts c h o l t z 的杰出工作。 他在1 9 9 3 年发表的关于超宽带通信系统的多址接入技术的文章，成为了超宽带发 展史上的一个里程碑【4 】。正是由于多址接入技术，超宽带技术才不仅能应用于雷达 或点对点( p o i n t t o p o i n t ) 通信，而且更加能够支持无线网络的多用户通信，这样 才使得超宽带技术应用于无线通信成为可能。由于超宽带技术在无线网络中的应用 前景，越来越多的研究人员投入到超宽带的研究当中，并且取得了不斐的成绩。此 外，一些相关机构对超宽带的应用做出了很多努力，美国联邦通信委员会( f c c ) 针 对超宽带系统的频谱资源以及与其他窄带通信系统共存的问题，于2 0 0 2 年对超宽 带信号的频谱做出规定，为其划分了极大的频谱资源，同时将其功率限定在噪声水 平以防止对现有窄带系统的干扰；美国电气电子工程师协会( i e e e ) 针对超宽带技术 制定了相应的标准i e e e 8 0 2 1 5 系列。如今，已有摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、飞思卡 尔( f r e e s c a l e ) 等公司设计制造出符合m e e 标准的超宽带芯片以及相应的成品，超 4 项士学位论文 m a s t e r st h e s l s 宽带产品不断向民用化发展。 我国也在近年掀起了对超宽带技术研究的热潮，并取得一定的成果。在i e e e 8 0 2 1 5 4 a 标准中，由我国北京邮电大学提交的技术标准，被采纳并融合在最终的 标准之中。 2 2 超宽带信号简介 f c c 对u w b 信号做了如下定义：如果一个信号的带宽为5 0 0 纰或者相对带 宽大于o 2 口o 2 5 ，则该信号就是一个超宽带信号。f c c 同时给出了计算相对带宽的 公式f 5 】： 伸糍 ( 2 - 1 ) 其中，厶和五分别表示一1 0 扭衰减带宽的上截止频率和下截止频率。 由于超宽带信号具有高达g h z 的带宽，为了防止对其他窄带系统产生干扰，f c c 对超宽带信号的频谱与功率做出了规定，必须满足如图2 1 所示要求。 图2 1 ir w b 及其他窄带系统功率谱密度 在设计超宽带信号时，不仅要求其带宽足够大，还要求发射功率足够小，能够 满足f c c 的要求，并且功率谱密度要足够平坦，因此，脉冲信号的设计在超宽带系 统的研究中也具有相当的意义。常用的超宽带信号有高斯脉冲及一阶和二阶导数高 斯脉冲【l j ，这些脉冲在时域都是纳秒级窄脉冲，因此在频域上具有高达g h z 的带宽 【6 j ，从而满足f c c 对带宽的要求。高斯脉冲表达式为： 5 。赤唧( - 譬) c z z ， 其中，盯和分别表示标准方差和脉冲中心点的位置，脉冲宽度为= 知盯。二阶 导数高斯脉冲可表示为： p ( f ，= ( 1 4 玎( 孝) 2 ) e ：x p ( 一2 ，r ( 孝) 2 ) c 2 3 ， 其中，f 是脉冲成形因子。两种信号波形如下图所示： ( a ) 高斯脉冲( b ) 二阶导数高斯脉冲 图2 2 常见高斯脉冲 不论采用哪种脉冲信号，其能量均为： 易；r p ：( ( 2 4 ) l 为脉冲宽度。 2 3 超宽带系统简介 不同于传统窄带系统利用载波进行通信，超宽带系统无需载波，而是直接将数 据通过各种调制方式调制到脉冲上，再经过扩频形成脉冲序列，于是用一个脉冲序 列表示一个比特信息，接收端则对接收到的脉冲序列进行解扩解调恢复出数据。 超宽带系统的独特之处就在于极大的带宽，相对于窄带系统，超宽带系统具有 以下特点【l 】： 1 1 较大的瞬时带宽使其具有良好的时间分辨率，因此可用于准确的定位、作 为雷达信号等等。 6 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 2 ) 纳秒级窄脉冲使其在多径环境中具有优良的抗干扰性1 7 j 。 3 ) 较低的功率谱密度使其能和其他窄带系统共存，同时也使其具有较低的截 获率( l o wp r o b a b i li t yo fi n t e r c e p t ，l p i ) ，这也是军事上得以应用的关 键原因。 灵活的数据传输速率。 超宽带系统之所以成为研究的热点，除了上述特点外，主要在于其低功耗、低成本、 高数据率：低功耗对电源要求降低；低成本使其可以广泛得到应用；高数据率使其 能适应今后网络数据传输的要求【8 1 。这些优点都成为推动超宽带技术不断走向应用 的动力。 超宽带系统的极大带宽和极低功率谱密度对这一系统的实现也提出了很高的 技术要求，超宽带技术走向成熟的道路上还有许多关键的技术需要实现，这些技术 主要有：脉冲波形的设计、调制解调、多址接入技术、接收机设计、信道估计与 同步技术、天线技术等等。 7 硕士学住论文 m a s t e r st h e s l s 型。 第三章超宽带系统模型 本章主要介绍超宽带系统的模型，包括发射端信号模型、信道模型和接收机模 3 1 信号模型 超宽带通信系统可以采用两种方式传送数据：其一是通过发送时间上很短的窄 脉冲来实现，这种技术称为冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) ；另外还可以采用多 载波超宽带( m u l t i c a r r i e ru w b ，m c u w b ) 形式，也称为频域超宽带( f r e q u e n c y d o a i n u w b ) ，其典型特例是0 f d 卅u w b ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n 叫l t i p l e x i n gu w b ) 系统i l 】a i r - u w b 系统不需要传统通信系统中的载波信号，而是直接发送时间上不重叠的 窄脉冲序列。将发送数据通过调制，映射到脉冲序列，然后通过多址接入，实现多 用户通信。所采用的调制和多址方式既可以采用传统技术，又有针对超宽带系统的 独特技术。 3 1 1 调制方式 调制方式可以采用传统的对幅度、相位、极性等的调制，也可以采用针对脉冲 位置的调制脉位调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 1 9 j 。 由于f c c 对超宽带脉冲信号能量的限定，如果仅用一个脉冲表示数据比特，那 么经过信道的衰落和噪声的干扰后，接收端接收到的有效信号能量很低，不利于检 测、恢复发送数据，从而降低了误码性能。因此，一个数据比特通常用多个脉冲表 示，以增大接收能量提高误码性能。 传统的调制方式应用在超宽带系统中主要有b p s k 和o o k 两种： _ l s ( f ) = 善鸸p ( f 一珥) ( 3 一1 ) 一。j 。u 第f 个数据比特o 或1 ，经过b p s k 调制分别映射为盔；1 和面1 ，经过0 0 k 调制则 8 分别影射为喀一o 和喀一1 。每个数据比特包含m 个脉冲，每个脉冲构成一帧，乃 为帧时间长度，脉冲宽度为乙，并且乃口0 ：脚标，表示第f 个比特内的第，个帧。 由于帧时间长度远大于脉冲宽度，这就为脉位调制提供了条件，这一特点是超 宽带系统特有的，因此，脉位调制也是超宽带系统的专利。根据发送数据o 或1 ， 可以决定是否产生一个时间偏移量，经过脉位调制的发送脉冲序列表示为： 一1 s o ) 昌p ( f 一珥一6 i 6 ) ( 3 2 ) 其中，6 表示p p m 调制的时间偏移量，若发送数据0 ，则没有此偏移量；若发送1 ， 则脉冲发射时间后移6 。 二进制数据“0 1 ”经过三种调制方式调制后形成的脉冲序列如图3 1 所示： ：0：0：0：0：口： m ；!；11 1 ；11 1 ；1 ( a ) b p s k 调制 ( b ) 0 0 k 调制 ( c ) p p m 调制 图3 1 三种常见调制方式 9 壤士学位论文 m a s t e r st h e s l s 3 1 2 多址接入方式 为了实现多用户通信，多址接入对超宽带系统也必不可少。所采用的接入技术 典型有直序扩频( d i r e ts p r e a du 船，d s u w b ) 和跳时( t i m e h o p p i n gu w b ，t h u w b ) 接入【1 0 】【1 ”。 d s u w b 采用扩频码进行扩频，可表示为： 施 s ( f ) 叠，乏c j 却( f 一珥一 ) ( 3 3 ) 其中，c 为扩频码长度，c ，为第j 个扩频码片，取值为1 或一1 ；扩频码可以采用 p n 码、w 矾s h 码或者g 0 l d 码。经过直序扩频，同时也实现了脉冲的重复，脉冲重 复个数和扩频码长度相同。式中还包含了三种调制方式( 具体实现时取其中任意一 种) ，表明调制和多址技术的结合产生发射脉冲序列。 由前述可知，超宽带信号是极窄的单脉冲，而每个脉冲所占的帧时间则相对较 长，因此，信号的占空比很低，这为跳时接入提供了条件。在每一帧内划分多个时 隙，根据不同跳时码确定每帧内脉冲的时隙位置，每个用户拥有各自的一组跳时码， 因此，每个用户的脉冲位置不同，以此来区别不同的用户，这就是跳时接入的原理。 t h u w b 模型可表示为： s o ) = 茏盔p ( f 一珥一嘱一觑6 ) ( 3 4 ) l j l i 其中，正为时隙长度，c j 为第，帧内的跳时码，取值满足q 【o 】的整数， 需 满足o 蔓帆瓦s 耳。 图3 2 所示为1 r i - i 刑b 系统。发送数据“0 1 ”经过b p s k 调制得到正负脉冲序 列，每个比特由4 帧构成，每帧分成4 个时隙，跳时码分别为【o ，3 ，2 ，2 】和【1 ，2 ，o ，0 】。 l f 图3 2 单用户t h u 1 】| b 模型 1 0 硕士学住论文 m a s t b r st 王 e s j s 此外，还有一种较新的接入方式称为伪混沌跳时多址接入( p s e u d o c h a o t i c t i m e _ h o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ，p c t hm a ) ，它将混沌理论引入到跳时技术中，利 用符号动态原则产生与输入比特有关的非周期伪混沌跳时码，用脉冲序列区分用 户，不同用户的脉冲序列不同【1 2 】【1 3 】。类似于c d 姒，每个脉冲序列是用户的唯一“标 识码”，每个用户可用与它“标识码”匹配的滤波器解调。混沌映射关系常用贝努 利映射( b e r n o u l l im a p p i n g ) 和帐篷映射( t e n tm a p p i n g ) 或双帐篷陕射 ( d o u b l e t e n tm a p p i n g ) 。以贝努利映射( b e r n o u l l im a p p i n g ) 为例，分析其多址接 入模型。贝努利映射关系表达式为： 而1 = 2 蕾m o d l ( 3 5 ) 状态工可以用二进制形式表示成为： 石一。蝴= 岛2 一， ( 3 6 ) 耳 式中，6 ，等于“o ”或者“1 ”，z 【0 ，1 。每次输入的新数据作为寄存器的最低有效 位，同时将寄存器中的数据右移并舍弃最高有效位。寄存器保存的是最后m b i t 的 输入数据，每一个比特的输入产生肘b i t 的输出。当移位寄存器的位数是m 时，编 码后数据取值为0 口一1 ，；垆。 多用户伪混沌编码跳时调制方案系统结构如图3 3 所示。输入数据经伪混沌编 码实现对功率谱谱线的搬移，编码后数据为d p ) ，上标代表第七个用户，下标代表 第j 个比特的数据，d o ，一1 】。为了减少其他用户信号脉冲造成的干扰( m a j ) ， 在帧结构中加入伪随机的时间偏差，偏差的取值由分配给用户的特定伪随机序列产 生。经p p m 调制后，信号送入波形发生器，第七个用户发送的信号可以表示为； s ( ) ( f ) = p 一西一c k d j q 正) ( 3 7 ) 式中，写为帧周期，每一帧被分成一掣个时隙；时隙周期为= 乃，；每个时 隙又被分成肮个码片，每个码片周期为瓦一正，c 。c p ) 为第七个用户所对应的伪随 机序列，周期为以，分布在o 口札一1 之间，从而保证在每一个时隙中的，个脉冲 串不会落到下一个时隙。 1 l 图3 3 多用户伪混沌编码跳时方案结构框图 将数据调制与接入方式相结合，最终形成了待发送的脉冲序列。 3 2 信道模型 对于任何一个无线通信系统，信号在传输过程中，都会发生反射、衍射和散射， 使得同一发射信号经过多条路径到达接收端，形成多径传播( 叫l t i p a t h p r o p a g a t i o n ) 。接收信号的幅度、相位及角度随着不同路径产生波动，称为多径衰 落( 哪l t i p a t hf a d i n g ) 【1 4 1 。除了衰落，信号还会混杂噪声以及受到干扰。信号传播 的路径可称之为信道；信道中经过的衰落、噪声和干扰，称为信道特征【1 5 】。这些衰 落、噪声和干扰，对通信质量有很大影响，为了准确描述、评价和设计一个通信系 统，准确的信道模型异常重要。 与其他窄带系统相同，超宽带系统的信道特征也可以划分为三类：大规模衰落 ( 1 a r g e s c a l ef a d i n g ) 、小规模衰落( s 腿l l s c a l ef a d i n g ) 及噪声和干扰【。由于 超宽带系统主要应用于短距离通信，其信道模型又具有不同于普通窄带系统的特 点，许多研究人员对超宽带信道模型做了大量工作【切，i e e e 信道委员会针对超宽带 系统信道特点，最终确定了标准的信道模型1 8 l 【1 9 l ，这两个模型分别针对高速和低速 环境。 3 2 1 大规模衰落 大规模衰落又称为对数正态阴影作用( 1 0 9 n o r m a ls h a d o w i n g ) ，它表示由于在 大范围内移动而引起的平均信号能量的减少或路径损耗，其原因是收、发端之间的 高山、森林、建筑等地表轮廓的影响，接收信号被它们遮挡( s h a d o w e d ) 了。大规模 衰落的路径损耗通常表示为距离的函数，即用平均路径损耗和围绕均值的对数正态 分布变量来描述【1 9 l ： ，、 p l ( d ) ；，+ 1 0 尼1 0 9 1 0 i l + s ( 3 8 ) 以o ， 其中，是在参考距离如( 通常为1 米) 处的路径损耗；n 为路径损耗指数，它 与具体的环境有关；d 是收、发端之间的距离；s 是零均值、方差为砚的高斯随机 变量。 3 2 2 小规模衰落 小规模衰落由收、发端问空间位置的微小变化而引起。如果接收信号中包含有 视行信号( 1 i n e o f s i g h t ，l o s ) ，则此时的小规模衰落称为莱斯衰落( r i c i a n f a d i n g ) ，莱斯分布的概率密度函数可表示为【1 6 l ： ，。p ( 一孝) 厶( 罟) 舱搿 c s - 。， io 。 其中，口为衰落幅度，盯：为幅度的方差，d ：为视行信号功率，厶( ) 为零阶第一类 修正的贝塞尔函数。 如果接收信号中不包含视行信号，则称为瑞利衰落( r a y l e i g hf a d i n g ) ，概率 密度函数为【1 6 】： 州- h 一杀) ：笔 其中，口为衰落幅度，仃：为幅度的方差。 标准信道模型采用n a k a g a m i 模型【1 5 】作为小规模衰落模型，衰落幅度的概率密 度函数为【1 9 】： p 一南( 小2 毗x p 悟2 ) 其中，巩为n a k a g a m i 模型因子并满足m v 2 ，它服从均值为肛。，标准方差为的 对数正态分布；r ( 肌) 为咖吗函数；q 是幅度均方值，对应着平均功率，其延迟符 合下面的功率延迟线模型。 3 2 3 功率延迟线 超宽带信号为极窄的单脉冲信号，具有很高的时间分辨率，因此，其信道也有 独特之处基于簇( c l u s t e r ) 的信道模型。该模型采用s v 模型，冲激响应为 硕士学住论文 m a s t e r 8 t h e s i s ( f ) 5 善荟m ，6 ( 嘲啊) 3 。1 2 该模型中，包含有l 个簇，第f 簇内多径数为k ( f ) ：m 为第z 簇内第七条多径的系 数，正是第确的延迟，吼。是第埔内第七条多径的延迟。 簇的数目厶服从均值为云的泊松分布： 比) i 鳢磐 1 3 ) 簇到达时间服从速率为a 的泊松过程： p ( 五i 正一t ) za e x p 一a ( 五一五一) 】 ( 3 一1 4 ) 经典s - v 模型中，簇内多径到达时间服从速率为a 的泊松过程，但是在超宽带 系统中，为了适应不同的室内环境，采用两个泊松分布的混合过程描述簇内多径到 达过程，即： p ( 靠i “剖) 一触e x p 一 ( 靠一砭一1 ，) 】+ ( 卢一1 ) 屯e x p 一九陬j 一叫) ( 3 一1 5 ) 其中， 和九表示两个泊松过程的到达速率，卢是两者的混合概率。 参数五和仉，反映了信道中多径的时间延迟特点，而参数吼则反映了多径的能 量特点： 她，1 2 ) - 岛六唧( _ 詈) c s 一砷 其中，q 为第f 簇的能量，它服从下面的对数正态分布；n 是第瑾羹内的时间延迟 常数。 - 。b 酬划l o g 【唧( 一孙m p 忉 m 。是方差为叱，的正态随机变量。 为了简化表达形式，可将( 3 一1 1 ) 式改写为： 1 4 6 ( t ) 。善刚( ) ( 3 一1 8 ) 其中，l 为总多径数目，嘶为第z 条多径的幅度衰减，研为第z 条多径的延迟。 至此，超宽带系统信道模型完全建立。 以i e e e 8 0 2 1 5 4 a 标准信道模型中的c m l 为例，这是包含视行信号的室内环境 信道模型，可以得到如图3 4 所示的离散信道冲激响应。图( a ) 中，纵轴表示冲激 响应的幅度，横轴则是顺序的离散时间点。为了更清楚地看到簇与多径的关系，将 图( a ) 进行局部放大，得到图( b ) 。由图( b ) 可以清晰地观察到簇内有多条多径，并 且第一条多径的幅度最大，以后逐渐减小。直到下一个簇到来，形成一个新的幅度 最大值的多径。 ( a ) 离散信道冲激响应 ( b ) 细节放大图 图3 4i e e e 8 0 2 1 5 4 a 标准信道模型之c m l 离散冲激响应 3 3 接收机模型 超宽带信号采用的极窄脉冲，时间分辨率很高，因此时间分集效应非常明显， 这为接收端分集合并技术的应用提供了很好的基础。由信道模型也可以看出，脉冲 在传输过程中，形成了丰富的多径信号。接收机可以利用这些多径信号进行合并以 提高接收信号能量，有效恢复发送数据。此外，每个数据比特由多个脉冲构成，这 也增加了到达接收端的脉冲数目。针对如此多的接收脉冲信号，接收机可以采用软 判决检测，也可以实行硬判决检测。软判决时，接收机把全部脉冲信号作为一个单 独的多脉冲序列信号，将其与模板信号或掩模信号进行相关，得出的相关值与门限 值比较，从而判决恢复发送数据。硬判决时，接收机将每个接收脉冲进行相关判决， 并恢复为发送数据，最后根据大数原则：判决恢复得到的数据“1 ”和“o ”中，数 目多的即为发送数据1 5 】。 根据接收端相关时采用的参考脉冲( r e f e r e n c ep u l s e ) 产生机理的不同，超宽 带系统可分为两大类：l g r ( l o c a l l yg e n e r a t e dr e f e r e n c e ) 系统和t r ( t r a n s m i t t e d r e f e r e n c e ) 系统。相应的，两种系统分别采用r a k e 接收机和自相关接收机 1 6 顽士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 3 1r a k e 接收机 l g r 系统在发射端只发送数据脉冲序列，接收端进行相关检测时，根据对信道 的估计产生参考信号，然后将其与接收信号做相关判决，因参考脉冲在接收端本地 产生，所以该系统称为l g r 系统，采用r a k e 接收机进行数据恢复f 2 l 】。 r a k e 接收机最初的设计目的是用于解调经过多径传播的宽带伪随机序列信号， 现在，已被广泛应用于多径信道下的扩频通信系统。r a k e 接收机内含一系列的相关 器，每个耙指与一个多径分量同步，其输出为某一种合并方式下的相关输出。亦即， r a k e 接收机能够把到达时间不同的多径信号对齐，然后加以合并，进行数据检测。 图4 1 所示为典型的相干r a k e 接收机框图【1 l 。由图可知，接收到的多径信号经 过延迟，与信道状态信息鬼( f ) ( f = 1 ，2 ，工) 和参考信号品( f ) ( f = 1 ，2 ) 相乘，然后进 行相加并积分，最终判决恢复数据。 黾 图3 5r a k e 接收机结构框图 经过衰减的接收信号为： 1 7 旬0 ) ，( f ) = ( 小s ( f ) + 昨( f ) = 娜( 卜可) + n ( f ) ( 3 1 9 ) 曰 对应两个可能的发送数据“o ”和“1 ”，分别有参考信号b ( f ) 矗。a 经过信道估计与 同步后，采用最大比合并： z 。= 瓢r ( f ) 诹( f 一而) 出 ( 3 删a ) z l = 善：，o ) 画曲。一面) 出 ( 3 2 0b ) 虚和f 分别为估计的信道衰减系数和延迟，z 为积分长度。判决变量为： z = z o z j ( 3 2 1 ) 若z ，0 ，则判决输出“o ”，若，反之，则判决为“1 ”。 r a k e 接收机在检测中的优良性能，主要得益与对信道的准确估计和对多径信号