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tx095超宽带通信中的分集技术研究,机械毕业设计

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超宽带通信中的分集技术研究 The Research of the Diversity Technology in the UWB Communication System nts 1 摘要 超宽带 (UWB) 无线通信技术是一种利用时域资源的通信新技术 ,因其具有低功耗、良好的抗干扰和抗多径的能力和高的系统容量而受到普遍关注。本文对超宽带的历史和超宽带的基本原理及其关键的技术作了简要的介绍。并对 UWB通信中的接收做了进一步的分析，对未采用分集接收以及采用分集接收的接收机误码率作了理论分析，并利用 MATLAB进行了仿真，分析与仿真结果表明，在超宽带无线通信系统中引入分集技术，系统的误码率有了较明显的改善。 关键词 ： 超宽带无线通信；跳时；脉冲位置调制；相关接收；分集 nts 2 Abstract Ultra-wideband (UWB) is a new wireless communication technology in time domain, More comprehensive attention has been taken to it because of its low power consumption, good ability of anti-interference and multiple path and high system capability. The paper simply introduced the history of UWB, the basic principle and the key technologies of UWB. Especially, We had a further analysis about the receiving in the UWB communication system. Then we analyze the bit error probability performance of the two models that using diversity technology by MTLAB .The results obtained are compared by theoretic analysis and computer simulation .The simulation results show that it has apparently improvement of the bit error probability after lead diversity receiver into the Ultra-width band communication system. Keywords: Ultra-width band； Time Hopping ; Pulse Position Modulation； Correlation-receive; Diversity Receive nts 1 目录 第一章 超宽带简介 . 1 1.1UWB 的历史 . 1 1.2 UWB 的定义 . 2 1.3 UWB 信号 . 2 1.4 UWB 无线通信的基本原理 . 3 1.5 UWB 的特点 . 5 1.6 UWB 的应用 . 6 第二章 超宽带通信系统组成 . 7 2.1 全双工 UWB 通信系统 . 7 2.2 全双工 UWB 冲激无线电通信系统规范实现 . 9 2.2.1 发射机 . 9 2.2.2 接收机 . 9 2.3 UWB 中存在的问题 . 10 第三章 最佳接收机与分集接收 .12 3.1 基本的接收理论 . 12 3.1.1 数字信号接收的统计表述 . 13 3.1.2 概率分析法中的最佳接收准则 . 16 3.1.3 相关接收机 . 18 3.1.4 RAKE接收机 . 20 3.2 UWB 系统中的相关接收机的基本原理和实现技术 . 22 3.3 分集接收 . 23 3.1.1 几种基本的空间分集技术 . 24 3.2.2 极化分集 . 26 第四章 分集技术在 UWB 系统中的应用 .28 nts 2 4.1 构建室内环境 . 28 4.2 未采用分集技术时的误码 率分析 . 28 4.3 采用分集技术后的误码率分析 . 32 4.3.1 空间分集 . 32 4.3.2 时间分集 . 35 结束语 .37 致谢 .38 参考文献 .39 附录 .40 nts 1 第一章 超宽带简介 由于数据业务的推动 ，短距离无线系统 呈现出巨大的发展潜力 ， 特别是近年来在短距离通信中提出了个人局域网 (Personal Area Network， PAN) 的概念 ， 更使该领域的应用技术成为通信界关注的焦点。 PAN 的核心思想是用无线电波或红外线传输数据的方式取代传统的有线电缆模式 ， 组建个人化的信息传输网络。目前实现 PAN 的主要技术有 ： 蓝牙 (Bluetooth)、 IrDA( Infrated Data Association)、 Home RF 以及超宽带 (Ultra-WideBand， UWB) 等 4 种 ， 其中具有高性能、低功耗和低成本无线数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术之一。 UWB通信 技术在上世纪 60年代已被提出。 1964年 ， Ross在博士论文中采用微波电路 (包括宽带天线结构 ) 证实了发射与接收脉冲信号的可能性。 1993年 ， 美国南加州大学通信科学研究所的 R A Scholtz 在国际军事通信会议 (MILCOM93) 发表论文 ， 论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术 ， 从而开辟了将 UWB脉冲作为无 线电通信信息载体的新途径。此后 ， 美国、日本等许多研究机构、大学已相继投入对这一未来无线电技术的研究。 在过去的很长时间， UWB技术一直应用于军事领域。由于 UWB通信 是速率高于 IEEE 802.11a、IEEE802.11b和蓝牙的超高数据速率的无线连接，被认为是“有望取代蓝牙及无线 LAN的无线通信技术”，所以民用化的呼声很高。在 2002年 2月 24日，美国联邦通信委员会 (FCC)批准了超宽带无线技术的民用许可，目前，国内外许多研究小组正在致力于 UWB通信的民用化研究。 1.1UWB 的历史 60年代后期 ,Harmuth美国天主教大学 ， 罗斯和罗宾 (R&R)的 perry Rand公司 ,Paul Van Etten 的 USAF的罗马空气发展中心和前苏联在 UWB射频 （ RF） 信号方面的研究对通信领域的发展作出了巨大的贡献。Harmuth在 1969至 1984年所著的书籍及出版物 ,为超宽带发射器与接受器提出了基本的设计思路。大约在相同的时间 ,罗斯与罗宾提出的专利，独立的开拓了将超宽带信号用于一系列应用领域的方法，包括通信和雷达以及使用编码方案。罗斯的专利（ 1919年 4月 17日）是超宽带通信领域的一个里程专利。 Harmuth和 R&R使用了匹配滤波器接收方法，这个方法 50年来一直应用，直到今天。 Van Etten对 UWB系统的经验测试得益于系统设计和天线设计理论的发展。 1974年 Morey为穿透地面设计了一个 UWB雷达系统，成为了地球物理学的调查系统公司 (GSSI) 的商业成功。此后其他的 UWB雷达设计伴随而来。在 60年代后期，Tektronix 公司的示波器和无线接收器的发展，推动了 UWB技术的前进，如 Tektronix的型号为 7S12时域接收器插件，它的取样电路用一个同步于短周期整流器的传输门使 UWB信号分流。在 Hewlett Packard公司包括取样示波器发展在内的许多项进步对 UWB设计都很重要。 1964年， Hewlett Packard和 Tektronix分别产生了第一个时域装置用于测试。 60年代， Lawrence Livermore国家实验室 (LLNL) 和洛萨拉摩斯国家实验室 (LANL)都进行了脉冲发射、接收和天线的最初研究。 Cook和 Bernfeld的书 (1967)概述了 1952年在 Sperry Gyroscope公司开始的脉冲压缩 ,匹配滤波器和相互关系技术的发展。 70年代， LLNL扩大了基于激光的测试研究到了脉冲测试 研究。 因此 70年代早期 UWB信号系统的基本设计是可行的，而且在这种系统中，并没有主要的问题。事实上nts 2 ,到 1975年用于通信或雷达的 UWB系统可能从 Tektronix公司购买部件构造出来。 1978年班尼特和罗斯提出了著名的 UWB脉冲产生方法。从那时起就开始有各种不同的会议，光学照片设备工程师之间的会议， LANL、工艺的大学、布鲁克林，和在其他的国家召开的会议，涉及了许多相关的 UWB脉冲生成技术。 在 1977至 1989期间，以 Col J.D.泰勒为首的 USAF提出了第一个 UWB系统的开发方案。这时，前苏联 UWB技术研究已经有实质上的进步，与美国的进展相平行。 1994年 LLNL,T.E.McEwan发明了微功率脉冲雷达（ MIR），第一个工作在超低功率的 UWB系统，其结构极其紧凑且价格廉价。这是第一个工作在仅有微瓦的电池排出管上的 UWB雷达。这个设计的接收方法也第一次应用于极端地敏感的信号探测上。 1.2 UWB 的定义 超宽带无线电 (ultra-wideband radio)是指具有很高带宽比 (射频带宽与中心频率之比 ) 的无线电技术。由于通常采用超短脉冲 (或冲激脉冲 )产生超宽带信号 ， 带宽比高于 100 % , 因而又 称为冲激无线电。 众所周知 ， 一般的通信技术是把欲传输的信息信号从基带调制到载波上 , 所谓的宽带通信是指具有大的传输带宽或调制带宽和高的数据信息传输率。而 UWB是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制 ， 从而具有 GHz量级的带宽。超宽带技术是一项革命性的无线通信技术 ， 它利用持续时间较短的电磁脉冲在较宽的频谱范围内低信噪比地传输数字数据信息 ， 具有较高的频谱利用率 ， 并解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题 , 同时开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量 (以每平方米每 Hz位数衡量 )的新无线信道 。 1.3 UWB 信号 图 1 典型高斯单周期脉冲的时域和频域波形 超宽带信号通常定义为 : 信号的分数带宽 (Fractional Band-Widths， FBW)大于 0.25，即信号带宽高于中心频率的 25 。对于无载波的超宽带信号 ， 分数带宽定义为 : LHLH ff ffFBW )(2（ 1-1） nts 3 式中 ， Hf 和 Lf 由能量带宽 ( EB )给出 ， EB 是一频率范围 ， 在这个频率范围内 ， 信号能量占信号频谱总能量的 90 %或 95 % ， 该频率范围的上限频率用 Hf 表示 ， 下限频率用 Lf 表示。另一种 UWB信号的分数带宽的定义为 ： cfBFBW （ 1-2） 式中 ， B 为绝对带宽 ，cf为发射信号的载波或中心频率。图 1.1 显示了广泛应用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域波形。单周期的高斯脉冲时域和频域数学描述为： 26e x p36)( tteAtv （ 1-3） 222 6e x p232 fefjfv （ 1-4） 此处 是一个时间延迟长度 ， 此处等于脉冲的持续时间 (图中 取 0.5 10- 9 秒 ,即 0.5ns) 。由图 1.1可见 ， 典型的高斯脉冲的带宽已经大于 2GHz。 在实际的通信中，通常会发送连续脉冲来传输信息 , 当然有规则周期性的脉冲并不携带任何信息 ，相应地由于时域中信号的周期性，反而会使造成频谱的离散化 , 使频谱中产生强烈的能量尖峰 ， 这样会对传统的无线电设备和信号造成干扰。在 UWB脉冲发送时，比较适合用于调制的参量是脉冲的位置 ，即采用脉冲 位置调制 (Pulse Position Modulation , PPM) 。 1.4 UWB 无线通信的基本原理 图 UWB的 PPM跳时模式图 典型的脉冲位置调制 (PPM)的跳时方式为： j k Njckjfk sTcjTtxtS /)( （ 1-5） 式中 )(tx 发射脉冲波形 ， 以发射机时钟为起始点 ； 上标 k 彼此独立的发射机的数量 ；fTnts 4 脉冲重复时间 ， 因 此 j fjTtx 时间间隔为fT的脉冲串。为了避免因多址接入而产生的脉冲碰撞 ， 每个用户使用一个特定的时跳模式 kjc， 此时跳模式 kjc为相互正交的伪随机序列或称为时跳码 ；cT 可设定的延时时间。而时跳码是周期性的且周期为sN， 则时跳码有如下特性 kjK iNj cc s （ 1-6） 假设 kjc为整数 且hkj Nc 0和fch TTN ， 则fch TTN /表示在时间fT内允许进行时跳的时间比例。当fch TTN /的值小于 1但接近于 1时 ， 碰撞发生的概率极小。由于时跳码的周期为sN， 则 j ckjf TcjTtx周期为fss TNT 时 ， 跳时码进一步平滑了功率谱密度。 kj为第 k个发射机发射的二进制符号信息。通常情况下系统采用过采样调制 ， 即符号为 0时 ， 被调制的单脉冲没有附加时移 ，当符号为 1时 ， 被调制脉冲有 的附加时移。数据调制同样平滑了随机时跳码调制后的功率谱密度。在时域无线通信系统中如有uN个用户 ， 则接收到的信号可表示为 tntSAtr uNk kkk 1 （ 1-7a） 式中kA 第 k个用户信号经过信道传输至接收机的传输损耗 ：k 第 k个用户信号经过传输路径后的时延 ： )(tn 高斯白噪声。对于第 k个用户来说 ， 接收机接收到的信号可表示为 )()()( tntSAtr to tkkk （ 1-7b） 当系统完全同步时 ， 接收机以时间间隔sT检测到序列 )(tr ， 此序列包含有代表数据 kj的信息 ， 此时第 k个接收机的检测问题是一个标准假设检验问题。当 0)()(1)1( )1( ssfkfkNiiNjTjjT ckjfk dtTcjTtvtr （ 1-8） 时 ， 判决 kj。这里 txtxtv )( 为单脉冲的接收模板信号，且 1)1( )()()( ssNiiNj ckjfkb i tb i tb i t TcjTtvtxtxv （ 1-9） 为比特周期相关器所采用的接收模板信号。接收机的原理图如图 1.3 所示。 需要指出的是，当系统不止一个信源时 ， 接收所需信号的接收机模型不能简单的用 (1.9) 式来表示 ，其处理方式要复杂得多。 时域超宽带通信系统之所以具有良好的抗干扰能力 ， 是因为该系统采用了伪随机编码 ， 随机时间调制和相关接收等方法 ,使其具有很高的处理增益。处理增益为射频带宽和信息带宽之比。对 CDMA ,一个 8kHz 的信息带宽的信息被扩展为 1125MHz 的信道带宽 ， 其处理增益为 156(22dB)， 而时间调制超宽nts 5 带系统发射 8kHz 的信息则有 2G的信道带宽 ， 处理增益为 250,000(54dB) 。 图 3 接收机原理图 1.5 UWB 的特点 （ 1） 抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与 IEEE802.11a、 IEEE802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下， UWB具有更强的抗干扰性。 （ 2） 传输速率高 UWB的数据速率可以达到几十 Mbit/s到几百 Mbit/s，有望高于蓝牙 100倍，也可以高于 IEEE802.11a和 IEEE802.11b。 （ 3） 带宽极宽 UWB使用的带宽在 1GHz以上，高达几个 GHz。超宽带系统容量大，如果可以做到和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰，这在频率资源日益紧张的今天，将开辟了一种新的时域无线电资源。 （ 4） 消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗电能较大。而 UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲 电波，也就是直接按 0和 1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。 （ 5） 保密性好 UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能接收到发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 （ 6） 发送功率非常小 nts 6 UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于 1mM的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这一特点大大扩展了 UWB的应用面。 1.6 UWB 的应用 通常把无线电 技术应用分为军用和民用。在 民用中， 目前 UWB的应用主要定位于短距离高速无线数据传输。 UWB可用于数字电视、摄影机、摄录一体机、 PC机、机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网（ PAN, Personal Area Network）。总之，UWB定位于家用类设备和终端间的无线连接，家用类设备之多，决定了 UWB的应用之广。 UWB 本来是为军事目的而开发的，而后的商机使 FCC 批准其民用，并将 3.110.6GHz 作为 UWB频带。 UWB 被批准民用后，众多家电厂商和个人电 脑厂商蜂拥而上进行产品开发。如英特尔公司在 2002年就宣布成功试制出了采用宽带无线技术 UWB 的系统，系统最大数据速率为 100Mbit/s，通信距离为2m； IEEE802 委员会已将 UWB 作为个人局域网 PAN 的基础技术之一来研讨；新加坡新龙公司在 2002年汉诺威 CeBIT 展览会上，演示了 UWB 技术。 nts 7 第二章 超宽带通信系统组成 与常规无线电相比 ， 超宽带无线电具有宽频带、低平均功率、优良的抗检测性能和多径分辨能力等特点。与其它具有 GHz带宽的通信技术相比 ， 超宽带无线电比红外通信具有更强的穿透能力 ， 比毫米波通信成 本更低。由于上述特征的存在 ， 我们不可能通过改进常用的双工方法来实现冲激无线电双工通信系统。下面介绍采用脉冲交错技术来实现全双工 UWB通信系统。 2.1 全双工 UWB通信系统 超宽带冲激无线电系统全双工传输的目的是提供类似于电话又不同于无线电话的双向信息传输。因为它利用完全 (或至少大部分 )的电磁谱 ， 所以需要一种新技术而不是频分 双工（ FDD） 的传统方法 ， 因此提出了脉冲交错技术加以解决。 图 5 全双工冲激无线电通信系统 图 6 脉冲交错 图 5是一个有代表性的全双工冲激无线电通信系统框图。第一个收发信机由发射机 T1与接收机 R1组成 ； 第二个由发射机 T2 与接收机 R2 组成。发射的信号通过媒介 (空间或电缆等 ) 在 T1与 R2， T2与 R1之间传播。如图 6所示 ， 发射机 T1发送出一串已调制的脉冲 ， 接 收机 R1 在隔时间内接收 T2 发送的脉冲。 这种实现的复杂性在于收发信机 (收发信机 1， 2)在某一范围内 ， 对一个或另一个信号保证能正确地同时收发 ， 但是在 所允许功能的接收机内 ， 同时收发需要大量的动态范围。就是说由脉冲重复速率决定的离散区域里，同时收发对于每个收发信机是必要的。如图 7， 图 7 脉冲传送 nts 8 脉冲 (T1发送的 )与脉冲 (T2发送的 ) 在相互紧接的位置 (这里把它称作争用区域 ) 上准确通过。这里存在实际不能移动的一系列争用区域。即使一个或两个收发信机都移动 ， 仍将产生争用区域。 根据上述情况 ， 关于脉冲交错的信号捕获问题 ， 如图 8所示。 T1开始发射信号到 R2， R2扫描检测并通过扫描装置获得同步。一旦 R2同步 ， T2开始发射 ， 然后 R1扫描检测。如果 R1正好工作在争用区域 ， 它就不会与 T2同步。因此 ， 在它得知是否用 10ns或 100ns的发射机接收时延之前 ， R1必须等待一个来自 T1的确认消息 ACK。如果收不到或某一段时间后收不到 ACK， T2暂停发射 ， 并用 100ns延时发射脉冲 ， 再进行一次捕获 ， 这样形成一个有条件的循环。如果 T1发送 ACK， R2就译码捕获信息 ， T2再回复一 个 ACK。通信链路建立 ， 两收发信机同步。 图 8 脉冲交错的信号捕获 图 9 短脉冲交错 由于移动环境带来了独特的争用区域问题 ， 因此下面的方案将明确地解决移动环境问题 ， 而且直接规定怎样免除死锁与争用区域问题。目前较好的方案是短脉冲串交错方法 ， 见图 9， T1开始发射短脉冲串 ， 如 10 s一个长度。在目前已有的实现中 ,1个短脉冲串在 2Mpps (pps指 pulses per second， 1 Mpps = 每 s有 1000 000个脉冲 ) 中有 20个脉冲或在 5Mpps 中有 50个脉冲。由于传播时延 (也就是距离延迟 ， 约等于 0.3048m/ns) 与 R2扫描延迟， R2在一段时间后接收到第 1个脉冲串。 在接收的短脉冲串的最后 ， R2获得同步。 T2再发射包含信息调制的短脉冲串，经过与 R2相同的距离延迟， R1扫描检测后并获得同步。如果短脉冲串间隔时间足够，即使两收发信机的位置不同，间距不同，也决不会发生短脉冲串碰撞。短脉冲串延迟的标准足够容纳来回路径延迟与短脉冲串宽度 。实际上 ， 在接收机用尽全部接收时间且还未请求再次发射时，短脉冲串间隔应尽量的远。 nts 9 2.2 全双工 UWB冲激无线电通信系统规范实现 2.2.1 发射机 TM2UWB 发射机由一个工作在数字模式下的晶体管构成 ,晶体管在状态“ 0”和“ 1”之间跳变 ,从而产生阶跃波形脉冲 ,阶跃脉冲经过低通滤波器后很容易得到单脉冲波形。与常规的窄带发射机不同的是TM2UWB发射机没有线性放大器 ,如图 10a 所示。 图 10a TM-UWB发 射机示意图 图 10b 全双工 UWB通信系统框图 UWB通信系统中发射机 T1与 T2的具体实现见图 10b。 一个时间基准单元 ， 产生周期时钟信号 A 去时延调制器 ,时延调制器把周期时钟信号 A与来自信息源的信息信号 B进行调制，得到一个调制时钟信号C， 送码时间调制器，码时间调制器用 PN码调制 C，再输出一个调制编码过的信号 D到输出单元，已调制编码的信号 D触发输出单元，经天线将其转换成电磁脉冲 F发射出去。 2.2.2 接收机 UWB通信系统发射机 R1与 R2的具体实现见图 10b。 接收天线接收传播 UWB信号信号 G， 经传输线耦合到nts 10 相关器 ； 接收机还有一个译码调制器 /译码源与可调整的时间基准 (包含压控振荡器与可变时延产生器 )，译码调制器译码源产生一个与 PN码一致的译码信号 H， 这里的 PN码是与接收机通信的发射机使用的 PN码，可调整时间基准产生周期信号 I， I是与接收信号 G波形相同的模板信号脉冲序列。相关器检测过程 ： 先将接收信号 G与译码信号 H 进行相关操作，再积分产生一个基带信号 K， 基带信号 K一路经解调器产生一个解调信息 L， L实质上就是发射机发射的信息；另一路经低通滤波器产生一个误差信号 M， 去捕 获与同步控制器，提供一个小相位差到可调时间基准。 图 11 应用短脉冲交错技术的收发信机框图 图 11 是应用短脉冲串交错技术的收发信机组成框图。发射机短脉冲串控制器与接收机短脉冲串控制器添加到收发信机基本结构框图中。这两个控制器可以是可编程控制 (用 EEPROM)。 一个用来调节调制编码信号位置 ， 另一个用来调节调制的周期时钟信号。捕获与同步控制器决定并提供脉冲交错的时延。与此类似，在其它实现中，捕获与同步控制器和短脉冲串控制器能可编程控制脉冲重复速率与抖动窗。 全双工 UWB通信系统 收发信机是由一个发射 UWB脉冲的发射机与一个接收 UWB脉冲的接收机组成。为了实现 UWB脉冲的同步收发 ， 需采用脉冲交错技术。它可避免发送的 UWB脉冲信号与接收到的 UWB脉冲信号间的相互干扰。除脉冲交错通信之外，短脉冲串也能在两个工作在交错模式下的收发信机间进行传输。 2.3 UWB 中存在的问题 虽然 UWB技术具有很多优点，但是实际应用中，特别是物理层，还有很多关键技术尚待解决。 (1) 频带方案设计 可选择单频带方案或多子带方案。单频带方案采用亚纳秒级的基带脉冲进行通信，无须载波调制，实现简单。多子 带方案将 s级的基带脉冲调制到一个或多个子带的载波上进行传输。多子带方案增加了系统复杂度，但频谱利用率高，能够实现更高速率传输。 (2) 收发信机脉冲波形设计 对信道建模，通过研究信道的特性，考察传统的升余弦等脉冲波形，设计合适的脉冲波形 ,使发送信号适合高速无线信道传播，尽量抑制带外辐射，减小符号间干扰。 (3) 信道编译码与交织技术 nts 11 传统的编译码方式有卷积码和 RS码，最新的技术有 Turbo码以及 LDPC（低密度奇偶校验码）等。传统的交织方案为块交织。实际中要求两者有效结合且易于实现，这就必须合理设计与编码 相适应的交织方案。 (4) 调制技术 有很多调制方式可供选择，需要探索合适的调制方式，实现传输距离和系统吞吐量的最佳折中。目前研究主要集中在 PPM、 PSK、 M-PAM等调制技术上。 (5) 多址技术 可选方案包括时分、频分、码分以及它们的混合形式，例如 TH-CDMA、 DS-CDMA 或 CSMA 等。 也可考虑使用正交多项式来实现多址方案。 (6) 空时处理技术 将空间和时间处理有效结合，利用信号的空间和时间特征，可以采用多天线阵列，能够提供阵列增益和分集增益。该技术提高了网络容量，并显著改善系统性能。 (7) 自适应调制与编码（ AMC）技术。根据信道的质量情况，选择最合适的调制和编码方式，并根据需要动态调节调制方式以及编码速率，将传输误码率控制在系统规定值以下。 (8) 定时同步技术 高的时间分辨率增加了对同步精度的要求，这就需要设计相应的同步算法，以求提高同步精度，同时避免高复杂度。 (9) 信号检测处理技术 为了对抗多径传播和衰落，可以分别采用信道估计、 RAKE 接收、多用户检测等信号处理技术。通过信道估计得到不同路径的时延、衰落幅度和相位等信息，合理设计 RAKE 接收机对多径信号进行合并。多用户检测性能 最优，但是复杂度太高，需要进一步实用化。 (10) 抗干扰技术 为了与现有的多种无线通信系统共存，必须解决与 IEEE802.11以及室内无绳电话等设备的互干扰问题，要求这些设备都能正常工作。 由于超宽带无线通信技术使用的是 ns量级的脉冲 ,因而其带宽可达 GHz , 虽然其平均发射功率很低 ,但它还是对其它常规通信产生干扰 ,目前国际上有关其对其它通信系统的干扰实验正在进行之中。如何选取信号或对发射信号的频谱加以限制，使对别的系统产生的干扰最小，从而得到 FCC的认可，是其目前面临的主要研究课题。但随着研究的不断进展 ,相信上面的困难一定能通过更深入的研究得到全面解决 。 对于调制方式而言 ,将常规的调制方式与超宽带脉冲位置调制相结合必将使传输速率更高 ； 对于发射和接收方式而言，发射和接收方式的改善 (如采用非相关方式进行接收 ) 必将使超宽带通信系统结构更为简化，得到更广泛 的应用和发展。 接下来的两章我们将对 UWB信号的接收问题作进一步的讨论和分析。 nts 12 第三章 最佳接收机与分集接收 3.1 基本的接收理论 一 个通信系统的质量优劣在很大程度上取决于接收系统的性能。这是因为，影响信息可靠传输的不利因素 (信道特性不理想及信道中存在噪声 等 )将直接作用到接收端，对信号接收产生影响。那么，从接收角度看，在前面几章阐述的各种通信系统中，其接收系统是否是最好的呢 ?这就涉及通信理论中一个重要的问题：最佳接收或信号接收最佳化问题。 最佳接收理论是以接收问题作为自己的研究对象，研究对淹没在加性噪声中的有用信号如何最好地提取。“最好”或“最佳”并非是一个绝对的概念，它是在某个准则意义下说的一个相对概念。这就是说，在某个准则下是最佳的接收机，在另一准则下就并非一定是最佳的。 考虑如图 12所示的系统，假设我们接收到信号 )(ty ，它既可以是由一个单独的均值为零、功率谱密度为 2/0N的高斯白噪声 )(tn 构成，也可以是由 )(tn 叠加一个已知波形的信号 )(ts 构成。为了确定两种可能情况哪一个为真，可以用一个线性时不变接收机处理接收信号 )(ty ，如果叠加有信号 )(ts ，并且接收机在时刻 Tt 的输出信号最大而输出噪声最 小，则接收机在该时刻的输出值要比没有信号)(ts 时大很多，此时接收误判的误码最小，接收机性能最优。 例如，采用开关信号的脉冲编码调制系统，脉冲 )(ts 代表符号 1，没有脉冲时表示符号 0。因而我们的问题是要按照某种准则来确定接收机的输入 输出的关系式，以尽可能地增强检测处理的能力。 一般来说，有两种方法来解决这个基本的最佳接收问题。一种是基于接收机输出端的信噪比的最大化，另一种是采用与我们所处理的系统 (如数字通信系统 )的性能参数直接相关的统计判决的 方法。这两种方法是： 概率的方法也就是所谓的相关接收机，接收波形与所发射的信号相关。 使输出信噪比最大，也就是所谓的匹配滤波器，与接收波形的信号分量相匹配。我们以后可以看到达两种接收机的结构实际上是等效的。 需要指出的是，在现代信号处理理论中，还存在有另一种最佳接收准则：最小均方误差准则 维纳滤波器。不过维纳滤波器理论所能解决的实际问题是受到限制的，卡尔曼等人在研究滤波问题时采用了状态变量法，建立了一种新的理论 卡尔曼滤波，从而使滤波理论向前发展了一大步。但是，可以证明，在一定条件下，用最小均方 误差准则得到的最佳线性系统是所有系统中最佳的。 nts 13 图 12 统计判决模型 3.1.1 数字信号接收的统计表述 在数字通信系统中，发送端把几个可能出现的信号之一发送给接收机。但对接收端的受信者来说，观察到接收波形后，要无误地断定某一信号的到来却是一件困难的事。因为，一方面，哪一个信号被发送，对受信者来说是不确定的；另一方面，即使预知某一信号被发送了，但由于信号在传输过程中可能发生各种畸变和混入随机噪声，也会使受信者对收到的信号产生怀疑。这就是说，受信者观察到的接 收波形并不是确定的，而是一个受发送信号的不确定性和噪声的不确定性等因素直接影响的随机波形，因而受信者也就不敢冒然断定发送的是哪个信号。然而，不确定性或随机性的存在，决不意味着信号就无法可靠地接收。因为，从概率论的观点看，只要我们掌握接收波形的统计资料，就可以利用统计的方法，即统计判决法来获得满意的接收效果。因此可以说，带噪声的数字信号的接收，实质上是一个统计接收问题，或者说信号接收过程是一个统计判决的过程。 从统计学的观点看来，数字通信系统可以用一个统计模型来表述，如图 12所示。图中的消息空间、信号空间、噪 声空间、观察空间及判决空间分别代表消息、信号、噪声、接收波形及判决的所有可能状态的集合。例如 ),.,2,1( mixi 代表消息空间的 m 个点，亦即几种可能的状态。如果 2m ，即二进制数字通信系统，则 x 有两种状态：例如 1x 表示消息符号“ 0”， 2x 表示“ 1”。与此相应，is代表信号空间 中的点，i代表判决空间中的点。因为在一般情况下可假设接收波形是发送信号和噪声的简单相加，因此，对模型中的 ynsx , 等参数能够做出准确的统计描 述。一旦得到了关于 y 的统计资料，我们就可借助一定的判决规则获得判决 注意，i的可能状态数与ix的相同，例如 在二进制系统中 , 只有两种可能状态。 现在让我们根据图 12的模型对参数 ynsx , 作必要的统计描述。 参数 x 代表着离散消息的所有可能取值mxxx ,., 21。从接收端的角度看，发送哪一个可能值是不确定的，因而只能用概率的概念来描述这种不确定性。假设每一可能值的发送是互不依赖的，则 x 的出现概率可以用一维概率分布 )(xP 加以表示，如图 13所示。 nts 14 图 13 消息 x 的概率分布 )(xP 因为 m 个消息必定发送其一，故下式成立 1)(1mi ixP (3-1) 若mxxx ,., 21出现的可能性相同，则 mxPxPxPm /1)(.)()( 21 ，这就是“等概”情况。 因为消息本身不能直接经 过信道传输，故必须把消息变换成适合信道传输的发送信号 )(ts ，以 s 参数表示。正如我们已经知道的 , x 与 s 之间必须建立一一对应的关系，故 s 必将有 m 个可能取值，msss ,., 21，而且 s 出现的统计规律同样由 x 的概率分布所确定，即有 )()() . . . ,()(),()( 2211 mm sPxPsPxPsPxP 而且，同样有 1)(1mi isP )(tn 这里简写为 n ，代表信道噪声的取值。我们仍然假定噪声是高斯型的 (均值为零 )随机过程，于是 n 的统计特性应该用多维联合概率密度函数来描述。令 n 的 k 维联合概率密度函数为 )(nfk， n 在k 个不同时刻的取值为 knnn ,., 21 ，则 ),.,()( 21 kk nnnfnf 已知如果噪声是高斯白噪声，则它的任意两个时刻上得到的值都是互不相关的，因而也是相互独立的；如果噪声为带限高斯白噪声，其功率谱密度为 2/)(20 HGn,则在给定的抽样时 刻上得到的值 (按Hf2 速率抽样 )也是互不相关的，因而也是相互独立的。因此，这时 )(nfk 可表示为 nts 15 ki inknkk nnfnfnfnf 1 2221 21e x p)2(1)() . .()()(3-2) 这里的 2n是噪声的方差，即功率。又因为当 k 很大时 ki iH nTf 1 22 1 代表在观察时间 ),0( T 内的平均功率：因此根据帕塞瓦尔定理同，应有 ki iHT nTfdttnT 1 20 2 2 1)(1 于是，噪声的功率谱密度可表示为 dttnnnf Tkn 020)(1e x p)2( 1)( (3-3) 式中 0n 噪声的 (单边 )功率谱密度，Hn fn /20 因为 )()()( tntsty ，故当接收到信号取值 )(),.,(),(21 tststs m之一时有 )(ty 将服从高斯分布：其方差仍为 2n，但其均值为 )(tsi( mi ,.,2,1 中的某一个 )。例如，对于 1)(,0)( 21 tsts 的二进制情况，出现信号 )(1ts 时， )(ty 的概率密度函数 )(1 yfs可表示成 dttynyf Tkns 0 201 )(1e x p)2(1)(3-4) 因为 )()()( 1 tntsty ，现在 0)(1 ts ，故 )()( tnty 。根据式 (3-3)即可得到式 (3-4)。同样根 据式(3-3)，出现信号 2s 时 y 的概率密度函数 )(2 yfs为 dttynyf Tkns 0201 1)(1e x p)2(1)(3-5) 因为这里 1)(2 ts ，即 1)()( tnty 。 )(tn 是均值为 0的高斯型，所以 )(ty 是 均值为 1的高斯型。利用推导式 (3-3)的方法就可得出式 (3-5)。 用与上面同样的方法可得到：在发送 )(tsi条件下 , )(ty 的概率密度为 dttstyntyf T iknsi 020)()(1e x p)2( 1)( (3-6) nts 16 3.1.2 概率分析法中的最佳接收准则 在数字通信中最直观和最合理的准则应该是“最小差错概率”。在数字通信系统中，如果没有任何干扰以及其他可能的畸变，则发送消息mxxx ,., 21，就一定能够被无差错地做出相应判决m ,., 21，但是 ，这种理想是不可能发生的。实际上，由于噪声和畸变的作用，发送ix不见得一定判为i，而可能判为非i的任何一个。这样，就存在错误接收。自然，我们期望错误接收的概率越小越好。 以二进制数字信号接收为例来讨论最佳接收准则，此时传输的差错概率为 )/()()/()( 212121 spspspspp e (3-7) 式中 )( 1sp 和 )( 2sp 为先验概率。 )/( 12 sp 和 )/( 21 sp 为错误转移概率。显然，使这个传输的误差概率最小是合理的。 把观察空间的取值域 Y 划分成 1A 域和 2A 域，该取值域的划分由接收机的构成决定。落在 Y 中的每个点代表着 )(ty 的一个实现。 1A 域的实现经接收机处理后，必判为 1 ； 2A 域中的实现，经接收机处理后，必判为 2 。因此式 (3-7)可写成 )/()()/()( 212121 sAPsPsAPsPP e (3-8) 式中事件“ 12 /sA ”表示发送端发送 1s 的条件下， )(ty 落入 2A 域，即该 )(ty 被判为出现 2 ，也就是说，事件 12 /sA 等效于事件 12/s ；事件“ 21/sA ”表示发送端发送 2s 的条件下， )(ty 落入 1A 域，即该 )(ty 被判为 1 出现，也就是说，事件 21/sA 等效于事件 21/s 。因此式 (3-7)可写成式 (3-8)。 此时就可以由最小差错概率准则导出似然比准则。上述系统的正确判决概率为 )/()()/()(1 222111 sAPsPsAPsPPP ec (3-9) 式中 )/()( 111 sAPsP 表示发送端发送信号 1s ，接收端有 )(ty 落入 1A 域的概率，也即表示发送端发送信号 1s ，接收端判为 1 的概率，这显然是正确判决的一种概率； )/()( 222 sAPsP 表示发端发 2s ，收端 )(ty 落入 2A 域的概率，也即表示发送端发送信号 2s ，接收端判为 2 的概率，这也是另一 种情况下的正确判决概率。两种情况下的正确判决概率之和，等于总的正确判决概率cP。上式中 nts 17 dyyfsAP A s 1 )()/( 111 dyyfsAP A s 2 )()/( 222 这里的 )(1 yfs和 )(2 yfs分别表示 1s 和 2s 出现的条件下 )(ty 的概率密度。 根据概率论运算法则，式 (3-9)可表示成 dyyfsPyfsPsPsAPsPsAPsPsPsAPsPsAPsPPA ssc 2)()()()()()/()()/()()()/()()/(1)(112211212221222121 (3-10) 或 dyyfsPyfsPsPP A ssc 1 )()()()()( 22112 (3-11) 因为ec PP 1，所以要求传输差错概率eP最小，也就是要求正确判决概率cP最大； )( 1sP 和)( 2sP 是预先给定的常数。为使 cP 尽可能地大，就要求式 (3-10)的积分值尽量地大。这就要求在积分域 2A 内的被积函数 0)()()()(1122 yfsPyfsP ss。由式 (3-11)出发，这就要求在积