超宽带无线通信RAKE接收机能分析.docx

学生姓名 学 号 班 级 指导教师 2012年 2 月 29 日目 录一、超宽带通信概念1二、超宽带通信的原理3三、超宽带无线通信技术特点4四、超宽带无线信道特性6五、超宽带Rake接收机的基本原理7六、超宽带RAKE接收机的结构及分类9七、超宽带Rake接收机性能分析10八、总结13超宽带无线通信RAKE接收机研究一、 超宽带通信概念超宽带的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带超宽带无线技术，又称脉冲无线电( Impulse Radio) 技术，出现于1960 年代。与传统通信技术不同的是，超宽带是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。超宽带是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术， 适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定，从3. 1GHz 到10. 6GHz 之间的7. 5GHz 的带宽频率为超宽带所使用的频率范围。从频域来看， 超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1% ，相对带宽在1% 到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25% ，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1表示这三个概念的区别。表1 三个概念的区别信号带宽/中心频率窄带小于1%宽带%1至25%超宽带大于25%或带宽大于500MHz2002年4月，美国FCC给出了“超宽带”的两种定义。第一种定义对军方得定义作了两点修改，一是信号的带宽是指10dB带宽，即和分别表示低于信号最大发射10dB处的高端和低端频率，二是信号的相对带宽大于、等于0.2；第二种定义是信号的10dB带宽大于或等于500MHz，而不管相对带宽是多少。从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而超宽带是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒) 直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于超宽带发射功率受限，进而限制了其传输距离，据资料表明，超宽带信号的有效传输距离在10m 以内，故而在民用方面，超宽带普遍地定位于个人局域网范畴。“超宽带”只是从信号带宽的角度定义无线电信号的，一次有多种不同的实现方式。其中最典型的实现方式是采用冲激无线电（IR），它是以占空比很低的窄脉冲而不是以正弦波作为信息载体的无线电技术。超宽带信号具有很宽的频谱，图1为超宽带无线通信频谱与其它通信系统的频谱的比较示意图。图1 超宽带无线通信频谱与其它通信系统的频谱的比较示意图超宽带是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。典型超宽带收发信机功能框图如图2所示。这种通信系统采用跳时脉冲位置调制（TH-PPM，Time Hopping Pulse Position Modulation）。在发送端，基带信号和伪随机码序列共同控制窄脉冲产生器，将信息符号映射为脉冲的发射时延，然后经天线发射；在接收端，由本地产生的伪随机序列与接收信号相关，然后经过基带信号处理完成信号解调，得到原始信息。除了上面的跳时脉冲位置调制外，跳时脉冲幅度调制（TH-PAM，Time Hopping Pulse Amplitude Modulation）也是一种典型的调制方式。它将信息符号序列映射为发射脉冲的幅度变换，包括脉冲的幅度大小和极性。当然也可以不用跳时序列，而采用直接在直接序列扩谱中得伪随机序列对发射脉冲进行编码调制。脉冲产生器可编程时延控制时钟数据/语音基带处理伪码产生器 （a）乘法器脉冲产生器可编程时延时钟伪码产生器基带处理累计积分采集保持数据/语音同步跟踪控制 (b) 图2 典型超宽带收发信机功能框图（PPM调制）（a） 发信机框图（b）收信机框图二、 超宽带通信的原理根据香浓公式(CEShannon)，通信系统的信道容量为C=Blog2(1+S/N)其中B为信道的宽度(Hz)，S为信号的平均功率(W)，N为噪声的平均功率。此式说明：在高斯信道中当传输系统的信噪比SN下降时，可用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变，以实现信道内无差错通信。从通信技术的发展来看正是一步步由点频通信到跳频通信，到扩频通信，再发展到超宽带通信的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百甚至几千倍。与超宽带脉冲通信相比，扩频通信又是一种窄带通信体制，所以超宽带脉冲通信比扩频通信的信道容量更大。香浓还指出，在高斯噪声干扰下，有限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是由于高斯白噪声理想的自相关特性N02决定的。超宽带脉冲通信就是通过发射和接受具有皮秒量级的脉冲信号来传输信息的。它以每秒数十兆的速率发射和接受脉宽小于1ns的窄脉冲信号，信息通过脉冲位置调制(PPM)、脉冲幅度调制(PAM)或其他调制方式调制到精确定时的脉冲串中去。在发射端时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序列，根据用户要传输的信息和表示该用户地址的伪随机码可编程延时器对系统时钟进行精确的延时，延时后的脉冲序列驱动脉冲产生电路，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后耦合到超宽带天线发射出去。在接受端，超宽带天线接收的信号送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端加入一个本地产生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列一起经过相关器中的相乘、积分和采样保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信号，其中仅含用户传输信息及其它干扰。然后对该信号进行解调运算，即根据发端的调制方式对每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。与传统的基于正弦波的无线通信不同，超宽带技术是通过发送一系列频谱从直流到几吉赫兹的短脉冲序列实现的。因此，该系统辐射的频谱有两方面决定：其一是脉冲信号的波形，可根据需要的频谱特性选择发送的脉冲波形；其二是它的调制方式。超宽带系统采用的波形有多种，从单高斯脉冲到其各次微分形式，从单频段单脉冲形式到双频段、多频段多脉冲形式。UWB的脉冲波形经历了很多变化，其调制方式也有多种。基本的调制方式有：(1)脉幅调制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)；(2)开关键控(OOK，On OffKeying)(3)二进制相位调制(Biphase modulation)：(4)脉冲位置调制(PPM，Pulse Position Modulation)为了降低单脉冲方式实现的难度，以及避免超宽带信号对其他无线电设备的干扰，在FCC关于超宽带的规范制定后，又出现了多带脉冲调制方案(MBI，Multi Band Impulse)和多带的OFDM(MBOFDM，Multi Band OFDM)。三、 超宽带无线通信技术特点由于超宽带与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此超宽带具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而超宽带则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。超宽带发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，超宽带允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，超宽带接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，超宽带系统结构的实现比较简单。(2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求超宽带 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。超宽带 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。(3)功耗低：超宽带 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的超宽带 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的超宽带 电台耗电也很低。因此，超宽带 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。(4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于超宽带 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，超宽带 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，超宽带 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。(7)工程简单造价便宜：在工程实现上，超宽带比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。(8)空降容量大：随着无线通信的不断发展，无线通信已由原来提供远距离通信向短距离传输发展，通过频率的空间复用，在有限的频率资源条件下满足通信业务发展的需求。短距离无线通信的发展趋势使得对系统容量的评价不仅仅是考虑点对点的传输速率，“空间容量”（比特/（秒*米2）是实际应用中的重要衡量指标。根据Intel公司的研究报告，IEEE802.11b的空间容量为，蓝牙的空间容量为，IEEE802.11a的空间容量为，超宽带无线通信的空间容量为。直观的比较如图3所示。可见，在空间容量方面，超宽带无线通信比现有类似系统具有更大的优势。 图3 几种技术系统容量比较 四、 超宽带无线信道特性由于超宽带脉冲信号具有很宽的传输带宽和很强的多径分辨能力，因此它的信道特性和窄带连续波通信系统相比有很大的差异。当前，比较公认的UWB信道的研究结论如下：(1)UWB信号的路径损耗基本服从自由空间的损耗特性；(2)多径信号不是按着固定的速率均匀到达接收机，而是以簇的形式，分成一簇一簇的到达；(3)多径信号的平均功率(幅度的均方值)随簇和簇内的多径呈双指数衰落。传统的无线信道一般用Rayleigh分布或Rice分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个分量可以视为多个(例如大于10)同时到达的路径合成。但是UWB信道中可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，在典型的室内环境下，每个多径分量包含的路径数目很可能只有2至3条，显然已经不符合Rayleigh分布或Rice分布的假定。目前一般采用对数正态分布来描述超宽带信道的多径幅度分布。UWB脉冲信号的带宽极宽这一特点使得其经历的频率选择性衰落要比一般窄带信号严重得多。接收波形会产生严重失真，而且时延扩展极大。对于超宽带通信，由于数据传输速度极高，相对于数据帧长，信道是慢变化的。因此，可以认为在一个数据帧内，超宽带信道是时不变的。五、 超宽带Rake接收机的基本原理 由于超宽带通信采用非常短的脉冲序列进行传输，因此，接收信号中包含了大量路径长度较小的多径信号分量，具有良好的时间分辨能力。由此可以利用这些多径分量能量的组合来提高接收机的信噪比，Rake接收机的原理就是使用一组相关器，对每个多径分量使用一个相关接收机，各相关接收机与同一期望(被接收的)信号的一个延迟形式(即期望信号的多径分量之一)进行相关运算，然后将这些相关接收机的输出根据其相对强度进行加权，并把加权后的各路输出合并成一个输出信号。经过多径信道后的信号是发射信号Sm(t)经衰减、延时、最终失真之后得到的多个信号的叠加。如果在观察时间T内传播信道波动和与路径有关的失真可以忽略，那么接收信号可以表示成：其中是接收机输入端的高斯白噪声(AWGN)。IEEE UWB的信道模型是以S-V信道模型为基础的，该模型假设多径分量是以簇的形式到达接收机端。该模型的主要特征是：接收分量的幅度是独立的Rayleigh随机变量，其方差及簇内附加时延成指数性衰落，相应的相位在1,2间为独立均匀分布的随机变量；各个簇以及簇内的多径分量构成了两个不同速率的Poisson的到达过程，其到达时间间隔服从指数分布；簇的组成由收发机附近的多径反射组成，同时也与建筑结构有关。802.15.3a工作组在2002年12月公布的UWB多径信道模型为修正的S-V多径信道模型，该信道模型较之S-V多径信道模型有两点改进，一是接收到的多径分量幅度由服从Rayleigh分布改为服从对数分布；二是各个簇以及簇内的各个多径分量的衰落相可独立。设修正的S-V多径信道模型脉冲响应为：根据IEEE信道模型，对于冲激无线电传输，上式可以重写成：其中：是信道的对数正态分布幅度增益每个脉冲的发射能量是在接收位置观测到的簇的数目 是第n簇内的多径分量数目 是第j个发射脉冲的幅度平均脉冲重复周期是第j个脉冲抖动是第n个簇内第k条路径的时延对于信道冲激响应的每一个实现，信道系数包含的能量都进行了归一化，即：因此式它可以重写成为：一个发射脉冲的接收总能量。与AWGN信道不同的是，此时散布在一段时间内的，并且是出现在不同多径分量上的，如果接收机能够收到所有这些多径分量上的能量，检测器就可以使用进行判决。实际上，由于接收机只能接收到一部分多径分量，判决过程中使用的有效能量击小于，即：由公式可知，只有当同一个脉冲的两个多径分量的到达时间小于脉冲持续时间时，不同的分量在接收机才会发生重叠。在这种情况下，不同路径上的信号不是相互独立的，即时刻t观察到的脉冲幅度受到紧跟时刻t之前或之后的多径分量的影响。考虑到传播信道的特性，接收端独立路径的数目与有关：越小，接收机输入端的独立分量数目越多。在IR.UWB系统中，值时ns级的，甚至不足ns，因此可以假设所有的多径分量都互不重叠，接收到的波形时由相互独立的分量组成的。因此，理论上通过将同一个发射脉冲的相互独立的多径分量合并，IR-UWB可以利用信道的多径传播特性。这种情况我们称接收机利用了多径信道的时间集提高了判决过程的性能。Rake接收机主要应用了分集技术的思想，分集技术是研究如何充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性的技术。它是一项主要的抗衰落技术，可以显著地提高多径衰落信道下无线通信系统的可靠性。由于多径分量中包含着发送信号的有用信息，因此，可以通过这些多径分量的组合提高接收机的信噪比，Rake接收机就是一种能够完成这一功能的接收技术。Rake接收机的基本原理就是将那些幅度明显大于背景噪声的多径分量，利用扩频码良好的自相关性或是脉冲信号极高的占空比分离多径，对它进行延时和相位校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。如图5所示，实现多径能量的合并。 图5 多径分量合并原理六、 超宽带RAKE接收机的结构及分类如图6显示了Rake接收机的结构，它由N个并行相关器和合并器组成，合并器用来确定对发射信号进行判决的变量。TTs表示信道冲激响应的持续时间，Y是Rake合并器输出的判决变量，它被送给检测器。每个相关器与发射信号的一个多径分量匹配，即Rake接收机第j条支路的相关掩模mj(t)在时间上与发射符号的第j个时延多径分量是对齐的，即：图6 Rake接收机的结构框图其中，m(t)为相关掩模；为第j条路径的传播时延。相关器组的输出送给合并器，合并器根据不同的加权因子来获得输出。N的选择不同导致不同的Rake接收机。一种是ARake(All Rake)，这种方法需要一个无穷数量的Rake分支，也就意味着需要无穷数量的相关器，组合所有的可分辨多径分量。要达到这样的目的，接收机需要实时地获得全部路径损失ci和时延i，构造与接收信号完全匹配的相关模板信号m (t)。一般情况下，Rake接收机要捕获接收波形总能量的60%，需要大约50个不同的Rake分支。为了降低接收机的复杂度，可以采用不同的多径选择方式，第一种称为SRake (Selective Rake),它从接收机输入端获得的N个多径分量中选择Ns个最强的多径分量，这样Rake接收机的分支书目可以减少，但接收机仍需要跟踪所有的多径分量以便选择；另一种接收机称为Prake(Partial Rake),它没有选择过程，直接合并最先到达接收端的Np个路径，因为不对多径作选择，因此比较简单，但性能不能达到最优。Rake接收机可以采用不同的技术进行分集组合，主要有选择性分集(SD)等增益合并(EGC)以及最大比合并(MRC)。SD分集方式，就是接收机选择具有最好信号质量的多径分量，然后只通过对这些分量的合并判决得到发射信号。选择最后的路径通常就是选择瞬时信噪比最大的路径。EGC合并，是首先将不同的分量在时间上对齐，然后不进行任何加权就将它们直接相加。而MRC合并，不同的多径分量首先经过加权，然后再合并在一起。其权重按照判决过程中SNR最大的原则确定。在接收端存在高斯噪声的情况下，通过给每个多径分量乘以一个正比于相应接收信号幅度的权重，可以使SNR达到最大。在没有ISI的单用户通信系统中，MRC可以保证合并后输出的SNR最大，获得最好的接收性能。七、 超宽带Rake接收机性能分析UWB通信系统通过发射一系列极窄脉冲传输数据，为了提高UWB系统的性能和实现多址通信，通常采用扩频的方式，即用多个脉冲传输一个符号。根据扩频方式的不同可以分为直接序列扩频(direct sequence spread spectru- m ,DS-SS)和跳时扩频(time hopping spread spectrum,TH-SS)。Scholtz最早提出使用跳时扩频的思想，但由于直接序列扩频可以达到更高的传输速率，所以近年来逐渐成为研究的热点，IEEE802.15.3a也将直接序列UWB(DS-UWB)技术作为高速无线个域网物理层实现的候选方案之一。直接序列扩频系统可以选择具有良好相关性能的扩频序列来抑制现实中存在的符号间干扰(ISI)、多址干扰(MAI)和窄带干扰(NBI)，以提高通信系统的性能，所以这里研究直接序列超宽带(DS-UWB)。采用二进制相移键控(BPSK)调制的DS-SS UWB系统用户k的发射信号可表示为：其中，w (t)为传输UWB脉冲波形函数，归一化为单位能量，一般采用高斯脉冲波形及其各阶导数；为脉冲能量；为符号周期；是经过BPSK调制的信息序列；是用户k的伪随机扩频码序列，由个码片组成，每个码片的长度为。为了简化分析，假设系统为单用户无扩频的UWB系统，发射脉冲采用高斯脉冲的二阶导数波形，同时假设信道信息已知道，忽略天线对信号波形造成的失真，则采用BPSK调制的发射信号可简化为：信道模型采用IEEE 802.15.3a工作组提出的一种符合现实的信道模型，其脉冲冲激响应可以表示为：发射的脉冲信号经过多径信道后，Rake接收机接收到的信号为： 假设信道信息及和