多徑信道PAM-TH-MA系統(tǒng)性能分析

許燕萍

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州 215104）

沖激無線電超寬帶（IR-UWB）與傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術或者3G蜂窩網中的擴頻寬帶技術不同，IR-UWB直接對納秒級的非正弦窄脈沖進行調制，產生高達幾個GHz的超寬帶信號。基于此，超寬帶（UWB）通信系統(tǒng)具有功耗低、容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、多徑分辨能力強、系統(tǒng)結構簡單、抗多徑和窄帶干擾能力強、成本低等一系列獨特的優(yōu)點，其接收信號具有較高的時間分辨率［1-3］，非常適用于室內高速率短距離的無線通信，并且在理論上可以提供厘米級甚至毫米級的定位精度，通過重復利用頻譜，可解決頻譜擁擠不堪的問題，UWB在無線通信領域具有廣闊的應用前景［4-6］。

信號傳輸過程中存在噪聲干擾、多用戶干擾、碼間串擾及外部干擾等，使得UWB系統(tǒng)接收端信噪比有所降低，研究如何改善和提高UWB系統(tǒng)在低信噪比下的性能，不僅具有深刻的理論意義，同時還具有很高的實用價值。跳時多址（TH-MA）是最常見的一種超寬帶系統(tǒng)多址接入方式，IRUWB通常通過脈沖幅度調制（PAM），脈沖位置調制（PPM）等調制方式攜帶信息，其中TH-PAM系統(tǒng)采用雙極性調制，其性能明顯優(yōu)于TH-PPM系統(tǒng)［7］。因此，本文著重研究PAM-TH-MA系統(tǒng)在多徑信道下的抗噪性能，并分析采用P-Rake和S-Rake接收機時兩種系統(tǒng)的性能。

1 多用戶THMA/DSMA-UWB系統(tǒng)描述

1.12PAM-TH-MA系統(tǒng)模型

典型的2PAM-TH-MA UWB系統(tǒng)模型如圖1，圖2所示為2PAM-TH UWB發(fā)射機模型。

圖1 2PAM-TH-MA UWB系統(tǒng)模型

從圖2可以看到，二進制信源產生含有信息比特“0”和“1”的獨立同分布且等概出現(xiàn)的二進制序列，每比特通過重復編碼器重復Ns次，經過發(fā)送編碼和PAM調制器，送入脈沖成形器，最后由發(fā)射天線發(fā)射出去。信息比特持續(xù)時間為Tb，二進制序列傳輸率為Rb=Ns/Tbbits/s，寬度為Tp的納秒級高斯單脈沖是能量歸一化的脈沖波形。第u個用戶傳輸?shù)亩M制反極性PAM-TH-MA信號表示為:

圖2 2PAM-TH UWB發(fā)射機

式中，a（ju）∈{±1}是第u個用戶的第j個脈沖傳輸?shù)亩M制的數(shù)值，E（txu）是每一個脈沖的傳輸能量;Ts是平均脈沖重復周期，c（ju）是第u個用戶使用的TH序列的第j個系數(shù)，Tc是切普寬度，c（ju）Tc是由于TH碼引起的時移。每一個TH碼都是由Np個獨立同分布的隨機變量構成的序列，隨機變量以概率1/Nh在［0，Nh-1］范圍內取整。

1.2 信道和接收機模型

采用IEEE802.15.3a工作組推薦的基于簇方式的模型，根據(jù)實際的測量數(shù)據(jù)對多徑的幅度作了修正，IEEE模型的信道沖激響應可以表示為:

其中，X是對數(shù)正態(tài)隨機變量，代表信道的幅度增益;N是觀測到的簇的數(shù)目，nc是第c簇內接收到的多徑數(shù)目。

為了減少多徑的影響，通常采用Rake接收機。Rake接收主要應用分集技術的思想，充分利用傳輸中的多徑信號能量，以改善傳輸可靠性。

圖3 具有N個并行相關器和時延單元的Rake接收機

在接收端使用Rake接收機增加了接收機的復雜性，其復雜程度隨判決前后分析和合并的多徑數(shù)目的增加而增大，因此，可以通過減少接收機處理的多徑分量數(shù)目來降低復雜性。然而，減少分析的數(shù)目會使接收機獲取的能量減少。如何在復雜性和盡可能多的獲取能量之間取得平衡成為了研究熱點。Rake接收機的不同結構和合并策略對其性能有很大的影響。

1.3 性能分析

根據(jù)圖3所示的Rake接收機模型，接收信號表達式可寫為:

式中，n（t）是0均值、雙邊功率譜密度為N0/2的加性高斯白噪聲（AWGN），Nm是路徑數(shù)，τd是每條路徑的時延，αd是每條路徑的增益。

假設Rake接收機可以很好地估計信道參數(shù)，輸出端第i'個比特、第l個分支的輸出可以表示為:

如果兩個連續(xù)延遲的時間大于脈沖的持續(xù)時間，得到噪聲的均值和方差為:

2 仿真結果與分析

采用高斯二階導函數(shù)作為發(fā)射脈沖波形，脈沖寬度0.2 ns，脈沖形成因子0.287 7 ns，脈沖的中心0.1 ns。

在CM1信道下，S-Rake接收機的叉指數(shù)分別取5、10和20，P-Rake接收機的叉指數(shù)分別取10、20和30，采用最大比合并接收，TH-PAM超寬帶單用戶系統(tǒng)性能如圖4所示。

圖4 TH-UWB系統(tǒng)性能

從圖4可以看出，S-Rake接收機的性能優(yōu)于P-Rake接收機，并且隨著叉指數(shù)的增加，系統(tǒng)性能均得到提高。這是因為S-Rake接收機是從接收機輸入端獲得的眾多徑分量中選擇最好的幾個分量，而P-Rake接收機沒有選擇過程，直接合并最先到達的幾個路徑。但是，當最好的分量位于信道沖激響應的起始處時，如在LOS情況下，兩者的性能差距就會減小。

在CM1信道下，采用最大比合并的20個叉指數(shù)S-Rake接收機，不同幀數(shù)時的TH-UWB超寬帶系統(tǒng)性能如圖5所示。TH-UWB系統(tǒng)在多用戶情況下，所用跳時碼有一個額外的時間偏移，如果這個時間偏移太小，就會增加用戶間的碰撞概率，幀數(shù)越多系統(tǒng)性能就越差。

圖5 采用不同幀數(shù)的TH-UWB系統(tǒng)性能比較

3 小結

本文利用IEEE 802.15.3a工作組建議的標準UWB室內信道模型，針對TH-MA-UWB系統(tǒng)，分析了采用S-Rake和P-Rake接收機時系統(tǒng)的性能。仿真結果表明，在多用戶情況下，隨著幀數(shù)的增加，TH-UWB系統(tǒng)的性能將變差。此外，對系統(tǒng)分別采用S-Rake和P-Rake接收機時的性能進行了比較，仿真結果表明，采用S-Rake接收機時的系統(tǒng)性能要優(yōu)于P-Rake接收機。

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