基于正交UWB脈沖的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)

　　摘　要：超寬帶（UWB）系統(tǒng)通常使用一種UWB脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)，本文根據(jù)正交函數(shù)的特性，提出了一種基于正交UWB脈沖的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)，它可以在一幀內(nèi)傳送多個(gè)UWB脈沖，提高了系統(tǒng)的傳輸速率。本文詳細(xì)說明了系統(tǒng)的組成及工作原理，分析了系統(tǒng)性能。計(jì)算機(jī)仿真和理論計(jì)算結(jié)果表明：與僅使用一種UWB脈沖的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)相比，在相同的用戶數(shù)、信噪比和跳時(shí)序列條件下，本文提出的系統(tǒng)具有更低的誤碼率（BER）、更高的傳輸速率。

　　關(guān)鍵詞：超寬帶系統(tǒng); 正交函數(shù); TH-BPSK

一、引言

　　與傳統(tǒng)的基于正弦波的無線通信不同，超寬帶(UWB)技術(shù)提供基帶通信方式，它是通過發(fā)送一系列頻譜寬度從直流到幾吉赫的短脈沖序列實(shí)現(xiàn)的，UWB系統(tǒng)使用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出。定義帶寬離中心頻率25%以上的信號(hào)為UWB信號(hào)。UWB信號(hào)的脈沖寬度通常在0.20～1.8 ns之間。UWB系統(tǒng)發(fā)送的短脈沖信號(hào)的帶寬很大，幾乎覆蓋了無線系統(tǒng)的大部分頻段。UWB技術(shù)可以提供很高的傳輸速率、很低的功耗和極強(qiáng)的抗干擾、抗截獲特性，引起人們極大的關(guān)注和興趣。

　　目前，人們提出了多種UWB調(diào)制方法：脈幅調(diào)制（PAM）［1］、跳時(shí)擴(kuò)頻脈位調(diào)制（TH-SS PPM）［2］、偽混沌跳時(shí)調(diào)制(PCTH)［3］、M狀態(tài)Walsh碼調(diào)制［4］、跳時(shí)BPSK調(diào)制（TH-BPSK）［5］、直擴(kuò)BPSK調(diào)制（DS-BPSK）［6］等，這些調(diào)制方法中采用一種形式的UWB脈沖調(diào)制數(shù)據(jù)，在一幀中僅發(fā)送一個(gè)UWB脈沖，文獻(xiàn)［7］比較分析了UWB多用戶系統(tǒng)中不同調(diào)制方式的BER性能，文獻(xiàn)［8］提出了一種基于正交Hermite修正多項(xiàng)式的單用戶TH-PPM UWB系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)信息調(diào)制在UWB脈沖的時(shí)間位置上,不適宜多用戶情況。本文提出了一種基于正交函數(shù)的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)信息調(diào)制在UWB脈沖的相位上而使其較適宜多用戶情況,它可以在一幀內(nèi)傳送多個(gè)UWB脈沖，從而提高了系統(tǒng)的傳輸速率。根據(jù)正交函數(shù)的特有性質(zhì)，接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)中僅與解調(diào)參考脈沖相同的UWB脈沖才起作用，而其余的UWB脈沖由正交函數(shù)的相關(guān)性而被濾除掉。計(jì)算機(jī)仿真和理論計(jì)算結(jié)果表明：與使用一種UWB脈沖的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)相比，在相同的用戶數(shù)、信噪比和跳時(shí)序列條件下，本文提出的系統(tǒng)具有更低的BER、更高的傳輸速率。��

二、系統(tǒng)組成和工作原理

1. 發(fā)射機(jī)

　　設(shè)系統(tǒng)內(nèi)有Nu個(gè)用戶,第k個(gè)用戶的發(fā)射機(jī)框圖如圖1所示。��

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　　設(shè)系統(tǒng)中的正交UWB脈沖有L個(gè),發(fā)射機(jī)內(nèi)有L條支路，每一條支路的UWB脈沖Pi(t)（i=1,2,…,L）對(duì)應(yīng)于序號(hào)為i的正交UWB脈沖,每一個(gè)　

　　其中，Tf為一幀持續(xù)時(shí)間，{Cj(k)}為第k個(gè)用戶的整數(shù)跳時(shí)序列且0≤Cj(k)≤Nh-1,Tc為每一時(shí)隙持續(xù)時(shí)間，Tf=NhTc。[z」表示取z的整數(shù)部分,Ns為

　　乘法器中的P1（t）、P2（t）、… 、PL（t）分別為各支路UWB脈沖，輸入的數(shù)據(jù)流每L比特為一組，經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換和BPSK數(shù)據(jù)生成后,產(chǎn)生L比特?cái)?shù)據(jù)

2. 接收機(jī)

　　第k個(gè)用戶接收機(jī)框圖如圖2所示。��

　　為討論方便，不考慮多徑和信號(hào)衰減，假設(shè)噪聲為AWGN。接收機(jī)接收的用戶信號(hào)為

　　其中τk是第k個(gè)用戶發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳輸時(shí)延，第k個(gè)用戶的接收信號(hào)是

　　用戶k的第i條支路在同一組內(nèi)Ns幀相加后的輸出為(i=1,2,…,L)

三、系統(tǒng)性能分析

　　不失一般性，假設(shè)接收機(jī)解調(diào)第一個(gè)用戶信息，且解調(diào)數(shù)據(jù)流的第一組L比特信息，即解調(diào)的幀號(hào)從j=0到j(luò)=Ns-1。假設(shè)接收機(jī)已與用戶1發(fā)射機(jī)完全同步，接收機(jī)準(zhǔn)確知道用戶1的τ1和。

　　用戶1的第i條支路相關(guān)器輸出為(i=1,2,…,L)

　　其中是接收機(jī)與用戶1發(fā)送的第一組L比特?cái)?shù)據(jù)相關(guān)后的輸出結(jié)果為其它Nu-1個(gè)用戶對(duì)接收機(jī)造成的多用戶干擾，是接收機(jī)噪聲在相關(guān)器的輸出值，它們分別為

　　為計(jì)算方便，假設(shè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步，即τk=NkTc（Nk為整數(shù)）。由于τk和跳時(shí)序列的影

于不同時(shí)隙，分別用事件A和B表示，一個(gè)Tf幀包含Nh個(gè)時(shí)隙，事件A和B的概率為

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四、仿真結(jié)果與分析

　　仿真中選擇的正交UWB脈沖為修正的Hermite多項(xiàng)式，它們可以表示為

　　為使正交UWB脈沖P�璱(t)滿足UWB系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度的要求，將Hi(t)在時(shí)間軸上壓縮10倍，同時(shí)將Hi(10t)歸一化，得到正交UWB脈沖Pi(t)，使

　　仿真中系統(tǒng)參數(shù)選擇如下：由圖3可知,Pi(t)(i=1,2,…,8)的非零區(qū)間為［-1 ns,1 ns］，選擇時(shí)隙間隔Tc=2ns，一幀時(shí)間Tf=40 ns，所以Nh=Tf/Tc=20，選擇系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)Nu=10，用戶速率Rb=25 Mbps，所以當(dāng)正交UWB脈沖數(shù)L＝1、2、4、8時(shí)，每一比特發(fā)送的脈沖次數(shù)分別為Ns=Ts/Tf=L/(RbTf)＝1、2、4、8,系統(tǒng)BER與Eb/N0(dB)關(guān)系的仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖中Ns＝1、2、4、8分別對(duì)應(yīng)于正交UWB脈沖數(shù)L＝1、2、4、8，實(shí)線為理論計(jì)算結(jié)果，虛線為仿真結(jié)果。仿真中Eb/N0(dB)取0到20，間隔0.5，對(duì)每一固定Eb/N0(dB)，L＝1、2、4、8的仿真次數(shù)分別是105、105、105、2×105。��

　　由圖4可知，在系統(tǒng)其它參數(shù)保持不變的情況下，系統(tǒng)使用的正交UWB脈沖越多，即L越大，用戶速率不變時(shí)，發(fā)送每一比特的脈沖數(shù)Ns越大，由于各用戶的跳時(shí)序列不同且τk(k=1,2,…,Nu)是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，Ns越大，接收機(jī)輸出信噪比越大，系統(tǒng)的BER越小。由（13）式可以看出，Ns越大，Perror越小。仿真結(jié)果與理論分析一致。��

五、結(jié)論

　　UWB系統(tǒng)普遍采用跳時(shí)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，若在單位時(shí)間內(nèi)傳送更多的UWB脈沖，則可以提高用戶速率，根據(jù)正交函數(shù)的特有性質(zhì)，本文提出了一種基于正交函數(shù)的TH-BPSK超寬帶系統(tǒng)，它可以在一幀內(nèi)傳送多個(gè)UWB脈沖，從而提高了系統(tǒng)的傳輸速率。本文選擇修正Hermite多項(xiàng)式作為正交UWB脈沖是因?yàn)樵谛拚鼿ermite多項(xiàng)式的階數(shù)增加時(shí)，UWB脈沖在時(shí)間軸上變化不大，從圖3中可以看出這一點(diǎn)，因而它在頻率和帶寬上變化較小，符合UWB系統(tǒng)對(duì)UWB脈沖時(shí)域、頻域的要求。計(jì)算機(jī)仿真和理論計(jì)算結(jié)果表明：系統(tǒng)使用的正交UWB脈沖數(shù)越多，在系統(tǒng)內(nèi)其他參數(shù)相同條件下，本文提出的系統(tǒng)具有更低的BER、更高的傳輸速率。��

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作者：李耀民，周正（北京郵電大學(xué) 電信工程學(xué)院，北京 100876） 來源：電訊技術(shù)