基于Chirp擴(kuò)頻的超寬帶信號(hào)傳輸性能分析

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目前，超寬帶(UWB)技術(shù)由于其在3.1～10.6 GHz上享有很大的一段“自由頻譜”，同時(shí)又具有高速率、低成本、低功耗等特點(diǎn)而備受人們的關(guān)注。

但是由于UWB帶寬過(guò)大，以至于會(huì)影響到其他的窄帶通信系統(tǒng)，故其發(fā)射功率受到了嚴(yán)格的限制。在FCC規(guī)定下，其功率譜密度須在10 mw／MHz以下。采用時(shí)長(zhǎng)極短的沖擊脈沖作為信號(hào)載體，信號(hào)的能量都集中在ns級(jí)別甚至ps級(jí)別的短時(shí)間內(nèi)，造成了極高的峰值功率。如果要進(jìn)行長(zhǎng)距離通信，必須使用更大的發(fā)射功率，獲得更大的SNR以保證通信質(zhì)量，這樣也將使其峰值功率變得更大，會(huì)對(duì)其他窄帶通信系統(tǒng)帶來(lái)很大的干擾，非常不利于長(zhǎng)距離通信應(yīng)用。為了克服瞬時(shí)峰值功率過(guò)大，減低對(duì)其他系統(tǒng)的干擾，進(jìn)行更理想的遠(yuǎn)距離傳輸，可以考慮使用Chirp-UWB技術(shù)。這種方式以Chirp(線性調(diào)頻)信號(hào)作為信息的載體，在接收端用匹配濾波器濾波后，信號(hào)寬度壓縮，多徑效應(yīng)被削弱。因?yàn)镃hirp信號(hào)具有擴(kuò)時(shí)特性，信號(hào)能量被平均展寬在整個(gè)符號(hào)周期上。所以即使需要傳遞的能量很大，也能保證很低的瞬時(shí)功率。在文獻(xiàn)[1]中，當(dāng)輻射功率為250 mW時(shí)，在誤碼率為0.001，傳輸速率為1 M／b的情況下，傳輸距離可達(dá)4 626 m。因此，Chirp信號(hào)可以作為一種全新的UWB信號(hào)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離低速數(shù)據(jù)通信，同時(shí)又能滿足精確定位的要求；而且基于Chirp信號(hào)的UWB通信系統(tǒng)亦具有低成本、低功耗等特點(diǎn)。

圖1是一段Chirp信號(hào)及其匹配濾波輸出。由圖可見，Chirp信號(hào)具有恒包絡(luò)特性，而其對(duì)應(yīng)的匹配輸出具有和sine函數(shù)類似的特性。寬度為Tc，幅度為1的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波后，能量基本集中在寬度2／B(B是帶寬)的時(shí)間內(nèi)，幅度最大值為 。一個(gè)恒包絡(luò)脈沖能量幾乎都被壓縮在很短的時(shí)間段內(nèi)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析

IEEE 802.15.4a WPAN工作組已經(jīng)選擇了CSS技術(shù)作為物理層標(biāo)準(zhǔn)之一，Nanotron公司也提出了基于Chirp的RFID解決方案。Yasutaka KOIKE和他的工作組也將Chirp技術(shù)用于可移動(dòng)測(cè)距和自動(dòng)控制。

CSS技術(shù)應(yīng)用于通信是由Winkler首先提出來(lái)的，在她的工作中提出了正交二進(jìn)制鍵控(BOK)系統(tǒng)的雛形，這里，數(shù)據(jù)符號(hào)可直接由正斜率或負(fù)斜率的Chirp信號(hào)表示。Springer和他的工作組用SAW實(shí)現(xiàn)了直接調(diào)制(DM)方式下的DQPSK CSS，并展示了其系統(tǒng)性能。這里，選擇了BOK的調(diào)制方式，利用Chirp信號(hào)的線性調(diào)頻斜率和相位表示數(shù)據(jù)bit信息，用SAw濾波器產(chǎn)生Chirp信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)制和脈沖成形的雙重功能。

本文所設(shè)計(jì)的Chirp-BOK UWB無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖2所示。在發(fā)射端，用Up-Chirp表示二進(jìn)制信息比特“1”，Down-Chirp表示二進(jìn)制信息比特“0”。在接收端，采用RAKE接收機(jī)進(jìn)行能量合并，并利用Up-Chirp和Down-Chirp良好的自相關(guān)性，采用相干解調(diào)，分別將Down-Chirp和Up-Chirp作為匹配濾波器的沖激響應(yīng)，在每個(gè)Chirp信號(hào)結(jié)束時(shí)進(jìn)行抽樣判決，如果z1>z2，則判決為“1”，反之則為“0”。一對(duì)平方檢波判決器決定輸出是空位還是標(biāo)記位。

假設(shè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)完全同步，且Up-Chirp和Down-Chirp完全正交，則在AWGN信道下采用相干檢測(cè)的CSS-BOK-UWB系統(tǒng)誤比特率和采用包絡(luò)檢波的非相干檢測(cè)法系統(tǒng)誤比特率如圖3所示，圖中比較了3種通信方式下的的誤碼性能。從圖中可以看出，在AWGN信道下，相干Chirp-BOK與二進(jìn)制正交調(diào)制的TH-PPM-UWB具有同樣的可靠性，且要優(yōu)于非相干檢測(cè)法。在誤碼率為10-3時(shí)，信噪比的增益僅需9.91 dB。由于系統(tǒng)中使用的是低成本、低功耗的聲表面波器件，使Chirp-UWB系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。

UWB的室外環(huán)境中信道模型

在室外信道傳輸過(guò)程中，電磁波的傳播機(jī)理有多種多樣，但都是通過(guò)直射、反射、散射和繞射所形成的。由于超寬帶的頻寬很大(3.1～10.6 GHz)，波長(zhǎng)在厘米級(jí)，所以研究室外的傳播模型(主要是路徑損耗)使用大尺度模型。由于傳播距離的增大，過(guò)程中受周圍環(huán)境最直接影響的就是幅度的衰落；其次，傳播過(guò)程中引起脈沖波形的變化，物體或地面對(duì)波的反射等就有可能引起系統(tǒng)性能下降。

根據(jù)FCC對(duì)超寬帶的規(guī)定，文獻(xiàn)[2]給出了在符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落信道模型下平均接收功率與傳播距離之間的表達(dá)式：

來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)