摘 要: 超寬帶信號(hào)在室內(nèi)密集多徑環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)間彌散,信號(hào)的傳輸性能將會(huì)下降，Rake接收是提高超寬帶接收機(jī)性能的重要手段。然而如何確定接收機(jī)的叉指數(shù)目成為接收機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題?；贗EEE802.15.3a室內(nèi)超寬帶多徑信道模型,采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制方式時(shí),選用最大比合并(MRC)方式對(duì)Rake接收機(jī)的超寬帶通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行了仿真。仿真得出了最佳的合并叉指數(shù)目，結(jié)果表明在最佳的合并叉指數(shù)目情況下的系統(tǒng)性能較其他叉指數(shù)目情況下的系統(tǒng)性能更為優(yōu)越，驗(yàn)證了選取此叉指數(shù)目的有效性。此方法大大有利于Rake接收機(jī)的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞: 超寬帶； 信道模型； Rake接收機(jī)； 誤碼率
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超寬帶（UWB）技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)前景,超寬帶技術(shù)具有傳輸數(shù)據(jù)速率高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、多徑分辨能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入。
UWB信號(hào)較好的多徑延遲分辨特性可以通過(guò)使用Rake接收機(jī)來(lái)達(dá)到較高的分集性能[1]，因此對(duì)在給定信道和特定條件下各種Rake接收機(jī)的性能分析，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)Rake接收機(jī)是非常有用的。
本文考慮存在ISI的UWB信道，研究了Rake接收機(jī)合并叉指數(shù)目對(duì)系統(tǒng)性能的影響,同時(shí)比較了部分Rake (PRake)和選擇Rake(SRake）接收機(jī)的特性，分析了Rake接收機(jī)有效性、可靠性以及與接收機(jī)復(fù)雜度之間的關(guān)系。
1 超寬帶室內(nèi)信道模型
UWB通信主要工作在辦公室和家庭等室內(nèi)環(huán)境,而室內(nèi)的信道環(huán)境比較復(fù)雜,存在著密集多徑分量。目前主要采用一種比較符合現(xiàn)實(shí)情況的IEEE 802.15.3a信道模型，即修正的S-V 模型[2]，它是傳輸信號(hào)以簇脈沖形式到達(dá)的多徑信道。
根據(jù)IEEE 802.15.3 TG3A工作組關(guān)于UWB信道模型的描述，UWB室內(nèi)信道模型可用抽頭延遲線(xiàn)結(jié)構(gòu)的脈沖沖激響應(yīng)來(lái)描述[3],即：
式(1)中,hl表示第l條徑的衰落參數(shù)；tl為該路徑信號(hào)時(shí)延；Lc為多徑信號(hào)中徑的總數(shù)。
在IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)信道環(huán)境的特征分為4 種不同的信道模型,即CM1～CM4，CM1(0～4m，視距)，CM2(0～4m，非視距)，CM3(4～10m，非視距)，CM4(4～10m，極端惡劣)。圖1和圖2分別為CM1和CM3信道的離散時(shí)間沖激響應(yīng)。
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一般在CM1、CM2信道中多徑數(shù)目約為100個(gè)左右, 在CM3、CM4信道中多徑數(shù)目為200個(gè)以上，信號(hào)能量主要集中在幅度比較大的20個(gè)多徑分量上。
2 超寬帶Rake 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)
Rake接收機(jī)是分集技術(shù)的一種具體實(shí)現(xiàn)，它的基本原理是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，對(duì)它進(jìn)行延時(shí)和相位校正，使之在某一時(shí)刻對(duì)齊，并按一定的規(guī)則進(jìn)行合并，變矢量合并為代數(shù)求和，有效地利用多徑分量，提高多徑分集的效果。超寬帶Rake接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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其中r(t)是接收信號(hào),τj是第j條路徑的傳播時(shí)延,m(t)是相關(guān)掩模,TL表示信道沖激響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間, yj是第j路相關(guān)輸出，Cj是相應(yīng)的加權(quán)因子,Y是Rake合并器輸出的判決變量,送給檢測(cè)器，輸出估計(jì)信號(hào)。
在超寬帶通信中，多徑選擇方法主要有三種:(1)全Rake 接收機(jī)(ARake),對(duì)所有可以分辨的多徑都進(jìn)行解調(diào)合并；(2)部分Rake 接收機(jī)(PRake),選擇最先到達(dá)的幾條多徑進(jìn)行解調(diào)合并；(3)選擇Rake接收機(jī)(SRake),在可以分辨的多徑當(dāng)中選擇最好的幾條進(jìn)行解調(diào)合并。通用的合并算法有兩種:(1)等增益合并(EGC),對(duì)每條支路使用相等的加權(quán)值1，然后把各支路信號(hào)同相疊加；(2)最大比合并(MRC),根據(jù)各支路信噪比對(duì)支路信號(hào)加權(quán),信噪比大的支路加權(quán)大,信噪比小的支路加權(quán)小,再對(duì)各路信號(hào)同相相加。就接收機(jī)性能而言，MRC優(yōu)于EGC。
3 超寬帶信號(hào)在室內(nèi)Rake接收性能分析
在超寬帶通信系統(tǒng)中, DS多址技術(shù)和BPSK調(diào)制技術(shù)的配合采用較多,與TH-PPM技術(shù)相比較，DS-BPSK 具有系統(tǒng)通信速率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在UWB通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中,采用DS-BPSK的UWB 通信系統(tǒng)是較理想的實(shí)現(xiàn)方案。
為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)系統(tǒng)為單用戶(hù)無(wú)擴(kuò)頻的UWB 系統(tǒng),發(fā)射脈沖采用高斯脈沖二階導(dǎo)數(shù)波形,同時(shí)假設(shè)信道信息已知,忽略天線(xiàn)對(duì)信號(hào)波形造成的失真,則采用BPSK調(diào)制方式的發(fā)射信號(hào)可簡(jiǎn)化為:
其中,p(t)是基本脈沖經(jīng)過(guò)能量歸一化之后的高斯脈沖二階導(dǎo)數(shù)波型，bi∈{+1,-1}為雙極性調(diào)制數(shù)據(jù)符號(hào)，Ts是脈沖重復(fù)周期，P是峰值發(fā)射功率。
經(jīng)過(guò)Rake接收后輸出信號(hào)為[4]：
其中，Tp是信號(hào)脈沖寬度，cT=[c0…cN-1]是Rake接收機(jī)的合并系數(shù)，
是所要接收碼元符號(hào)的多徑向量，Q和F分別為對(duì)所接收碼元形成碼間串?dāng)_的前后碼元個(gè)數(shù)，
是形成碼間串?dāng)_的碼元符號(hào)的多徑向量，式(3)中，第一項(xiàng)表示有用信號(hào)，第二項(xiàng)表示碼間串?dāng)_，第三項(xiàng)表示噪聲。相應(yīng)的信號(hào)能量、噪聲均方差、碼間串?dāng)_均方差分別如(4)式所示:
(4)式中Eb=PTp，n0/2為加性高斯白噪聲的雙邊功率譜密度。此外為了簡(jiǎn)化分析，這里把ISI視為AWGN,輸出的信噪比表示為:
下面就比較有代表性的CM1和CM3信道模型在不同的符號(hào)間隔TS情況下,用MATLAB 7.0仿真軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真,尋求出不同傳輸速率的最合理的Rake接收機(jī)形式。
仿真基本條件:抽樣頻率fc=20GHz；信號(hào)脈沖寬度Tp=1ns；脈沖形成因子tau=0.2ns；傳輸比特?cái)?shù)numbits=105(分10次進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果取各次仿真的統(tǒng)計(jì)平均)；每比特重復(fù)數(shù)NS=1；假定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間完全同步。
3.1 CM1信道中Rake接收機(jī)性能
在CM1信道中,選取合并的叉指數(shù)目為3～15(收發(fā)距離為2m)、采用MRC合并方式在SRake和PRake多徑選擇條件下仿真接收機(jī)的接收性能。
仿真時(shí)，取Ts=10ns，選EXN0/dB=[0 2 4 6 8 10 12]，由于EXN0在0～6dB時(shí)不同的合并叉指數(shù)目所對(duì)應(yīng)的Rake接收機(jī)輸出誤碼率變化不明顯，而在EXN0為8dB和10dB時(shí)Rake接收機(jī)輸出誤碼率變化較明顯，因此選取EXN0為8dB和10dB時(shí)性能曲線(xiàn)作為判決。圖4為EXN0在8dB和10dB時(shí)不同的合并叉指數(shù)目所對(duì)應(yīng)的SRake和PRake輸出誤碼率。為了說(shuō)明簡(jiǎn)便，記mSRake和nPRake分別為合并叉指數(shù)目為m和n的選擇 Rake和部分Rake，圖5為6SRake、6Prake和10Prake接收機(jī)性能曲線(xiàn)圖。
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從圖4中可以看出，PRake總體性能比SRake的性能要好,并且10PRake性能最佳；從圖5曲線(xiàn)圖中可以看出，在這種情況下, 10PRake接收機(jī)性能最好，同時(shí)6PRake性能比6SRake性能好，因此在這種情況只能采用PRake接收方式。
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3.2 CM3信道中Rake接收機(jī)性能
在CM3信道中,選取合并的叉指數(shù)目為3～33(收發(fā)距離為8m)，采用MRC合并方式在SRake和PRake多徑選擇條件下所對(duì)應(yīng)的接收性能。
仿真時(shí)，取Ts=10ns，選EXN0/dB=[0 3 6 9 12 15]， EXN0在0～6dB時(shí)不同的合并叉指數(shù)目所對(duì)應(yīng)的Rake接收機(jī)輸出誤碼率變化不明顯，而在EXN0為9dB和12dB時(shí)Rake接收機(jī)輸出誤碼率變化較明顯，因此選取EXN0為9dB和12dB時(shí)性能曲線(xiàn)作為判決。圖6為EXN0在9dB和12dB時(shí)不同的合并叉指數(shù)目所對(duì)應(yīng)的SRake和PRake輸出誤碼率。圖7為6SRake、6Prake和9Prake接收機(jī)性能曲線(xiàn)圖。
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從圖6可以看出，在Rake接收機(jī)中9PRake性能優(yōu)于6SRake性能并達(dá)到最佳；從圖7可以看出，在Rake接收機(jī)中9PRake性能達(dá)到最佳，6PRake與6SRake曲線(xiàn)幾乎重疊，它們性能一致，因此在這種情況下選擇多徑選擇方式時(shí)沒(méi)有必要選擇結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SRake方式。
從以上3.1和3.2節(jié)的仿真可以看出,在室內(nèi)環(huán)境下,Rake接收機(jī)隨著收發(fā)距離的增大,信道中多徑數(shù)目增多,在一定的信號(hào)傳輸速率下,要達(dá)到相同的誤碼率,在CM3信道中Rake接收機(jī)所需的信噪比要比CM1信道的大。
通過(guò)以上仿真分析結(jié)果可知,由于信號(hào)傳輸速率比較高，當(dāng)Ts=10ns時(shí)，為100Mb/s,經(jīng)過(guò)室內(nèi)多徑信道將引起嚴(yán)重碼間串?dāng)_,因此需要設(shè)計(jì)有效可靠的Rake接收機(jī)。
在CM1信道中，當(dāng)Ts=10ns時(shí),10PRake接收機(jī)性能最好,同時(shí)6PRake性能比6SRake性能好,只能采用PRake接收方式。
在CM3信道中，當(dāng)Ts=10ns時(shí)，9PRake性能最佳，6PRake與6SRake曲線(xiàn)幾乎重疊,因此在選擇多徑選擇方式時(shí)只能選擇PRake方式。
本仿真找出了室內(nèi)Rake接收機(jī)的最佳平衡點(diǎn),保證了Rake接收機(jī)的有效性和可靠性,使接收機(jī)性能達(dá)到最優(yōu)化結(jié)果，因此本文結(jié)果對(duì)室內(nèi)超寬帶信號(hào)Rake接收機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。
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