一種ＴＲ－ＵＷＢ系統的改進型自相關接收機性能分析

摘 要：TR-UWB系統采用自相關接收檢測技術作為一種非最優接收機，其結構簡單、性能優良。對TR-UWB系統的自相關接收檢測技術進行改進，通過合并有限數目多徑信號以提高接收信號能量，同時對接收信號做平均處理抑制噪聲，從而提高系統性能。采用高斯近似法得到系統的誤碼率，最后在多徑信道環境下進行仿真，驗證了接收機性能的改進和誤碼率分析的正確。

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關鍵詞：TR-UWB；自相關接收機；多徑；噪聲抑制

中圖分類號：TN914.53 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-021-03

Performance of an Improved Autocorrelation Receiver for TR-UWB System

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ZHENG Jun，FAN Yan

(Zhejiang Forestry University，Lin′an，311300，China)

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Abstract：TR-UWB system uses Autocorrelation Receiver (AcR) as a suboptimal receiver for its simple structure and good performance.To improve the performance of the AcR，a limited number of multipath is combined and the received signal is averaged to suppress the noise.By using the Gaussian approximation，the BER of the improved AcR is obtained.Finally，a simulation is carried out under the multipath channel.According to the results，it is demonstrated that the performance improvement of the receiver and the correction of the BER analysis.

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Keywords：TR-UWB;autocorrelation receiver;multipath;noise suppression

1 引 言

UWB系統具有發射功率小、抗干擾性強、系統結構簡單的優點，因而成為無線個人局域網(WPAN)的核心技術。

UWB系統通過直接發送納秒級的基帶窄脈沖序列傳輸數據。這樣的極窄脈沖具有很高的時間分辨率，為接收端利用多徑分集提高接收性能提供了條件。文獻［1-3］中提出的各種RAKE接收機都具有優秀的性能，但是其結構復雜。

為了簡化UWB系統的結構，將TR(Transmitted Reference)信號模型運用到UWB系統中形成TR-UWB系統。其主要優點在于，采用自相關接收機(Autocorrelation Receiver，AcR)檢測信號，不需要精確的時間同步，也不需要進行信道估計，從而降低了整個系統的復雜度。自相關檢測雖然帶來了接收機結構的簡化，但由于兩個脈沖信號都攜帶噪聲，導致接收性能相對RAKE接收機有所下降。文獻［3，4］為了抑制噪聲，對接收參考脈沖求平均后再與數據脈沖相關以提高檢測性能；文獻［5］則利用UWB信號的高分辨率，在自相關接收機中采用分集合并技術提高檢測性能，并提出了多種合并標準。

本文對自相關接收機的多徑合并，選取最先到達的數條多徑，而非文獻［5］中完成對全部多徑信號處理后再根據某一準則進行合并。因為隨著延遲的增大，多徑衰落越來越嚴重，即先到達的多徑信號較強，后到達的信號較弱，所以只選取先到達的多徑信號進行檢測。這樣可以簡化接收機的結構，有效降低信號處理的時間。同時，為了最大程度降低噪聲的影響，不僅對參考脈沖做平均處理，數據脈沖同樣也經過平均，再讓兩者進行相關。不同于文獻［3］中參考脈沖和數據脈沖來自兩個相鄰的比特，而選擇同一比特內的脈沖，這樣的參考脈沖和數據脈沖經歷同樣的衰減，相關性較強。

經過改進后的自相關接收機應用到無線個人局域網信道模型IEEE802.15.4a^[6]中，通過分析與仿真，驗證了其優良的性能。

2 系統模型

2.1 信號模型

采用BPSK調制的經典TR-UWB發射信號模型為：

其中，第一項表示發送的參考脈沖，第二項表示參考脈沖之后經過BPSK調制的數據脈沖，兩個脈沖起始時刻的間隔為Td，脈沖寬度為Tw；d|i/Ns|表示待發送二進制數據，經過BPSK調制，映射為-1或1，[XC]iNs[XC]為取整操作；每個比特由連續的Ns個持續時間為Tf的幀構成，以增加接收端接收到的信號能量。

經典TR-UWB信號模型的一個缺點在于，兩個脈沖之間存在時間間隔，降低了數據傳輸率。為了提高數據率，將Td設置為脈沖寬度大小，即Td= Tw：





s(t)=∑∞i=0∑Ns－1j=0gtr(t－jTf)+d[XC；%30%30]i/Ns[XC；%30%30]gtr(t－jTf－Tw)

(2)



則兩個脈沖相繼發送，形成如圖1所示脈沖序列：

圖1 脈沖序列

2.2 信道模型

針對UWB的信道模型，IEEE信道模型分委會決定采用基于簇方式的模型。該模型借助于經典的S-V模型，其主要特征是：來自同一個脈沖的多徑分量以簇的形式到達接收機，簇到達時間服從一個泊松到達過程；每一簇內，相繼的多徑分量的到達時間服從另一個泊松到達過程。IEEE信道模型的沖激響應為^[6]：



h(t)=X∑Ll=1∑K(l)k=1αk，lδ(t－Tl－τk，l)

(3)



其中，X表示服從對數正態分布的大尺度衰落，也稱陰影效應；αk，l是第l個簇內第k條多徑的幅度衰減系數；Tl為第l個簇的延遲，τk，l為第l個簇內第k條多徑在該簇內的延遲；L是接收到的簇的數目，K(l)是第l個簇內的總多徑數目。為了表示簡單，將該信道模型改寫為：

h(t)=∑Ll=1αlδ(t－τl)

(4)



L為總多徑數目，αl和τl分別表示第l條多徑的衰減和延遲。

TR-UWB信號經過信道衰減后得到接收信號：



r(t)=s(t)h(t)+n(t)

(5)



其中，n(t)表示加性高斯白噪聲。

2.3 自相關接收機

對接收信號做自相關檢測前，先將信號通過濾波器濾除帶外噪聲。濾波后的接收信號為：



(t)=∑∞i=0∑Ns－1j=0∑Ll=0(t－jTf－τl)+

(t－jTf－Tw－τl)+(t)

(6)



自相關接收機框圖如圖2所示。

每一比特信息的判決變量，通過對NS個幀內的全部多徑信號自相關后得到。即每一幀內有：



Zj=∑Ll=1∫jTf+Tw+τl+TwjTf+Tw+τl(t－Tw)#8226;(t)dt

(7)



由NS個幀的相關結果求和得到判決變量：



Z=∑Ns－1j=0Zj

(8)



圖2 自相關接收機

3 改進型自相關接收機

2.3中的自相關接收機有兩大缺點：第一，需要對每一幀的所有多徑信號進行接收處理，使得處理時間太長。UWB系統使用的納秒級窄脈沖具有極高的分辨率，從而其多徑信號數目很多，有時能達到數百個多徑。這些多徑信號中，先到達的多徑信號較強，隨著延遲的增大，信號越來越弱，接收這些弱信號對增加接收信號能量意義不大，只會增加接收處理時間，最終影響整個系統的效率。第二，無法降低帶內噪聲對接收機檢測性能的影響。FCC為了防止UWB脈沖信號對其他無線通信系統形成干擾，規定其發射能量極低，導致有用信號能量和噪聲能量同級，這對接收機尤其是對自相關接收的性能造成很大影響。自相關接收機直接對接收到的兩個信號做相關，而這兩個脈沖同時帶有噪聲，必然影響接收性能。因此，如何抑制噪聲的影響非常重要。

為克服上述缺點，對自相關接收機進行相應改進。第一，放棄對全部多徑信號的處理，而只對每一幀內先到達的有限條多徑進行接收處理以提高接收機的處理速度。第二，由于帶內噪聲是白噪聲，具有期望為零的統計特性，因此，為了抑制帶內噪聲的影響，對每個比特內所有的參考脈沖和數據脈沖分別取平均。

經過低通濾波器后的接收信號為：



(t)=∑Ns－1j=0∑L(j)l=1αj，l(t－jTf－τj，l)+

diαj，l(t－jTf－Td－τj，l)+(t)

(9)



判決變量Z為：



Z=∫T0[HT3，10.]［[HT10.]1N∑Ns－1j=0∑L(j)l=1diαj，l(t－jTf－Td－τj，l)+ 

(t－jTf－Td－τj，l)[HT3，10.]］[HT10.]#8226;

[HT3，10.]［[HT10.]1N∑Ns－1j′=0∑L(j′)l′=1αj′，l′(t－j′Tf－τj′，l′)+

(t－j′Tf－τj′，l′)[HT3，10.]］[HT10.]dt

(10)



其中，N為接收到的多徑信號總數，N=∑jL(j)。積分式中第一個乘積項是經過平均后的數據脈沖，第二項則是經過平均處理后的參考脈沖，(t)依然是經過濾波器后的零均值高斯白噪聲過程。為了分析得到該自相關接收機的誤碼性能，需要獲得判決變量的期望與方差，這兩個數字特征以某一信道實現為條件，分別為：

E［Z|U=u］=EpN2∑Ns－1j=0∑Ns－1j′=0∑L(j)l=1∑L(j′)l′=1diαj，lαj′，l′

(11)

Var［Z|U=u］=2N0WN3∑Ns－1j=0∑Ns－1k=0∑L(j)l=1∑L(k)m=1αj，lαk，mβ+

(N0W)2N2γ

(12)

TR-UWB系統最終的誤碼率與信道特征有關，要得到系統誤碼率，必須知道準確的信道特征。但是信道特征也是一個隨機過程，并且難以用一個閉合的表達式來描述信道特征，因此系統的誤碼率最終也難以得到一個閉合形式：



Perror=P(Z|U=u)#8226;P(U=u)

(17)



4 系統仿真

脈沖信號采用二階導數高斯脈沖，脈寬Tw=05 ns，每比特包含Ns=20幀，為滿足IEEE802.15.4a對數據速率的限制^[7]，取每幀長度Tf=200 ns，這一時間長度遠大于信道最大延遲擴展，減輕了ISI的影響。信道模型采用文獻［6］中IEEE 802.15.4a標準中的CM1信道模型，多徑數分別取1，3，5條。

圖3 CM1信道中的仿真結果與理論值

由圖3可知，理論誤碼率與仿真結果基本吻合，表明理論誤碼率式(13)正確。由圖4可知，改進型自相關接收

機的誤碼率在單徑情況下(最下面一條曲線)已明顯低于

優于單徑性能，因此，對自相關接收機改進后，其誤碼率性能獲得了顯著提升。

圖4 傳統自相關接收機系統與改進型

自相關接收機性能比較

5 結 語

針對TR-UWB系統所采用的自相關接收機的缺點，對其做相應的改進。合理利用UWB系統的多徑信號提高接收信號能量，并提升信號處理時間；同時針對信號中包含的噪聲，采用簡單的算數平均加以抑制，提高接收機性能。通過分析，得到接收機的誤碼率，并與計算機仿真結果進行比較，該接收機的性能明顯優于改進前的接收機，并且，接收機的理論誤碼率與仿真結果一致。

綜上所述，通過對普通自相關接收機的改進，在系統復雜度沒有增加的情況下，系統性能有了很大提升。

參 考 文 獻

［1］Win M Z，Scholtz R A.On the Energy Capture of Ultra-wide Bandwidth Signals in Dense Multipath Environments\\[J\\].IEEE Commun.Lett.，1998，2:245-247.

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［2］Clessienne T，Yang Sheng.A Generalization of the Rake Receiver Performance.Proc.IEEE PIMRC04，2004，4:2 436-2 440.

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［3］Choi J D，Stark W E.Performance of Ultra-wideband Communications with Suboptimal Receivers in Multipath Channels\\[J\\].IEEE Selec.Areas Commun.，2002，20:1 754-1 766.

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［4］Quek T Q S，Win M Z.Ultrawide Bandwidth Transmitted-reference Signaling\\[C\\].Proc.IEEE Int.Conf.on Commun.，2004:3 409-3 413.

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［5］Dong X，Lee A C Y，Xiao L.A New UWB Dual-pulse Transmission and Detection Technique\\[C\\].Proc.IEEE Int.Conf.on Commun.，2005:2 835-2 839.

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［6］Molisch A F.Channel Model Subcommittee-final Report\\[R\\].IEEE802.15-04/535r0，2004.

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［7］Heile R F.MAC and PHY Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).http://standards.ieee.org/.

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作者簡介 鄭 軍 男，1979年出生。主要從事通信理論研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。