一種基于PPM與PAM并行方式的超寬帶調制技術

摘 要:為了實現UWB高速無線傳輸，結合PPM和PAM的特點提出了脈沖位置幅度調制(PPAM)技術，通過對信號的相位和幅度特性進行相關融合產生PPAM調制信號，并采取相關判決準則進行最佳接收，最后對幾種調制信號的波形特征及系統的誤碼率性能進行仿真對比。結果表明，在同一信噪比下，該調制方式的系統誤碼率性能要優于傳統的調制系統，理論上也提高了信息的傳輸速率，并降低了系統的復雜度。

關鍵詞:PPAM調制; 跳時超寬帶; 最佳接收; 系統復雜度

中圖分類號:TN911.3 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0117-04

Modulation Technique of UWB Based on PPM and PAM

WU Xiao-dong， LI Li， HUANG Li-hui， CHEN Shou-kun

(School of Information and Mechanical Electronic Engineering， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China)

Abstract: In order to achieve high-speed UWB wireless transmission， a new modulation technique named pulse position amplitude modulation(PPAM)is presented based on the characteristics of PPM and PAM. The PPAM modulation signal was generated by syncretizing the phase and amplitude of the signal， the best reception was gained by the relevant judging criterion， and the waveform feature of the modulation signal and the BER performance of the system were compared and simulated. The simulation results show that the BER performance of this system is superior to the conventional modulation， the transmission rate of information is improved and the complexity of the system is reduced.

Keywords: PPAM modulation; TH-UWB; optimum reception; complexity of the system

0 引 言

超寬帶(UWB)傳輸系統被視為解決室內短距離無線通信非常有前途的方案，如ad hoc、家庭、個人和機構的區域網絡，因為他們可非授權地使用3.1~10.6 GHz頻段;此外，在控制網絡、傳感器網絡以及雷達定位測距等方面也具有廣泛的應用[1]。作為一種具有廣闊發展前景的通信傳輸技術，業界對此都普遍關注，尤其重視UWB發射與接收系統方面的研究。高效的編碼調制技術是實現UWB高速無線傳輸的關鍵，關于UWB的調制與解調方式相當多，其中最常見的有脈沖幅度調制(pulse amplitude modulation，PAM)和脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)。

目前，一些文獻對PAM和PPM調制技術方面進行了一定的研究，如文獻[2]中通過調整脈沖形成因子、PPM調制偏移量及每比特碼片數使系統的性能得到一定改善;文獻[3]從頻域角度研究通過合理地設置超寬帶信號的基本參數提高系統的抗干擾能力;文獻[4]對傳統的PPM和PAM調制系統進行了研究，發現2PAM的抗噪性能要優于2PPM，但對于M(M>2)且不斷增加，PAM性能越來越差，而PPM系統的性能卻越來越好;文獻[5]中提出了UWB多脈沖位置調制(multi pulse position modulation，MPPM)，利用多個脈沖提高PPM調制效率，進而獲得較高的數據傳輸率;文獻[6]中提出了雙正交脈沖位置調制(biorthogonal pulse position modulation，BPPM)，利用脈沖的極性特點來提高系統的性能。綜上可見，PAM系統的抗干擾能力要優于PPM系統，且對時間精度的要求較低;但采用多脈沖的PPM調制，可獲得較高的數據傳輸率，且跳時與PPM都是對脈沖時間位置的調整，可相加后一次完成，大大降低了系統的復雜度。

本文在上述研究的基礎上，結合PAM的極性與PPM的時移特征，提出了一種新的調制技術——脈沖位置幅度調制(pulse position amplitude modulation，PPAM)。對信號同時進行PAM與PPM調制，使得信號的一個碼元同時帶有PAM與PPM調制信號的特征參量，理論上提高了整個系統的傳輸速率，并降低了系統的復雜度。實驗仿真還表明，在信噪比相同條件下，該調制系統的誤碼率性能要優于傳統的調制方式。

1 PPAM信號及系統模型

1.1 傳統的調制信號

假設w(t)為一個單用戶系統的基帶傳輸信號，分別結合脈沖位置調制(PPM)和脈沖幅度調制(PAM)的二進制跳時(time hopping，TH)超寬帶信號可以通過如下方式產生。圖1為二進制TH-PPM信號的發射框圖。

圖1 二進制TH-PPM信號的發射框圖

PPM調制原理:將待發射的二進制序列b送入重復編碼器，進行Ns次重復編碼得到新的序列a，發送編碼器通過整數值序列c與序列a作用生成序列d(見圖1)，再經過PPM調制器進行時間軸上的偏移(引入TH位移)，最后通過脈沖成形器(沖擊響應為w(t))生成相應的發射波形，即TH-PPM信號[7-8]s(t)，其表達式可以表示為:

s(t)=∑∞k=-∞w(t-kTf-ckTc-akμ) (1)

式中:Tc為TH碼的碼片時間;Tf為每一個脈沖幀的持續時間;μ為PPM調制的偏移量;c為TH碼序列，周期為Np，ck∈c且0≤ck≤Nh-1，Nh表示每幀內的時隙數;ak∈{0，1}為第k時隙的比特序列;圖1中dk為序列d的元素，且dk∈{0，1}為二進制數據符號;Ns為每數據符號的脈沖幀個數，若Ts為每數據符號的持續時間，有Ts=NsTf。

同樣經PAM調制可以得到TH-PAM信號[7-8]，其表達式為:

s(t)=∑∞k=-∞a*kw(t-kTf-ckTc) (2)

式中:a*k=1-2ak。

1.2 PPAM信號模型

PPAM調制是同時對信號進行PAM與PPM調制，使信號同時帶有PAM與PPM調制信號的特征[9]，其系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

上半部分即為傳統的TH-PPM調制，然而與傳統的調制方式相比，由于PPAM要對序列進行2種調制，原始碼流b一路被送入上半部分，進行PPM調制并生成相應脈沖;另一路則送入下半部分，進行極性轉換成{+1，-1}序列輸入碼幅控制器，來控制經PPM調制后信號的極性，最后生成PPAM信號，其表達式可以表示為:

s(t)=∑∞k=-∞gw(t-kTf-ckTc-akμ) (3)

式中:g是信號的幅度;w(t)是發射的沖擊脈沖波形;Tf是脈沖幀的持續時間，每幀被劃分成Nh個時隙，每個時隙的時間長度為Tc，μ是PPM調制的偏移量。

2 PPAM接收

2.1 AWGN信道

假定經AWGN信道傳輸，接收端的有用信號為ru(t)，則受到加性噪聲影響后接收信號表示為:

r(t)=ru(t)+n(t) (4)

式中:n(t)是信道的加性噪聲，為雙邊PSD為N0/2的高斯隨機變量，其均值為零，方差為σ2，其形式為:

n(t)= 1 2πσ exp[ -t2/(2σ2)](5)

式中:ru(t)為發射信號s(t)經過時延和衰減之后的信號，可以表示為:

ru(t)=αs(t-τ) (6)

式中:α為信道增益;τ為信道時延。

故由(3)式，(4)式及(6)式可以得到PPAM接收機的接收信號r(t)，其表達式為:

r(t)=α∑∞k=-∞gw(t-τ-kTf-ckTc-akμ)+n(t) (7)

2.2 PPAM最佳接收機

PPAM的最佳接收機框圖如圖3所示，對接收端的接收信號r(t)進行了2次相關判決，p0(t-τ)是只考慮時移時的相關掩膜，通過上半部分估計出來的比特為 0;p1(t-τ)是只考慮幅度因素的相關掩膜，估計出來的比特為 1。

圖3 PPAM的最佳接收機框圖

本文采用的判決方法為:假設一接收機，令M1表示最終估計出“0”的數目，M2表示最終估計出“1”的數目，則有當M1>M2時，最終的估計比特為0，否則為1。

假設M1，M2分別表示估計比特 0中0和1的數目，M3，M4分別表示估計比特 1中0和1的數目。若 0= 1時，可知最終的估計比特 = 0= 1;否則采用下面如式(8)所示的判決規則進行判決:

(M1+M3)>(M2+M4)，b=0

(M1+M3)<(M2+M4)，b=1 (8)

3 仿真分析

在此比較PPAM調制方式與傳統PPM、PAM調制方式，分別從調制信號的波形特征和系統的誤碼率性能角度來進行仿真對比。假設一單用戶系統，令隨機序列的比特數number=10 000，信號的抽樣頻率fc=5×1010 Hz，碼片時間Tc=1×10-9 s，脈沖重復周期Ts=3×10-9 s，PPM時間位移μ=0.5×10-9，平均發射功率P=-30 dBm，TH碼的周期Np=30 000 s，沖擊響應持續時間Tm=0.5×10-9 s。

3.1 幾種調制信號波形特征分析

假設發送的原始序列bits=(1，0)，脈沖重復次數Ns=1，每幀的時隙數為3。幾種調制信號所對應的輸出序列波形分別如圖4~圖6所示。本文提出的PPAM調制方法與傳統的PPM，PAM調制方式的系統誤碼率比較如圖7所示。

圖4 PAM調制信號波形

圖5 PPM調制信號波形

從圖4、圖5、圖6三幅波形圖可以看出，每個輸出序列都包含2bit信息，分別位于2個幀內，其中前一幀代表的信息比特為“1”，后一幀代表的信息比特為“0”。由圖4可知，PAM調制信號輸出序列的2個脈沖分別位于2個碼元周期(脈沖重復的周期Ts)，且都位于每幀第一個時隙的起始位置，即未發生時間偏移，但2個脈沖波形的極性相反;圖5表明信號經PPM調制后，輸出序列的2個脈沖波形的極性相同未發生改變，但它們都發生了時間上的偏移，其中前一脈沖產生于第一幀的第一個時隙后期，后一脈沖則產生于第二幀的第二個時隙前期。

圖6 PPAM調制信號波形

圖7 幾種調制方式下系統誤碼率隨信噪比的變化曲線

圖6所示的是PPAM調制信號的輸出波形，其波形特征與前兩者都有所不同。首先2個脈沖的極性不同，像PAM調制一樣，信號的極性發生了改變，即帶有PAM調制的極性特征參量;其次兩個脈沖在各幀的不同時隙內都發生了不同程度的時間偏移，像PPM調制一樣，信號發生了時間上的偏移，即帶有PPM調制的時移特性。因此，對于PPAM調制而言，調制信號在一個碼元周期(即一個幀內)同時帶有PAM和PPM的特征參量，使其在相同條件下所帶的信息量較兩種傳統調制方式有所增加，進而理論上提高了整個系統的信息傳輸速率。

3.2 幾種調制系統誤碼率性能的比較

表1所示的是幾種調制方式下，信號在相應信噪比下的誤碼率對比，抽取了其中5個點。

表1 幾種調制系統的誤碼率Prb對比

誤碼率

信噪比 /dB

1 2 3 4 5

Prb(PAM) 0.078 3 0.038 7 0.017 4 0.003 3 0.000 3

Prb(PPM) 0.156 2 0.105 9 0.056 1 0.024 9 0.005 7

Prb(PPAM) 0.081 4 0.042 7 0.019 6 0.004 3 0.001 1

由表1可知，本文提出的PPAM調制方法在系統誤碼率性能要優于PPM調制方式，隨著信噪比的不斷增大，PPAM系統的誤碼率始終比PPM的低約50%;從圖7所示的仿真曲線還可以看出PPAM誤碼率性能也與PAM調制系統不斷接近，但對于M進制的PAM調制系統來說(M>2)，接收端需對接收到的信號進行M次相關判決[10]，而本文中提出的PPAM調制方案則只需兩次相關判決，從而降低了系統的復雜度。

4 結 語

本文在介紹傳統調制的基礎上，提出一種新的調制方法(脈沖位置幅度調制)。該調制方式結合了PAM與PPM調制的特點，使得調制信號同時兼有PAM的極性和PPM的時移特性。通過仿真可以看出，該調制方式的系統誤碼率性能要優于傳統的調制系統，同時理論上提高了信息的傳輸速率，且較傳統調制方式的系統復雜度也有所降低。這就為實現UWB高速無線傳輸提供了一種好的調制機制，對于未來UWB乃至認知超寬帶(CUWB)技術的發展都具有深遠意義。

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