基于偶位GOLD碼的超寬帶多徑信道性能分析

李 瑞 張朝霞 王華奎

（1太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024 2、太原理工大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育部，山西 太原 030024）

1 引言

UWB（Ultra-Wide Bandwidth，超寬帶）脈沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是近年來(lái)在國(guó)際上新興的一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)不同于其它無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、低功耗、系統(tǒng)復(fù)雜度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且可以重復(fù)利用頻譜，解決頻譜擁擠不堪的問(wèn)題。

本文選用Gold碼偶位碼來(lái)代替TH-PPM和TH-PAM調(diào)制方式中的傳統(tǒng)跳時(shí)碼，對(duì)基于IEEE UWB的標(biāo)準(zhǔn)信道模型下的UWB Rake接收機(jī)的性能進(jìn)行了分析和對(duì)比。本文利用仿真軟件并結(jié)合理論知識(shí)經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

2 Gold碼偶位碼

Gold序列是2個(gè)周期相同，速率也相同的m序列，由同步時(shí)鐘控制逐位模2加組合而成，產(chǎn)生的Gold序列的周期與這兩個(gè)子序列的周期也相同。并且兩個(gè)n級(jí)移位寄存器可以產(chǎn)生個(gè) Gold 序列[1]。

Gold碼的偶位碼是在Gold碼末尾加一位0或1，使0，1個(gè)數(shù)盡量相等，此時(shí)碼位數(shù)變?yōu)榕紨?shù)2k（k為正整數(shù)）。例如，GOLD碼序列001001010010000，0的個(gè)數(shù)比1多，則在其末尾添1，因此該GOLD碼序列的偶位碼為0010010100100001[4]。

3 發(fā)射信號(hào)模型

本文的發(fā)射模型用到兩個(gè)模型，TH-PPM和TH-PAM，TH-PPM用信息符號(hào)控制脈沖幅度，TH-PAM用信息符號(hào)控制發(fā)射信號(hào)的時(shí)延[5]。本文由于篇幅原因只列出TH-PPM模型的原理和仿真。

基于跳時(shí)脈沖位置調(diào)制(TH-PPM)方式的超寬帶無(wú)線(xiàn)通信跳時(shí)多址技術(shù)，是在1993年由KA.scholtz提出的。這是一種最典型的超寬帶無(wú)線(xiàn)通信調(diào)制方式。UWB信號(hào)的產(chǎn)生可表述為以下表達(dá)式：

式中P(t)表示的是發(fā)送的單周期脈沖，{cj}是PN碼序列；{d[j/Ns]}表示信息碼序列；Ns為每個(gè)信息符號(hào)發(fā)射的脈沖個(gè)數(shù)，也是幀的個(gè)數(shù)；;j為幀的序數(shù)；TS是無(wú)調(diào)制時(shí)的均勻單周期脈沖的重復(fù)周期，取值一般是高斯單脈沖寬度的上千倍；TC為PN碼所控制的脈沖時(shí)延偏移單位，即碼片持續(xù)時(shí)間；δ為信息碼{d[j/NS]}控制的附加時(shí)延（有時(shí)稱(chēng)為時(shí)間調(diào)制指數(shù)），當(dāng)信息碼為1時(shí)，有δ；信息碼為0時(shí)，無(wú)δ。

傳統(tǒng)PN碼采用重復(fù)編碼，每NS個(gè)單周期脈沖波形傳送1個(gè)二進(jìn)制符號(hào)，信號(hào)碼的脈寬TS=NSTf，信息速率 RS=1/TS。

4 信道模型

在實(shí)際的信道中，由于脈沖形狀的變化，系統(tǒng)系能會(huì)大大下降，例如，在室內(nèi)環(huán)境中，由于墻壁和障礙物的存在，電磁波通常會(huì)產(chǎn)生發(fā)射，衍射，散射，接收機(jī)接收到的信號(hào)是許多分量的疊加。在對(duì)連續(xù)傳輸多徑傳播信道模型中采用的傳統(tǒng)方式進(jìn)行評(píng)述以后，本文對(duì)IEEE802.15.SG3a工作組提出的UWB信道模型[5]進(jìn)行了描述和仿真。

當(dāng)下面的參數(shù)明確后，由沖激響應(yīng)式（1）表示的信道模型就可以完全表征出來(lái)：簇平均到達(dá)速率Λ；脈沖平均到達(dá)速率λ；簇的功率衰減因子Γ；簇內(nèi)脈沖的功率衰減因子γ；簇的信道系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σξ；簇內(nèi)脈沖的新桃系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差σζ；信道幅度增益的標(biāo)準(zhǔn)偏差σg。IEEE給出了四組不同環(huán)境下的參考值。本文限于篇幅，選用了CM3：LOS(4~10m)的視距信道作為實(shí)驗(yàn)信道，該信道的相關(guān)參數(shù)為 Λ=0.0667、λ=2.1、Γ=14、γ=7.9、σξ=3.3941、σζ=3.3941、σg=3。

5 接收機(jī)的選取

本文采用Rake接收機(jī)。Rake接收主要應(yīng)用了分集技術(shù)的思想，分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量，以改善傳輸可靠性的技術(shù).它是一項(xiàng)主要的抗衰落技術(shù)，可以顯著地提高多徑衰落信道下無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的可靠性。由于多徑分量中包含著發(fā)送信號(hào)的有用信息，因此，可以通過(guò)這些多徑分量能量的組合提高接收機(jī)的信噪比，Rake接收機(jī)就是一種能夠完成這一功能的接收技術(shù)。ARake為理想情況下的接收機(jī)；SRake為選擇性Rake接收機(jī)，它從接收機(jī)輸入端獲得的多徑分量中選擇LS個(gè)最好的分量，這樣接收機(jī)的分支路徑數(shù)目可以減少，但接收機(jī)仍需跟蹤所有的多徑分量以便選擇。P-Rake為部分Rake接收機(jī)，它沒(méi)有選擇過(guò)程，直接合并最先到達(dá)的LP個(gè)路徑。

6 接收機(jī)性能仿真及結(jié)果分析

本文分別將傳統(tǒng)跳時(shí)碼、平衡Gold碼和偶位Gold碼應(yīng)用到UWB系統(tǒng)中，分別在PPM和PAM兩種制式的情況下，仿真產(chǎn)生跳時(shí)超寬帶信號(hào)，選取了CM1信道作為仿真信道模型，由三種Rake接收機(jī)來(lái)接收跳時(shí)超寬帶信號(hào)，并比較不同序列不同支路的信噪比。圖1至圖2給出了PPM制式下周期為511時(shí)的仿真圖像。

圖2 PPM制式下不同支路的PRake性能比較

圖1 PPM制式下不同支路的SRake性能比較

7 結(jié)論

根據(jù)以上分析與仿真結(jié)果可以知道，ARake的接收性能最好，偶位Gold碼的誤碼率總低于平衡Gold碼，而平衡Gold碼的誤碼率又總低于傳統(tǒng)跳時(shí)碼。從仿真結(jié)果可以看出，采用偶位Gold碼能夠明顯地降低系統(tǒng)誤碼率，達(dá)到了很好的效果。并且Gold碼偶位碼較之Gold碼易于用單片機(jī)或EPROM等數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生，且容易與數(shù)字信息碼同步，使偶位Gold碼在超寬帶中的應(yīng)用更具有可行性。

[1]王華奎.移動(dòng)通信原理與技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2009。

[2]查光明 熊賢祚.擴(kuò)頻通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002。

[3]梅文華.跳頻通信[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:33-34。

[4]續(xù)大我，張紅.gold碼及其偶位碼短截特性的計(jì)算[J]北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào) 1996，19(2)：74-78.

[5]葛利嘉，朱林，袁曉芳，陳幫富.超寬帶無(wú)線(xiàn)電基礎(chǔ)[M].電子工業(yè)出版社，2005。

[6]Win M Z，Scholtz R A.Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless Multiple-access communications[J].IEEE Trans on Communications，2000，48(4):679-690

[7]Scholtz R.Multiple access with Timehopping Impulse Modulation [J].IEEE Communications on the Move,1993,2:447-450