基于反饋平衡累加的Chirp-COTR-UWB檢測方法

(解放軍信息工程大學 通信工程系,鄭州 450002)

1 引 言

超寬帶(Ultra-Wideband，UWB)無線通信技術近年來興起并快速發展，是當前國際研究的熱點之一。作為非頻率侵占性的極低譜密度傳輸方式，擁有至少500M信號帶寬的超寬帶技術以低功耗、低成本、與現有系統頻譜共享等諸多優點，具有獨特而廣闊的應用前景。

發送參考(Transmitted Reference)體制的檢測結

構因避免了復雜的信道估計,在超寬帶系統中得到廣泛的研究和應用，其具有時域、頻域及碼域參考3種具體的實現方式。文獻[1]和文獻[2]分別提出了基于時延發送參考(Transmitted-Reference，TR)和基于微小頻偏發送參考(Slightly Frequency-Shifted Reference，FSR)的UWB系統；文獻[3]提出了一種基于正交碼發送參考(Code-Orthogonalized Transmitted-Reference，COTR)的UWB系統；文獻[4]提出了基于碼分多路發送參考(Code-Multiplexed Transmitted-Reference，CM-TR)的UWB系統，并給出了碼序列優化選擇方法；文獻[5]將文獻[3]和[4]通稱為碼參考(Coded-Reference，CR)UWB系統，并指出文獻[5]中的CR-UWB接收機是接近最優的低復雜度實現結構。

Chirp-UWB作為典型的載波調制UWB系統以載波頻帶選擇靈活、發射效率高等突出優點在超寬帶領域日益得到重視。Chirp信號用于通信領域的想法首先由M.Winkler[6]于1962年提出。在傳統的Chirp信號傳輸接收結構中，接收端多采用模擬聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件，利用Chirp信號良好的自相關性進行相干匹配濾波，完成信號檢測，即CSS(Chirp Spectral Spread)技術。但對于Chirp-UWB信號，信號的實際帶寬一般不小于500 MHz，聲表面波模擬器件動態范圍太大，硬件實現困難，并且對后端采樣率要求過高，信號精度較難保證。

Chirp-COTR-UWB將Chirp-UWB信號與碼域參考相結合，發揮了兩者的優點，進一步擴展了UWB系統的應用領域。文獻[7]借鑒雷達信號處理中的去斜脈沖壓縮(De-chirp)方法和碼發送參考原理，采用有源頻譜壓縮(Active Spectrum Compression，ASC) 結構完成Chirp-COTR-UWB信號的檢測。系統接收端采用非相干檢測的能量判決方法，引入了噪聲平方項的干擾分量，影響了系統解調性能。

傳統的TR-UWB接收機分為簡單的TR-接收機(STR)[8-9]和平均TR-接收機(ATR)[9]，其中，STR的本地模版信號為幀內參考脈沖，ATR則取幾個參考信號的均值作為新的參考信號，雖未提高數據速率和能量利用率，但是通過降低參考信號中的噪聲能量達到了改善檢測性能的目的。

鑒于COTR信號的特點，傳統累加方法并不適用。為此，本文在Chirp -COTR-UWB解調結構的基礎上，借鑒ATR接收機的思想，提出了基于反饋平衡累加的ACOTR檢測方法，對本地模板的噪聲影響進行抑制，達到了提高接收端系統檢測性能的目的。

2 ASC-Chirp-COTR-UWB系統模型

x(t)=(blCI+CQ)g(t)cos(2πf0t+πμt2)

(1)

圖1 ASC-Chirp-COTR-UWB發射機模型Fig.1 ASC-Chirp-COTR-UWB transmitter model

圖2 ASC-Chirp-COTR-UWB接收機模型Fig.2 ASC-Chirp-COTR-UWB receiver model

加性高斯白噪聲條件下，經過圖 2接收機的去斜脈沖壓縮處理及理想低通濾波后，輸出信號的表達形式為

r(t)=(blCI+CQ)g(t)/2+n′(t)/2

(2)

式中，噪聲分量n′(t)可以近似看作均值為零、方差為δ2=N0W(W為理想低通濾波器帶寬)的窄帶高斯噪聲，其發射和低通濾波輸出信號形式如圖3所示。

圖3 發射信號及低通輸出信號r(t)Fig.3 Transmitting signal and low pass signal r(t)

對于二碼片擴頻的ASC-COTR-UWB系統和脈沖結構下的COTR系統，其誤碼率分別為

(3)

(4)

3 基于反饋平衡累加的檢測方法分析

參考TR-UWB結構的定義，上一節給出的COTR檢測結構可以稱為Chirp-SCOTR-UWB結構，其直接使用幀內的參考信號作為本地模板。由公式(3)、(4)可知，脈沖COTR-UWB系統誤碼率性能受噪聲的乘積項的影響較大，去斜處理的超寬帶系統性能也在很大程度上受到噪聲的影響。如圖 4所示，COTR信號的碼元速率為1 Mbit/s，Chirp-UWB信號產生的的擴頻增益G=BT/Rc=500/2=250，即26.98 dB的總擴頻增益。由仿真結果可見，當誤碼率為10-3時，系統信噪比約為-16 dB。在不考慮擴頻增益的情況下，采用該Chirp-SCOTR-UWB接收結構時，碼域參考Chirp-UWB信號的檢測性能與差分BPSK相比約低3 dB,與相干BPSK相比約低4 dB。

圖4 二碼片Chirp-COTR-UWB性能仿真Fig.4 The performance of two-chip Chirp-COTR-UWB

采用Chirp-SCOTR-UWB檢測結構時，數據信號與參考信號在碼域上進行參考，噪聲平方項影響了信號檢測性能，由誤碼率性能可知，其引入了近1 dB的額外性能損失。采用多位Walsh碼進行碼參考的時侯，在總擴頻增益不變的條件下，隨著系統一次擴頻帶寬W的增大，引入的噪聲乘噪聲項將導致系統的接收性能進一步惡化。因此，構建較為理想的信號碼域參考模板，有效抑制信號噪聲平方項是亟待解決的問題。

對于慢衰落信道，可以認為單個Chirp-COTR-UWB符號內的信道響應保持不變，且相鄰符號的信道傳輸函數近似相等，且信道疊加的高斯白噪聲經過低通濾波輸出的噪聲分量在任意兩個不同碼片上不相關。由于Chirp-COTR-UWB信號每幀內只發送一個信息符號，所以需要對多個接收信號進行存儲后進行累加構建模板，將幾個參考信號取均值后作為新的參考信號。雖然采用該方法數據速率和能量利用率沒有提高，但通過降低參考信號中的噪聲能量達到了改善檢測性能的目的。

傳統的平均降噪將參考支路信號進行累加得到提純的信道模板，但對于Chirp-COTR-UWB信號的碼域參考結構的發送方式，其采用的是脈位調制的非相干檢測系統(即采用了差分的能量判決法)，接收到的是位于信號的不同碼片的并行模板。在進行模板提純的時候，需要根據接收符號從不同的碼片取出參考模板進行累加。如果直接采用多符號累加結構，將會因不同碼片的模板疊加數量不同而使得累加結果不適合作為信號提純參考模板。更加極端的情況就是，在通信傳輸過程中，如果連續接收到相同的信息符號，即常1或常-1，將會嚴重影響信號解調。

設連續N個信號低通輸出為

r=[r0r1r2…rN-1]

(5)

如果直接采用多符號時域平均累加，得到的降噪參考模板為

(6)

(7)

雖然噪聲通過累加可得到抑制，但如果下一個接收符號為-1，不考慮噪聲的情況下信號的解調輸出為

(8)

可見，直接累加的模板雖然能夠消除噪聲，但沒有考慮到COTR的信號結構，參考模板的重構并不理想?；谶@一問題，結合參考機制原理[10-11]，本文提出了Chirp-ACOTR-UWB接收機模型，該方法的實現結構如圖5所示。

圖5 反饋平衡累加接收機Fig.5 Feedback balance accumulation receiver

(9)

該方法的檢測步驟如下：

(2)根據指針位置，將新得到的r(t)替換最早饋入累加池不能反映當前信道信息的累計量；

(3)上一步驟得到的結果可以近似認為慢變信道下參考支路的模板，隨著信號在時域上的不斷累加，參考模板的窄帶高斯噪聲分量逐漸被抑制。由于該模板與當前到達信號疊加的窄帶高斯噪聲分量非相干，兩者的合并較好地消除了噪聲乘噪聲項的影響。

4 基于反饋平衡累加的檢測方法仿真

下面通過Matlab仿真分析該方法的性能。仿真條件：AWGN信道下隨機發送信號-1、1，擴頻碼N=2，Rb=1 Mbit/s，低通截止帶寬W=2 MHz，線性掃頻帶寬B=500 MHz，累加次數均為Nadd=20。采用直接反饋累加和反饋平衡累加檢測方法的性能比較如圖6所示。

圖6 采用反饋平衡累加檢測結構的性能比較Fig.6 Performance of feedback balance accumulation

由圖6可見，由于傳統的直接反饋累加方式沒有考慮到COTR信號的特性，連續接收到隨機1或-1信號的情況下導致了模板非平衡，其累加結果反而惡化了系統的性能。

圖7 不同累加次數的性能Fig.7 Performance of different accumulations

本文提出的經幅度歸一化的反饋平衡累加，避免了上述方法的不足，保證了非相干檢測時參考支路能量的一致性，較之原來的檢測結構，誤碼率性能提高了約0.5 dB。檢測性能在不考慮擴頻增益的情況下，更接近差分BPSK系統的理論性能，較好地到達了噪聲抑制的目的。對于采用多位參考碼序列進行信號擴頻傳輸的情況，相應支路都需要加入反饋累加結構，最終將這些支路累加起來作為信號的參考模板，完成模板重構，實現抑制噪聲提高性能的目的。如圖 7所示，隨著累加次數繼續增加系統性能提升有限，且資源消耗將過多，性價比不高。

5 總 結

本文在研究ASC-Chirp-SCOTR-UWB檢測結構的基礎上，針對其參考模板噪聲平方項帶來的性能損失，分析了傳統直接累加方式的不足，提出了基于反饋平衡累加的Chirp-COTR-UWB信號檢測方法，即ASC-Chirp-ACOTR-UWB檢測法。該方法通過判決反饋和平衡累加達到了抑制噪聲平方項、改善參考模板的目的，提高了發送參考結構參考模板重構的準確性。該結構將經過擴頻的基帶信號進行累加，對于延時線的精度要求較低，因而更便于實現。

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