多径信道PAM-TH-MA系统性能分析

许燕萍

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州 215104）

冲激无线电超宽带（IR-UWB）与传统的窄带无线传输技术或者3G蜂窝网中的扩频宽带技术不同，IR-UWB直接对纳秒级的非正弦窄脉冲进行调制，产生高达几个GHz的超宽带信号。基于此，超宽带（UWB）通信系统具有功耗低、容量大、数据传输速率高、多径分辨能力强、系统结构简单、抗多径和窄带干扰能力强、成本低等一系列独特的优点，其接收信号具有较高的时间分辨率［1-3］，非常适用于室内高速率短距离的无线通信，并且在理论上可以提供厘米级甚至毫米级的定位精度，通过重复利用频谱，可解决频谱拥挤不堪的问题，UWB在无线通信领域具有广阔的应用前景［4-6］。

信号传输过程中存在噪声干扰、多用户干扰、码间串扰及外部干扰等，使得UWB系统接收端信噪比有所降低，研究如何改善和提高UWB系统在低信噪比下的性能，不仅具有深刻的理论意义，同时还具有很高的实用价值。跳时多址（TH-MA）是最常见的一种超宽带系统多址接入方式，IRUWB通常通过脉冲幅度调制（PAM），脉冲位置调制（PPM）等调制方式携带信息，其中TH-PAM系统采用双极性调制，其性能明显优于TH-PPM系统［7］。因此，本文着重研究PAM-TH-MA系统在多径信道下的抗噪性能，并分析采用P-Rake和S-Rake接收机时两种系统的性能。

1 多用户THMA/DSMA-UWB系统描述

1.12PAM-TH-MA系统模型

典型的2PAM-TH-MA UWB系统模型如图1，图2所示为2PAM-TH UWB发射机模型。

图1 2PAM-TH-MA UWB系统模型

从图2可以看到，二进制信源产生含有信息比特“0”和“1”的独立同分布且等概出现的二进制序列，每比特通过重复编码器重复Ns次，经过发送编码和PAM调制器，送入脉冲成形器，最后由发射天线发射出去。信息比特持续时间为Tb，二进制序列传输率为Rb=Ns/Tbbits/s，宽度为Tp的纳秒级高斯单脉冲是能量归一化的脉冲波形。第u个用户传输的二进制反极性PAM-TH-MA信号表示为:

图2 2PAM-TH UWB发射机

式中，a（ju）∈{±1}是第u个用户的第j个脉冲传输的二进制的数值，E（txu）是每一个脉冲的传输能量;Ts是平均脉冲重复周期，c（ju）是第u个用户使用的TH序列的第j个系数，Tc是切普宽度，c（ju）Tc是由于TH码引起的时移。每一个TH码都是由Np个独立同分布的随机变量构成的序列，随机变量以概率1/Nh在［0，Nh-1］范围内取整。

1.2 信道和接收机模型

采用IEEE802.15.3a工作组推荐的基于簇方式的模型，根据实际的测量数据对多径的幅度作了修正，IEEE模型的信道冲激响应可以表示为:

其中，X是对数正态随机变量，代表信道的幅度增益;N是观测到的簇的数目，nc是第c簇内接收到的多径数目。

为了减少多径的影响，通常采用Rake接收机。Rake接收主要应用分集技术的思想，充分利用传输中的多径信号能量，以改善传输可靠性。

图3 具有N个并行相关器和时延单元的Rake接收机

在接收端使用Rake接收机增加了接收机的复杂性，其复杂程度随判决前后分析和合并的多径数目的增加而增大，因此，可以通过减少接收机处理的多径分量数目来降低复杂性。然而，减少分析的数目会使接收机获取的能量减少。如何在复杂性和尽可能多的获取能量之间取得平衡成为了研究热点。Rake接收机的不同结构和合并策略对其性能有很大的影响。

1.3 性能分析

根据图3所示的Rake接收机模型，接收信号表达式可写为:

式中，n（t）是0均值、双边功率谱密度为N0/2的加性高斯白噪声（AWGN），Nm是路径数，τd是每条路径的时延，αd是每条路径的增益。

假设Rake接收机可以很好地估计信道参数，输出端第i'个比特、第l个分支的输出可以表示为:

如果两个连续延迟的时间大于脉冲的持续时间，得到噪声的均值和方差为:

2 仿真结果与分析

采用高斯二阶导函数作为发射脉冲波形，脉冲宽度0.2 ns，脉冲形成因子0.287 7 ns，脉冲的中心0.1 ns。

在CM1信道下，S-Rake接收机的叉指数分别取5、10和20，P-Rake接收机的叉指数分别取10、20和30，采用最大比合并接收，TH-PAM超宽带单用户系统性能如图4所示。

图4 TH-UWB系统性能

从图4可以看出，S-Rake接收机的性能优于P-Rake接收机，并且随着叉指数的增加，系统性能均得到提高。这是因为S-Rake接收机是从接收机输入端获得的众多径分量中选择最好的几个分量，而P-Rake接收机没有选择过程，直接合并最先到达的几个路径。但是，当最好的分量位于信道冲激响应的起始处时，如在LOS情况下，两者的性能差距就会减小。

在CM1信道下，采用最大比合并的20个叉指数S-Rake接收机，不同帧数时的TH-UWB超宽带系统性能如图5所示。TH-UWB系统在多用户情况下，所用跳时码有一个额外的时间偏移，如果这个时间偏移太小，就会增加用户间的碰撞概率，帧数越多系统性能就越差。

图5 采用不同帧数的TH-UWB系统性能比较

3 小结

本文利用IEEE 802.15.3a工作组建议的标准UWB室内信道模型，针对TH-MA-UWB系统，分析了采用S-Rake和P-Rake接收机时系统的性能。仿真结果表明，在多用户情况下，随着帧数的增加，TH-UWB系统的性能将变差。此外，对系统分别采用S-Rake和P-Rake接收机时的性能进行了比较，仿真结果表明，采用S-Rake接收机时的系统性能要优于P-Rake接收机。

［1］Chen R Jr，Po-Lin Chiu，Hua-Lung Yang.Design and Performance Analysis of DS-UWB Rake Receiver［C］.IEEE ICC，2006:4715-4718.

［2］Gwang-Hyun Gho，Andrews J.G..Improved Bit-Error Analysis for Time Hopping Spread Spectrum Impulse Radio Systems［C］.ICC 2006:4763-4767.

［3］Ramirez-Mireles F.Quantifying the Degradation of Combined MUI and Multipath Effects in Impulse-Radio UWB［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2007:6（8）:2831-2836.

［4］Maria-Gabriella，Di Bendetto，Guerino Giancola.超宽带无线电基础［M］.葛利嘉，朱林，袁晓芳，等译.北京:电子工业出版社，2005:131-137.

［5］Porcino D，Hirt W.Ultra-wideband Radio Technology:Potential and Challenges Ahead［J］.IEEE Commun.Mag，2003，41（7）:66-74.

［6］Aiello G.R，Rogerson G.D.Ultra-wideband Wireless Systems［J］.IEEE Microwave Mag，2003，4（2）:36-47.

［7］杨银霞，颜彪，胡倩.TH-PPM与TH-PAM超宽带系统的性能分析和比较［J］.扬州大学学报（自然科学版），2009，12（3）:39-42.

［8］张中兆，沙学军.超宽带无线电技术［M］.北京:电子工业出版社，2005:3-5.