PAM和PPM 在多天线超宽带通信系统中的应用

吴南南，窦 峥，陈丽丽

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

超宽带具有传输速率高、功耗低、空间容量大、成本低等特点，近年来在通信行业受到了广泛的关注.多天线技术可以利用多发多收天线来充分的利用空间资源，在不需要增加频谱带宽和发射天线的发射功率的条件下，成倍提高信道容量［1］.此外对于衰落信道，多天线可以采用分集技术为接收机提供信息符号的多个独立衰落副本，提高了无线链路的可靠性.因此多天线与UWB 的结合成为学者们研究的热点.

关于多天线UWB 系统的研究主要集中在空时编码［2－3］、信道模型［4］等研究.然而不同的调制方式对系统的信息传输速率、系统增益、误码率等方面都会产生影响.为了尽可能的提高系统性能，选择一种合适的调制方法也是至关重要.文献［5－6］对不同调制方法的多入多出超宽带通信系统进行了研究，但都是在基于采用空时编码的方法基础上进行研究，本文构建了多天线UWB 通信系统仿真模型，在此系统上研究了脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)两种调制对系统性能的影响，并针对PAM 比较跳时(TH)和直扩(DS)两种情况系统性能差别.

1 基于多天线超宽带通信系统模型

单用户，用户具有2个发射天线、2个接收天线，发射端用分集发射，接收端用等增益合并的方法，多天线UWB 系统结构框图如图1所示.

图1 多天线UWB 系统结构框图

1.1 信道模型

多天线系统在每个收发天线之间形成一个子信道，在发射端用2个发射天线，接收端用2个天线接收，则在收发之间形成了的信道矩阵图［7］，在某一时刻，信道矩阵为:

其中:hij表示从发射天线j 到接收天线的传输函数.UWB 无线通信的AWGN 信道增益:

其中:r为功率衰减指数，在自由空间中，r=2;在通常的非视线传播中，r ＞2;在存在视线的短距离多径信道，r 可能小于2，在本文的仿真中假设r=2.c0是参考距离D0=1m 时获得参考增益的一个常数［8］.

1.2 发射、接收方案

多天线UWB 系统发射端用分集发射，天线1和天线2 发射的信号均为s(t)，信号的功率平均分配到每个天线上［9］.

在接收端的接收机由相关器和检测器组成，并采用等增益合并的方法，系统的接收机结构如图2所示.

图2 多天线UWB 系统接收机

其中:r1(t)为从天线1 接收到的信号，r2(t)为天线2 接收到的信号，

其中:n1(t)与n2(t)分别是天线1和天线2 接收到的噪声，是均值为0，方差为N0/2 的高斯随机变量.m(t－τ)是相关掩模，采用不同的调制方式相关掩模也不同，当采用TH－PPM 时，m(t－τ)=p(t－τ－cjTc)－p(t－τ－cjTc－ε)，当采用TH－PAM 时，m(t－τ)=cjp(t－τ－cjTc)，当采用DS－PAM 时，m(t－τ)=cjp(t－τ)其中各个符号的意义同式(4)中相同.

从天线接收到的信号经过相关器，完成等增益合并后，经过检测判决得到发射的二进制序列.

2 多天线UWB 系统中采用的调制方法基本原理

从携带的信息来看，UWB 的调制方式可以是数据信息调制和多址技术的结合.基本的数据信息调制方式有:脉冲位置调制(PPM)、脉冲幅度调制(PAM)、开关键控(OOK)、二进制相位调制(BPSK)、多维双正交键控(MBOK)、数字脉冲间隔调制(DPIM)以及以上调制方式的组合.多址技术有:跳时(TH)、直扩(DS)等.常用的结合方式有TH－PPM、TH－PAM、DS－PAM［7］.下面详细的介绍下这三种调制方法的原理.

2.1 TH－PPM 调制

UWB 信号是由周期为纳秒级别的窄脉冲形成的.TH－PPM 是传统的UWB 调制方式.PPM 是通过脉冲的相对时移来表示发射的数据比特值.在二进制脉冲位置调制中，脉冲位置相对于原来的参考位置没有平移表示发射的比特为0，脉冲位置相对于原来的参考位置延迟一段时间间隔代表发射比特1.TH 是将每个帧周期分为多个部分，每个部分为一个码片周期，再通过伪随机码来控制发射脉冲的码片周期.

用Ts表示脉冲重复周期，Tc是码片时间，ε 是调制数据比特所对应的脉冲时移，cj是伪随机码，aj是发射的比特值，p(t)为脉冲波形函数，是最大发射比特数.则TH－PPM 信号模型为:

假设发射的二进制序列b=0，1，采用重复编码数Ns=5，跳时编码为(2 2 2 0 1)时的UWB 信号波形图如图3所示.

图3 TH－PPM 已调UWB 信号波形

2.2 TH－PAM 调制

脉冲幅度调制(PAM)是一种把信息调制在脉冲幅度上的方式.二进制反极性PAM 是指当发射比特为1 时发射正向脉冲，当发射比特0 时发射反向脉冲.TH－PAM 调制是通过TH 的伪随机码来控制发射脉冲的码片周期，发射的数字序列来决定脉冲的极性.则TH－PAM 信号模型为:

其中:p(t)、M、Ts、aj、cj、Tc所表示的意义同上.

假设发射的二进制序列b=0，1，当重复编码数Ns=5，跳时编码为(2 0 2 2 2)时采用TH－PAM调制的UWB 信号波形图如图4所示.

图4 TH－PAM 已调UWB 信号波形

2.3 DS－PAM

直扩是用信源码与伪随机码进行模2 加来产生一个新码.DS－PAM 是将信源输出的信号与伪随机码进行模2 加得到的码来控制发射脉冲的幅度.则DS－PAM 信号模型为:

其中:p(t)、M、Ts所表示的意义同式上，dj是发射比特与DS 码进行模2 加的结果.

如发射的二进制码b=0，1，当重复编码数为Ns=5，DS 码为(1 1－1 1 1)时的DS－PAM 调制的UWB 信号波形如图5所示.

图5 DS－PAM 已调UWB 波形

3 不同调制方式在多天线UWB 系统中仿真结果及比较

仿真信道是具有2个发射天线，2个接收天线的理想AWGN 信道，采用的脉冲波形是高斯函数的二阶导数:

其中:α 是脉冲形成因子，α=0.25 ns，采用的跳时码和直接序列扩频码码长均为5，发射机功率为－30 dBm，发射端发送的信息比特数为1 000，重复发射100次.以误码率作为系统性能的衡量指标.

采用TH－PPM 与DS－PAM 时多天线UWB系统的仿真误码率曲线如图6所示.

从图6 中的系统误码率仿真曲线可以看出在相同信噪比时，均使用TH 方式时，采用PAM 时系统误码率性能要优于采用PPM 下误码率性能，在误码率为10－4的情况下，采用PAM 时的系统较PPM 时的系统所需信噪比低近6 dB.是由于在采用PPM 时，在接收端用相关解调时使用的接收掩模是代表0 的脉冲与代表1 的脉冲的差，当从天线接收到的信号与掩模相乘时相当于引入了2 次噪声;而采用PAM 时，接收掩模是单个脉冲，相当引入1 次噪声，故采用PAM 的系统性能要优于采用PPM 的系统.

图6 TH－PPM 与TH－PAM 调制方法在多天线UWB 系统中误码率仿真比较

仿真环境不变，当均采用PAM 调制时，分别采用TH和DS 技术时多天线UWB 系统的仿真误码率曲线如图7所示.

图7 TH－PAM 与DS－PAM 调制方法在多天线UWB 系统中误码率仿真比较

从图7 中可以看出在AWGN 信道的多天线超宽带通信系统中，当均用PAM，在误码率为5 dB时，采用DS 的系统误码率要比采用TH 的低，但是差别并不大.由于DS 的通信隐蔽性好，且易实现数字加密，故在保密性能要求高的系统可以采用DS－PAM 方法，而TH 易于实现码分多址，频谱利用率高，故在保密性能要求不高的系统可以采用TH－PAM.

4 结语

本文在超宽带的基础上建立了多天线UWB系统仿真模型，并研究了不同种调制方式对系统性能的影响.仿真结果表明，在相同条件下，采用PAM 时系统性能要优于采用PPM，在误码率为时，应用PAM 的系统信噪比较应用PPM 时有近6 dB的提高.当均采用PAM 条件下，采用TH 技术和采用DS 技术时系统的误码率性能相近.在保密性要求高的系统中采用DS 技术，在相对保密性不高的系统中采用TH 技术.

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