多脈沖組合調(diào)制超寬帶通信性能研究

0 引 言
??? 超寬帶技術(shù)的主要特點是它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)比較簡單，設(shè)備集成更為簡化；高速的數(shù)據(jù)傳輸，UWB以非常寬的頻率來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，在10 m范圍內(nèi)的傳輸速率可達到500 Mb／s，是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。
??? UWB的調(diào)制及多址方式是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)制方案的選擇影響信號功率譜密度的結(jié)構(gòu)，如傳統(tǒng)調(diào)制方式：TH－PPM，TH-BPSK，DS-BPSK等，本文在文獻[2]研究多脈沖位置調(diào)制的基礎(chǔ)上，加入脈沖信號的極性調(diào)制，利用擴展等重碼(ECWC)構(gòu)建了一種稱為雙極性多脈沖位置調(diào)制(MPPPM)的UWB跳時調(diào)制方案，并對其信號構(gòu)建、調(diào)制做了設(shè)計，對其通信性能進行了分析與比較。

1 MPPPM信號模型
1．1 信號形式
??? MPPPM是一種多脈沖組合調(diào)制，它是普通單脈沖PPM和多脈沖PPM的推廣，允許每符號間隔有多個脈沖，它應(yīng)用符號時隙幀中多個脈沖的位置和極性的不同組合傳遞信息，每個脈沖可以改變它的時隙位置和極性。
??? L維的MPPPM超寬帶跳時信號能被描述成多個脈沖放入到L個時隙中，在一個符號時間內(nèi)的間隔是Ts=Nb×L×Tm，此時Nh是一個信號符號的每比特重復(fù)次數(shù)，Tm為脈沖響應(yīng)的時間間隔。明顯地，把ω(l<ω??? 調(diào)制方式是將三進制的n元組v=(v1，v2，…，vn)，映射為由n個時隙組成的碼片時間Tc上同時出現(xiàn)的w個不同極性的脈沖信號，如圖1所示。其中Ts為符號時間；Tc為碼片時間；Tm為沖激脈沖持續(xù)時間。

??? 調(diào)制信號采用了二次重復(fù)編碼，分別表示(-1 0+1 0)和(0-1-1 0)兩個碼字。

1．2 信號通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 圖2給出在結(jié)合多進制PPM和BPSK的TH-WUB中，UWB信號的發(fā)射方案。

??? 結(jié)合該模型，MPPPM跳時UWB信號的生成接收過程如下：給定待發(fā)送的L(假定L=2wCwn)進制序列B=(…，B0，B1…，Bi…)，其速率為RB=1／TB。圖2中的重復(fù)編碼器模塊使每一位重復(fù)Ns次，產(chǎn)生1個新的L進制序列B=(…，a0，a1，…，ai,…)，新的波特速率Ra=Ns／TB=1／Ts。這一過程屬于信道編碼，引入冗余有助于降低接收端的誤碼率。新序列a進入第2個模塊ECWC編碼器，序列a被映射為ECWC編碼，生成ECWC序列b=(…，b0，b1，…，bi，…)，其中，bi為擴展等重碼C(n，d，w)的相應(yīng)碼字。映射信號b通過發(fā)送編碼器，應(yīng)用跳時碼序列c=(…，C0，C1，…，Cj，…)產(chǎn)生1個新序列d，序列d的一般元素可表示為：

???
式中：bjk為第J個擴展等重碼碼字中的第k個元素；cj為序列c中的第j個元素，c通常為偽隨機序列，是分配給用戶的跳時碼。上述過程實現(xiàn)了碼分多址編碼，并對發(fā)射信號的頻譜產(chǎn)生影響。序列d進入的第4個模塊是MPPPM調(diào)制模塊，該模塊產(chǎn)生單位脈沖序列，并且這些脈沖被調(diào)制到時間軸上的位置為jTs+djk(0≤k≤n-1)。其中，Ts為符號時間。信道前的最后1個模塊是沖激響應(yīng)為P(t)的脈沖形成濾波器，保證輸出序列沒有重疊。系統(tǒng)在信道前的發(fā)送信號為：

???

2 MPPPM的信號數(shù)據(jù)速率和AWGN信道下的誤碼率
2.1 理想信道下的信號數(shù)據(jù)速率
??? MPPPM的特性可以表示成在N個時隙下W個脈沖向量，向量的值為＋1或者－1，其余的N－W個時隙中為0。這向量可以表示的個數(shù)為：?
???
??? 因此，每一個時隙中代表的數(shù)據(jù)速率為：

???
??? 從文獻[4]中可以得到在最大數(shù)據(jù)速率情況下的N和W的關(guān)系為：

????

2. 2 AWGN信道下MPPPM的誤碼率
??? 為了簡化分析，假設(shè)系統(tǒng)在同一時刻只有一個用戶，高斯白噪聲信道是一的信號干擾。假設(shè)Tc/n≥Tm，這樣能夠避免相鄰脈沖之間的重疊，使各個脈沖之間滿足信號的正交性，基于上述假設(shè)來研究MPPPM信號的誤碼率。
??? 假設(shè)hq(1≤q≤n)表示第q位基本信號矢量，表達式為[0,0,…，1，…0］，其中1在該矢量的第q維，假設(shè)發(fā)送信號為Sl,接收機根據(jù)信號之間的最小歐幾里得距離進行判決；

???
??? 假設(shè)脈沖重復(fù)次數(shù)1，得到解調(diào)信號為：

???
??? 根據(jù)文獻[8,9]的方法，推導(dǎo)出MPPPM的誤碼率為：

???
??? 由于式(9)的誤碼率表達式很復(fù)雜，所以下面推導(dǎo)該誤碼率的上限表達式。兩個信號歐幾里得距離最短的情況是導(dǎo)致了誤碼率產(chǎn)生的主要因素，當(dāng)信噪比很高的情況下，誤碼率的表達式可以表示如下：

???
??? 這里dmin是任意一對調(diào)制信號的最小歐幾里得距離，能夠表示為：

????

?在理想狀態(tài)下，所有的向量個數(shù)2wCwn都能被使用，但是由于最小漢明距離與更低誤碼率的關(guān)系，最小漢明距離越大，信號的誤碼率越低，只能選取其中一些有較大漢明距離的向量來使用。在這種情況下，這里MPPPM的最小歐幾里得距離表示成：

???
??? 式中；n，w分別為構(gòu)建L進制MPPPM所選用的擴展等重碼的參數(shù)；n為發(fā)射接收信號矢量的維度；w為所使用的脈沖數(shù)。

3 數(shù)值比較結(jié)果
??? L—ary—SPPM，MPPPM的誤碼率隨信噪比的變化曲線如圖3所示，仿真參數(shù)設(shè)定為L=[2，4，8]，n=[2，2，3]，w=2。由圖可知，L進制SPPM和L進制MPPPM的性能有所提高。另外，L進制MPPPM的誤碼率比相應(yīng)的L進制PPM低，只有2一PPlc’M的性能比8一SPPM的性能差些。

4 結(jié) 語
??? 本文利用擴展等重碼構(gòu)建了一種稱為雙極性多脈沖位置調(diào)制(MPPPM)的UWB跳時調(diào)制方案，對其通信性能進行了分析與比較。結(jié)果表明，在一定的條件下，MPPPM調(diào)制技術(shù)能以較高的數(shù)據(jù)速率和較低的誤碼率得到比多脈沖位置調(diào)制和單脈沖多位置調(diào)制更好的性能。