超宽带冲激无线电相关接收器的仿真比较

超宽带冲激无线电相关接收器的仿真比较 第 24 卷 第 06 期 2007年 06月 计算机仿真 ( ) 文章编号 : 1006 - 9348 2007 06 - 0109 - 04 超宽带冲激无线电相关接收器的仿真比较 叶凌峡 ,葛利嘉 ,曾孝平 () 重庆大学通信学院 ,重庆 400044 摘要 :超宽带相关接收器的是超宽带冲激无线电接收机实现信号接收的关键之一 ,针对使用二阶高斯脉冲的超宽带冲 激无线电相关接收器的特点 ,建立了相应的仿真模型 ,在 Sim u link平台下实现了对超宽带冲激无线电相关接收器的模拟 ,采 ) (用了 T - R 发送 - 参考 自相关和互相关三种相关接收机 ,分别通过高斯噪声信道和多径信道进行相关仿真 ,对比了 各种相关接收器的脉冲检测效果 ,验证了相关检测技术从噪声环境中提取超宽带信号的能力 ,为超宽带相关接收机系统的 优化设计提供了参考。 关键词 : 冲激无线电 ;超宽带信道模型 ;二阶高斯单脉冲 ;相关接收器 ;发送 - 参考自相关接收机 中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 : A S im u la t ion C om pa r ison of Im pu lse Ra d io C orre la t ion Rece iver YE L ing - xia, GE L i - jia, ZEN G X iao - p ing ( )In stitu te of Comm un ica tion Enginee ring, Chongq ing U n ive rsity, Chongq ing 400044 , Ch ina () A BSTRAC T: D e sign of UWB U ltra W ide B andco rre la to r is one of the keys fo r UWB imp u lse rad io rece iving the UWB signa l. In th is p ap e r, the sim u la tion mode ls a re con struc ted acco rd ing to the cha rac te ristic s of imp u lse rad io co rre la to r u sing Gau ssian second de riva tive p u lse, and the imp u lse rad io co rre la to rs a re imp lem en ted in the Sim u link too l. Th ree co rre la tion rece ive r schem e s of T - R au toco rre la tion rece ive r and co rre la tion rece ive r a re p re sen ted and sim u la ted th rough Gau ssian no ise channe l and m u ltip a th channe l, and the effec t of the p u lse de tec tion is showed by con tra sting eve ry co rre la to r. The ab ility of the co rre la tion techno logy to p ick - up the UWB signa l from the no ise environm en t is va lida ted. It p rovide s the refe rence fo r the op tim ized de sign of UWB co rre la tion rece ive r. KEYW O RD S: Imp u lse rad io; UWB channe l mode l; Gau ssian second de riva tive p u lse; Co rre la to r; T - R au toco rre la tion rece ive r 1 引言2 冲激无线电系统仿真模块设计 超宽带通信系统目前分为两大类 ,一是采用单频带的冲本文在进行仿真设计时采用模块化的方式进行处理 ,将 激无线电系统 ,二是采用多频带的 MB - UWB 系统 , 其中冲 整个冲激无线电通信系统划分为五大模块 ,其模型框图如图 激无线电采用的是完整频带进行传输 ,使用非常窄的冲激脉 1所示 。 2. 1 超宽带信号模块设计及调制冲信号携带信息 。在超宽带无线通信系统中常用的接收机包 根据 FCC对超宽带信号的频谱 ,冲激脉冲波形的选 括门限检测器 、互相关或 RA KE 接收机和自相关接收机等 , 择极其重要 ,它决定了系统性能的优劣 , 通常采用基于高斯 由于冲激脉冲的特殊性 ,对应相关接收器的设计远比传统窄 函数的单周期脉冲 ,天线接收端接收到的信号是二次高斯脉 带和宽带通信系统采用的相关器复杂 。本文通过对超宽带相 冲 ,可以用下面公式来描述 : 关接收机的多种相关接收器设计方案进行仿真比较 ,为设计 t - T t - T 权衡性能和复杂度的最佳相关器实现结构提供了参考 。cc2 π ( ) π ( ) ( ) R t= A [ 1 - 4] exp [ - 2]TTau au 其中 : A 是幅值 , T是偏移量 , T是脉冲的半高宽度变量 。 c au ( UWB 的调制方式有多种 , 常用的有脉位调制 Pu lse 收稿日期 : 2006 - 05 - 24 修回日期 : 2006 - 05 - 30 ) ( Po sition M odu la tion, PPM , 脉 幅 调 制 Pu lse Amp litude 图 2 T - R自相关接收系统 2. 3. 2 互相关模块 图 1 系统模型框图互相关接收机可以采用模拟式和混合式方式进行相关 处理 ,其中模拟方式选用与接收信号一致的二阶高斯脉冲信 M odula tion, PAM ) , 开关键控 ( On - Off Key, OOK) , 二相移键号作为模板信号 , 而混合方式可采用数字方波作为模板信 () ( 控 B i - Pha se Sh ift Key, B PSK以及脉形调制 Pu lse Shap e号 ,系统结构框图如图 3。 ) M odu la tion, PSM 等 。 2. 2 超宽带信道模块设计 超宽带信道传播的主要特点是 :由于发射机和接收机之 间存在多条传播路径 ,发射信号传播之后会产生多个经过时 延和衰落的信号 。根据冲激无线电应用实际 , 需要考虑到脉 冲在反射或穿透障碍物时其性状的变化 。脉冲的性状应与传 播路径有关 ,不同的传播路径有不同的冲激响应 。因此 ,接收 信号可表示为 : ( )N t 图 3 UW B信号相关仿真框图( τ) ( )( ) r t= apt - + n t n n n ?n = 1 ( ) ( ) 这里 , 一个特定的脉冲波形 pt与路径 n 对应 , at和 n n 3 仿真结果及分析 τ( ) ( )t分别为第 n条路径时刻 t的信道增益和信道时延 , N t 采用 Sim u link 交互式仿真集成环境 , 在 Sim u link 仿真n ( ) 中 ,框图中的每个模块在每个时间步长上执行一次 , 所有的 是时刻 t观测到的路径数 , n t是接收机处的加性噪声 。 IEEE模型的信道冲激响应可以表示为 :模块在每个时间步长上同时执行 ,这种仿真被称为时间流仿 ( )N K n 真 ;而在 m a tlab仿真中 ,函数按照数据流的顺序依次执行 ,这 δ( τ)( ) h t= X at -T- nk n nk ??种仿真被称为数据流仿真 。使用 Sim u link用户界面 , 用户可 n = 0 k = 0 其中 X是对数正态随机变量 , 代表信道的幅度增益 ; N 是观测以通过调整触发脉冲信号的相位来调整通信系统的预计时 ( ) 到的簇的数目 , K n 是第 n簇内接收到的多径数目 , a是第 nk 间延迟 ,对通信系统进行设计和仿真时 , 时间延迟是一个非 τn簇中第 k条路径的系数 , T是第 n簇到达时间 ,是第 n簇 n nk 常重要的参数 ,从同步的角度来看 , 时间流仿真比数据流仿 中第 k条路径的时延 。 真更有优势 。设计中 ,利用 Sim u link特有的 S - 函数来构建仿 2. 3 超宽带相关接收模块设计真模块 ,能够很好的对专有算法进行仿真 。 在本次相关器在进行 UWB 相关接收设计时 , 设计合适的相关器对接 仿真设计中 ,采用的脉冲成形因子 T为 au 收机的实现至关重要 。根据超宽带信号要求和各种相关器的 2 n s,超宽带信道采用 IEEE室内 0 , 4m的 UWB 信道模型参 特点 ,冲激无线电的相关器设计通常采用模拟式相关器或混 () 数 详细数据可参见文献 [ 1 ] 。 合式相关器 。模拟式相关器是指接收信号和相关模板信号都 3. 1 理想状态下相关接收器对比是模拟量 ;混合式相关器的特点是接收信号为模拟量 , 而将 针对采用不同模板的相关效果 ,本文单独做了一项仿真 模板信号量化为了数字量 。 对比 ,对模拟式相关器和混合式相关器的信号检测能力进行 2. 3. 1 自相关模块考察 。 自相关接收机的一种典型应用是基于超宽带信号的发 在仿真测试中 , 选取六个不同延时的脉冲信号进行仿 ( ) 送 - 参考 T - R 接收机 ,它的基本思想是发射机在时刻 t发 真 ,用于相关器在同步与非同步情况下的模拟 。相关器仿真 送一个引导脉冲 ,然后在 t + D 时刻发送第二个脉冲 ,该脉冲 对比结果如图 4和图 5所示 。 与引导脉冲完全一样 , 调制信息被映射到第二个脉冲上 。在 ( ) 由图 5 a所示 ,模拟式相关器相关模板采用与接收信 接收端 ,通过判决延迟 D 时刻获得的接收脉冲信号的自相关号一致的二阶高斯脉冲在时刻 6 处对接收信号进行相关检 值提取数据信息 , T - R 自相关接收系统的结构图如图 2 所( ) 测 ,图 5 b为模拟式相关器相关积分结果 ,由图可见完全匹 图 6 发射信号及通过高斯信道后的波形 图 4 不同延时的 6 个二阶高斯脉冲 图 7 三种相关器相关结果波形 图 5 相关器模板信号位置及仿真结果 ( ) 相关器相关结果波形 , c图为混合式互相关器相关结果波( ) ( ) 5 c、d所示为混合式相关器的仿真结果 , 其相关模板采 形 。用矩形脉冲在时刻 6处对接收信号进行相关检测 ,相关积分 从仿真结果可见 ,自相关和互相关都能够有效的将信号 结果显示出完全匹配的脉冲获得最高峰值 ,附近的脉冲也会 从噪声中提取出来 ,在不考虑同步的情况下 , 互相关的效果 产生小的峰值 。 更好一些 。不过从实际情况来讲 ,自相关要更容易实现一些 。 由仿真结果可知 , 只要选择好检测门限 , 模拟式相关器 对于模拟式相关器和混合式相关器而言 ,虽然混合式相关器 效果要差一些 ,引入了较多的噪声信号 ,但只要设定好门限 , 和混合式相关器都可以得到可靠的结果 。 同样能够达到接收要求 。 3. 2 冲激无线电接收机系统仿真 3. 2. 2 在多径信道中的模拟仿真 本文对信号经过多径信本文主要研究的是相关接收器的设计 ,所以在仿真设计 道传输情况的模型也进行对比 , 时 ,简化了信号调制 ,重点体现相关检测的效果 。 仿真结果如下 :3. 2. 1 在噪声信道中自相关和互相关的模拟仿真 自相关 ( 在经过同一多径信道情况下 IEEE室内 0 , 4m的 UWB 接收机将接收信号和前一时刻的信号做相关 ,在 ) 信道模型 ,设定系统已经同步 ,得到的三组系统仿真波形如 慢衰落信道中 ,不用进行信道估计 , 就能捕获到全部的信号 图 8和图 9所示 。 能量 。但这种接收机以带噪的信号作为参考信号 , 接收机的 性能会随着信号质量的恶化而恶化 。另外自相关系统要求需 要使用具有良好自相关性的函数或序列来进行工作 ,而且需 要设定适当的延时 ,才能起到克服干扰的作用 。而互相关接 收机采用的模板信号没有被干扰 , 但对同步问题的要求更 多 。 在受到同等加性高斯噪声干扰的情况下 ,设定系统已经 同步 ,得到的自相关和互相系统的仿真波形分别如图 6 和图 图 8 发射信号及通过多径信道后的波形 7所示 。 图 7 显示了自相关和互相关三种相关接收器的仿真结 ( ) 图 9显示了三种相关器对多径信号的接收效果 ,图 9 a( ) ( ) 果 ,其中 a图为自相关器相关结果波形 , b图为模拟式互 信的特点和实际情况 ,有利于在未来工作中对 UWB 系统的 设计实现 。根据仿真结果 , 可以确定相关检测技术能够非常 有效的从噪声环境中提取出有用信号 ,但对多径信道的影响 改善作用不大 ,需要辅助其他的方法 。本文对三种相关接收 器方案的仿真比较 ,为超宽带接收机系统的设计实现提供了 极好的参考 ,有利于对相关接收机结构进行优化组合 。 参考文献 : M a ria - Gab rie lla D i B enede tto, Gue rino Gianco la 著 , 葛利嘉 ,[ 1 ] 等译. 超宽带无线电基础 [M ]. 北京 : 电子工业出版社 , 2005 - 5. 高晋占. 微弱信号检测 [M ]. 北京 : 清华大学出版社 , 2004 - [ 2 ] 11. 李立华 , 王勇 , 张平. 移动通信中的先进信号处理技术 [M ]. [ 3 ] 图 9 三种相关器对多径信号的接收效果北京 :北京邮电大学出版社 , 2005 - 5. T Zhang, T D A bhayap a la, R A Kennedy. Pe rfo rm ance of u ltra - [ 4 ] () ;是自相关接收的结果 自相关模板受到了延时设备的影响 w ideband co rre la to r rece ive r u sing Gau ssian monocyc le s[ C ]. ( ) ( ) 图 9 b、c是互相关器仿真效果图 , 分别是采用二阶高斯 Comm un ica tion s, 2003. ICC ’03. IEEE In te rna tiona l 脉冲和矩形脉冲对原始信号的第二个脉冲信号进行相关检 ( ) Confe rence on M ay 2003 , 3 11 - 15 : 2192 ? 2196. 测 。 [ 5 ] Moe Z W in, Robe rt A Scho ltz. Imp u lse R ad io: How It W o rk [ J ]. 从仿真结果可见 , 自相关由于受到延时器的影响 , 对多 ( ) IEEE Comm un ica tion s L e tte rs, Feb. 1998 , 2 2 : 36 - 38. 径信号接收的效果较差 , 模拟式相关器的表现较好 , 混合式 P H eyda ri. A study of low - powe r u ltra w ideband rad io [ 6 ] 也能达到一定的要求 , 但总的说来 , 相关检测并不能解决多 tran sce ive r a rch itec tu re s[ J ]. W ire le ss Comm un ica tion s and ( ) 径信道对信号产生影响的问题 。 N e two rk ing Confe rence, 2005 IEEE M a rch 2005 , 2 13 - 17 : 758 ? 763 , D igita l O b jec t Iden tifie r 10. 1109 /W CNC. 2005. 3. 3 仿真结果扩展分析 1424603. 根据仿真结果 ,可以系统直观的了解到相关检测技术在 郑智琴. Sim u link电子通信仿真与应用 [M ]. 北京 : 国防工业 [ 7 ] 冲激无线电中的应用效果 ,为今后的工程设计选型提供了参 出版社 , 2002 - 8. 考 ,从而可以选用不同的相关检测方案来满足设计的要求 。 孙屹. Sim u link通信仿真开发手册 [M ]. 北京 : 国防工业出版 [ 8 ] 社 , 2004 - 10. 为了更加合理的设计冲激无线电相关接收机 ,可以组合使用 各类相关接收器 ,对于需要完整的信号信息的通道 , 采用模 拟式相关器 ;而对信号质量要求不高的通道 , 采用混合式相 [作者简介 ]关器 ,将会有效降低冲激无线电相关接收机的复杂度 。 ( ) () 1975 - , , 男 汉族 湖北武汉人 , 重庆 叶凌峡 大学硕士研究生 ,主要研究方向为超宽带无线通 4 结论 信。( ) () 1957 - , 男 汉族 , 四川大邑人 , 重庆 针对一般的超宽带系统的研究芳是基于 m a tlab 数据流葛利嘉 通信学院教授 ,重庆大学兼职教授 , 硕士生导师 , 仿真 ,本文采用基于 Sim u link时间流的方式进行设计 , 更加 主要研究方向为超宽带无线通信、智能天线和多 直观的展现了相关检测技术对信号接收的特点 ,有助于更好 的理解相关接收的原理 。 载波调制技术。( ) () 1956 - ,男 汉族 ,四川广安人 ,重庆大学教授 , 博士生导 曾孝平 本文的仿真设计依据冲激无线电系统的特殊工作环境 , 师 ,主要研究方向为通信与测控中的同步技术、CDMA 技术、软件无 在 Sim u link中搭建了使用相关接收方式的系统模型 ,对比了 线电。 自相关和互相关接收机的工作效果 , 针对多径环境采用了 IEEE认可的 UWB信道模型 ,使系统的仿真更加符合 UWB通