基于自相關(guān)特性的chirp-bok-bpsk調(diào)制方法

基于自相關(guān)特性的chirp-bok-bpsk調(diào)制方法

超寬帶uwb（超級widebad）是近年來發(fā)展迅速的一項(xiàng)無線通信技術(shù)。這是目前的熱點(diǎn)研究技術(shù)之一。uwb具有高速率、降低成本、易讀性強(qiáng)、透射性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。uwb具有廣闊的應(yīng)用前景，如短距無線寬帶的訪問、無線網(wǎng)絡(luò)的無線（wsb）、usb（wsb）、室內(nèi)圖像的精確校正。uwb主要有兩種物理層技術(shù)方案。其中之一是針對impiel廣播電視臺實(shí)體層的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)格建議。另一種是針對實(shí)體層的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)格建議的多個副本。除以上2種技術(shù)方案,線性調(diào)頻(Chirp)脈沖因其高處理增益、低功耗、抗多徑干擾、抗多普勒頻移等優(yōu)點(diǎn),已得到廣泛研究.2005年3月IEEE802.15.4a工作組初步統(tǒng)一了技術(shù)方案,定義的2種物理層技術(shù)中包括CSS(Chirpspreadspectrum)技術(shù).隨著現(xiàn)代模擬信號處理技術(shù)的發(fā)展,聲表面波(surfaceacousticwave)器件已經(jīng)可以產(chǎn)生和檢測中心頻率為5.6G,部分帶寬為50%的Chirp信號.因此,將Chirp信號應(yīng)用于UWB高速數(shù)據(jù)傳輸成為可能.通過增加Chirp脈沖的帶寬B和減小時間寬度Ts,Chirp信號同樣可以應(yīng)用于超寬帶高速傳輸系統(tǒng).本文結(jié)合Chirp-BOK和BPSK提出了Chirp-BOK-BPSK調(diào)制.這類似于將正交信號擴(kuò)展為雙正交信號,即將原來的Up-Chirp,Down-Chirp分別取反,得到4種信號+Up-Chirp,+Down-Chirp,-Up-Chirp,-Down-Chirp,使一個Chirp脈沖傳輸2個bit,系統(tǒng)速率得以提高.且該調(diào)制可通過控制SAW器件與乘法器實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)簡單,對于UWB的廣泛應(yīng)用具有實(shí)際意義.1/2#t#ts/21式利用Chirp信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕舅枷刖褪前褦?shù)據(jù)信息調(diào)制到Chirp信號的各參數(shù)上,主要參數(shù)包括線性調(diào)頻斜率、相位的正反極性、幅度的包絡(luò)等.Chirp信號的表達(dá)式為s(t)=a(t)cos(2πf0t+πμt2),-Τs/2<t<Τs/2(1)s(t)=a(t)cos(2πf0t+πμt2),?Ts/2<t<Ts/2(1)式中,a(t)為Chirp信號的包絡(luò),常用矩形脈沖,當(dāng)|t|<Ts/2時,a(t)=1;否則,a(t)=0.Ts為Chirp脈沖寬度,f0為中心頻率.B=|μ|Ts為Chirp信號帶寬.μ為線性調(diào)頻斜率,μ>0稱為正向調(diào)頻脈沖(Up-Chirp);μ<0為反向調(diào)頻脈沖(Down-Chirp).Up-Chirp信號和Down-Chirp信號具有良好的自相關(guān)特性.其相關(guān)函數(shù)為Sinc函數(shù)形式,表達(dá)式為?ss(t)=√BΤs?sin[πBt(1-|t|/Τs)]πBt?cos(2πf0t),-Τs<t<Τs(2)?ss(t)=BTs????√?sin[πBt(1?|t|/Ts)]πBt?cos(2πf0t),?Ts<t<Ts(2)在t=0時刻,?ss(t)的包絡(luò)取最大幅度值√BΤsBTs????√,遠(yuǎn)大于此時的Up-Chirp與Down-Chirp的互相關(guān)函數(shù)值;當(dāng)t≈±1/B時,?ss(t)包絡(luò)值為0.圖1為Up-Chirp信號和Down-Chirp信號的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù).2an發(fā)送符號描述本文在Chirp-BOK系統(tǒng)中引入調(diào)相,提出了基于Chirp-BOK-BPSK的調(diào)制單頻帶UWB無線通信系統(tǒng),如圖2和3所示.在Chirp-BOK-BPSK調(diào)制信號中,發(fā)送的第n個符號an由2個信息比特表示,即an={b2n+1,b2n+2},其中b2n+1,b2n+2∈{-1,1}.這樣,an共有4個可能的發(fā)送符號,即an∈{11,1-1,-11,-1-1}.其中b2n+2表示發(fā)送符號調(diào)頻斜率,b2n+1表示發(fā)送符號的正反相位,文中僅考慮單用戶情況,這樣,發(fā)送的符號可表示為s(t)=∞∑n=0b2n+1a(t)cos[2π(f0+b2n+2μ2t)t],(n-12)Τs<t<(n+12)Τs(3)s(t)=∑n=0∞b2n+1a(t)cos[2π(f0+b2n+2μ2t)t],(n?12)Ts<t<(n+12)Ts(3)式中,a(t)為Chirp的包絡(luò),通常取矩形包絡(luò)a(t)=1,-Ts<t<Ts;否則,取a(t)=1.由式(3)可知,Chirp-BOK-BPSK信號的瞬時頻率與相位和時間的關(guān)系可由圖4中的(a)和(b)直觀表示.3充填濾波器t的信號特性下面推導(dǎo)Chirp-BOK-BPSK調(diào)制在AWGN信道下的誤碼率.首先推導(dǎo)系統(tǒng)的誤符號率PM,然后由下式求系統(tǒng)誤碼率PeΡe=2k-12k-1ΡΜ,k=lbΜ=2(4)Pe=2k?12k?1PM,k=lbM=2(4)令s1(t)=cos(2πf0t+πμt2),0<t<Τs(5)s3(t)=cos(2πf0t-πμt2),0<t<Τs(6)s1(t)=cos(2πf0t+πμt2),0<t<Ts(5)s3(t)=cos(2πf0t?πμt2),0<t<Ts(6)則發(fā)送端的4種波形可以表示為s1(t),s2(t)=-s1(t),s3(t)和s4(t)=-s3(t).經(jīng)AWGN信道后,接收端匹配濾波器輸入信號可表示為r(t)=sm(t-τ)+n(t),m=1,2,3,4,且n(t)～Ν(0,n0/2)(7)r(t)=sm(t?τ)+n(t),m=1,2,3,4,且n(t)～N(0,n0/2)(7)匹配濾波器模板信號為s1(t),s2(t),則發(fā)送s1(t),s2(t),s3(t),s4(t)時,匹配濾波器輸出端信號的4種波形情況如圖5中的(a),(b),(c),(d)所示.與Chirp-BOK的兩路輸出(分別為圖5中的(a),(c))相比提高了符號承載信息的能力,因而在相同的Chirp周期下,提高了系統(tǒng)速率.由圖5可知,判決規(guī)則可表示為z1>0且-z1<z2<z1則判為s1(t);z1<0且z1<z2<-z1則判為s2(t);z2>0且-z2<z1<z2則判為s3(t);z2<0且z2<z1<-z2則判為s4(t).不失一般性,假設(shè)發(fā)送端發(fā)送信號為s1(t),則在匹配濾波器輸出端整數(shù)倍符號周期處采樣,得到判決變量分別為z1=∫Τs0r(t)·s1(t-τ)dt=Es+∫Τs0n(t)s1(t-τ)dt(8)z2=∫Τs0r(t)·s2(t-τ)dt=ρEs+∫Τs0n(t)s2(t-τ)dt(9)系統(tǒng)的符號正確判決概率Pc為Ρc=Ρ(z1>0,z1>z2,z1>-z2)(10)即Ρc=Ρ(z1>0,-z1<z2<z1)=Ρ(-z1<z2<z1|z1>0)Ρ(z1>0)(11)由高斯過程的線性變換仍為高斯過程可知z1～Ν(Es,Esn02),z2～Ν(ρEs,Esn02)(12)式中,ρ為Up-Chirp和Down-Chirp的相關(guān)系數(shù),Es為Chirp信號的能量.將式(12)代入式(11)得Ρc=∫+∞0[∫z1-z11√2πσe-(z3-ρEs)22σ2dz3]1√2πσe-(z1-Es)22σ2dz1(13)式中,σ=√Esn02,化簡得Ρc=∫+∞-(2Es/n0)1/2[∫y+(1-ρ)(2Es/n0)1/2-y-(1+ρ)(2Es/n0)1/21√2πe-x22dx]1√2πe-y22dy(14)由式(4)得系統(tǒng)誤碼率Ρe=23(1-Ρc).在802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)信道內(nèi)采用Rake接收機(jī)最大比合并的情況下,系統(tǒng)的判決變量如下z=L∑l=0Κ∑k=0αk,l∫Τs0[λ?XL∑m=0Κ∑n=0αm,ns(t-Τm-τn,m)+n(t)]??(t-Τl-τk,l)dt上式判決變量z中所包含的m≠l,n≠k的累加量造成了系統(tǒng)的碼間干擾.因此在室內(nèi)密集信道環(huán)境下,存在較大碼間干擾.4最佳工藝參數(shù)的確定根據(jù)IEEE建議,UWB3.1～10.6GHz的工作頻譜分為低端頻段和高端頻段.本文取在低端頻段,即令Chirp信號的帶寬B=2GHz,f0=4.1GHz.信息bit速率為100Mbit/s,一個Chirp信號傳輸2個數(shù)據(jù)比特時,其時間寬度為Ts=20ns;圖6為AWGN信道下,傳輸20000個數(shù)據(jù)比特時,Chirp-BOK-BPSKUWB系統(tǒng)誤碼率與信噪比的關(guān)系曲線.由圖6可知,在AWGN信道下,Chirp-BOK-BPSKUWB系統(tǒng)與文獻(xiàn)中的Chirp-BOKUWB系統(tǒng)相比,在信噪比低于9dB時,性能微劣于Chirp-BOKUWB系統(tǒng);但在信噪比增益高于9dB時,系統(tǒng)性能優(yōu)于Chirp-BOKUWB系統(tǒng).5chrp-bok-bpsk的數(shù)字視頻調(diào)制技術(shù)提出了基于Chirp-BOK-BPSK調(diào)制的UWB高速通信系統(tǒng),設(shè)計了調(diào)制解調(diào)方法.推導(dǎo)了Chirp-BOK-BPSK調(diào)制在AWGN信道下的系統(tǒng)誤碼率,并分析了影響室內(nèi)信道下系統(tǒng)性能的主要因素.正向和反向線性調(diào)頻脈沖信號良好的自相關(guān)性,使得Chirp-BOK-BPSK調(diào)制在傳輸速率為Chirp-BOK的兩倍的情況下與Chirp-BOK調(diào)制具有相似的