基于自相关特性的chirp-bok-bpsk调制方法

基于自相关特性的chirp-bok-bpsk调制方法

超宽带uwb（超级widebad）是近年来发展迅速的一项无线通信技术。这是目前的热点研究技术之一。uwb具有高速率、降低成本、易读性强、透射性强、适应性强等优点。uwb具有广阔的应用前景，如短距无线宽带的访问、无线网络的无线（wsb）、usb（wsb）、室内图像的精确校正。uwb主要有两种物理层技术方案。其中之一是针对impiel广播电视台实体层的标准技术规格建议。另一种是针对实体层的标准技术规格建议的多个副本。除以上2种技术方案,线性调频(Chirp)脉冲因其高处理增益、低功耗、抗多径干扰、抗多普勒频移等优点,已得到广泛研究.2005年3月IEEE802.15.4a工作组初步统一了技术方案,定义的2种物理层技术中包括CSS(Chirpspreadspectrum)技术.随着现代模拟信号处理技术的发展,声表面波(surfaceacousticwave)器件已经可以产生和检测中心频率为5.6G,部分带宽为50%的Chirp信号.因此,将Chirp信号应用于UWB高速数据传输成为可能.通过增加Chirp脉冲的带宽B和减小时间宽度Ts,Chirp信号同样可以应用于超宽带高速传输系统.本文结合Chirp-BOK和BPSK提出了Chirp-BOK-BPSK调制.这类似于将正交信号扩展为双正交信号,即将原来的Up-Chirp,Down-Chirp分别取反,得到4种信号+Up-Chirp,+Down-Chirp,-Up-Chirp,-Down-Chirp,使一个Chirp脉冲传输2个bit,系统速率得以提高.且该调制可通过控制SAW器件与乘法器实现,结构简单,对于UWB的广泛应用具有实际意义.1/2#t#ts/21式利用Chirp信号进行数据传输的基本思想就是把数据信息调制到Chirp信号的各参数上,主要参数包括线性调频斜率、相位的正反极性、幅度的包络等.Chirp信号的表达式为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)为Chirp信号的包络,常用矩形脉冲,当|t|<Ts/2时,a(t)=1;否则,a(t)=0.Ts为Chirp脉冲宽度,f0为中心频率.B=|μ|Ts为Chirp信号带宽.μ为线性调频斜率,μ>0称为正向调频脉冲(Up-Chirp);μ<0为反向调频脉冲(Down-Chirp).Up-Chirp信号和Down-Chirp信号具有良好的自相关特性.其相关函数为Sinc函数形式,表达式为ϕss(t)=√BΤs⋅sin[πBt(1-|t|/Τs)]πBt⋅cos(2πf0t),-Τs<t<Τs(2)ϕss(t)=BTs−−−−√⋅sin[πBt(1−|t|/Ts)]πBt⋅cos(2πf0t),−Ts<t<Ts(2)在t=0时刻,ϕss(t)的包络取最大幅度值√BΤsBTs−−−−√,远大于此时的Up-Chirp与Down-Chirp的互相关函数值;当t≈±1/B时,ϕss(t)包络值为0.图1为Up-Chirp信号和Down-Chirp信号的自相关函数和互相关函数.2an发送符号描述本文在Chirp-BOK系统中引入调相,提出了基于Chirp-BOK-BPSK的调制单频带UWB无线通信系统,如图2和3所示.在Chirp-BOK-BPSK调制信号中,发送的第n个符号an由2个信息比特表示,即an={b2n+1,b2n+2},其中b2n+1,b2n+2∈{-1,1}.这样,an共有4个可能的发送符号,即an∈{11,1-1,-11,-1-1}.其中b2n+2表示发送符号调频斜率,b2n+1表示发送符号的正反相位,文中仅考虑单用户情况,这样,发送的符号可表示为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)为Chirp的包络,通常取矩形包络a(t)=1,-Ts<t<Ts;否则,取a(t)=1.由式(3)可知,Chirp-BOK-BPSK信号的瞬时频率与相位和时间的关系可由图4中的(a)和(b)直观表示.3充填滤波器t的信号特性下面推导Chirp-BOK-BPSK调制在AWGN信道下的误码率.首先推导系统的误符号率PM,然后由下式求系统误码率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)则发送端的4种波形可以表示为s1(t),s2(t)=-s1(t),s3(t)和s4(t)=-s3(t).经AWGN信道后,接收端匹配滤波器输入信号可表示为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)匹配滤波器模板信号为s1(t),s2(t),则发送s1(t),s2(t),s3(t),s4(t)时,匹配滤波器输出端信号的4种波形情况如图5中的(a),(b),(c),(d)所示.与Chirp-BOK的两路输出(分别为图5中的(a),(c))相比提高了符号承载信息的能力,因而在相同的Chirp周期下,提高了系统速率.由图5可知,判决规则可表示为z1>0且-z1<z2<z1则判为s1(t);z1<0且z1<z2<-z1则判为s2(t);z2>0且-z2<z1<z2则判为s3(t);z2<0且z2<z1<-z2则判为s4(t).不失一般性,假设发送端发送信号为s1(t),则在匹配滤波器输出端整数倍符号周期处采样,得到判决变量分别为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)系统的符号正确判决概率Pc为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)由高斯过程的线性变换仍为高斯过程可知z1∼Ν(Es,Esn02),z2∼Ν(ρEs,Esn02)(12)式中,ρ为Up-Chirp和Down-Chirp的相关系数,Es为Chirp信号的能量.将式(12)代入式(11)得Ρc=∫+∞0[∫z1-z11√2πσe-(z3-ρEs)22σ2dz3]1√2πσe-(z1-Es)22σ2dz1(13)式中,σ=√Esn02,化简得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)得系统误码率Ρe=23(1-Ρc).在802.15.3a标准室内信道内采用Rake接收机最大比合并的情况下,系统的判决变量如下z=L∑l=0Κ∑k=0αk,l∫Τs0[λ⋅XL∑m=0Κ∑n=0αm,ns(t-Τm-τn,m)+n(t)]⋅ϕ(t-Τl-τk,l)dt上式判决变量z中所包含的m≠l,n≠k的累加量造成了系统的码间干扰.因此在室内密集信道环境下,存在较大码间干扰.4最佳工艺参数的确定根据IEEE建议,UWB3.1～10.6GHz的工作频谱分为低端频段和高端频段.本文取在低端频段,即令Chirp信号的带宽B=2GHz,f0=4.1GHz.信息bit速率为100Mbit/s,一个Chirp信号传输2个数据比特时,其时间宽度为Ts=20ns;图6为AWGN信道下,传输20000个数据比特时,Chirp-BOK-BPSKUWB系统误码率与信噪比的关系曲线.由图6可知,在AWGN信道下,Chirp-BOK-BPSKUWB系统与文献中的Chirp-BOKUWB系统相比,在信噪比低于9dB时,性能微劣于Chirp-BOKUWB系统;但在信噪比增益高于9dB时,系统性能优于Chirp-BOKUWB系统.5chrp-bok-bpsk的数字视频调制技术提出了基于Chirp-BOK-BPSK调制的UWB高速通信系统,设计了调制解调方法.推导了Chirp-BOK-BPSK调制在AWGN信道下的系统误码率,并分析了影响室内信道下系统性能的主要因素.正向和反向线性调频脉冲信号良好的自相关性,使得Chirp-BOK-BPSK调制在传输速率为Chirp-BOK的两倍的情况下与Chirp-BOK调制具有相似的