基于空分RAKE接收機的超寬帶信號多徑性能分析

第23卷第4期計算機傷真006年4月文章編號1006-9348(2006)4-0322-04基于空分RAKE接收機的超寬帶信號多徑性能分析郭鋒2(1.西安電子科技大學(xué)微電子所陜西西安710071;2.浙江萬(wàn)里學(xué)院浙江寧波315100)摘要超寬帶信號由于良好的抗多徑能力而適用于室內等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入。該文研究的就是超寬帶信號的多徑信道中具體的性能指標即在一定的信噪比條件和接收機條件下超寬帶系統傳輸的誤碼率。文中采用分空RAKE接收機以最大組合比方式進(jìn)行接收在此基礎上假設接收信號服從瑞利分布或萊斯分布推導出了基于接收信號信噪比的不同超寬帶多徑信號波形及不同天線(xiàn)陣元數量時(shí)的誤碼率計算公式。之后通過(guò)仿真對AWGN信道和多徑信道的接收性能、不同UWB波形的接收性能等進(jìn)行了比較得出一些重要的具體結論。關(guān)鍵詞超寬帶多徑信道瑞克接收機誤碼率中圖分類(lèi)號丌N92文獻標識碼書(shū)B(niǎo)ER Performance of Rake Receivers for UWB SignalsGUO Fen12l. Institute of Microelectronics Xidian University, Xi'an Shanxi 710071, China2. Zhejiang Wanli University Ningbo Zhejiang 315100, ChinaABSTRACT Ultra Wide Band signals have an important advantage for multipath interfere. It is used for highdata -rate applications at home or in other places. This paper discusses its BER performance in multipathe useful expressions are deduced for calculating the BER performance of Rake receivers for UWBsignals. The Rake receivers on the assumption that use Maximal Ratio Combining technique with perfect channelestimation. Then we simulate, compare and evaluate the BER performance for UWB signals in differentconditions such as AWGN channels and Multipath Channels antipodal and orthogonal UWB signals differentfingers of RAKE receivers and so on. At the end, we draw some useful conclusionsKEYWORDS: UWB Multipath channels Rake receivers BER接收位錯位率的公式并在 MATLAB中對公式結果進(jìn)行理論1引言上的仿真最后根據仿真結果得出一些有意義的結論近年來(lái),UWB超寬帶 c Ultra Wide band)擴頻通信技術(shù)受到軍事、科技和商業(yè)領(lǐng)域的極大興趣。超寬帶信號具有對2RAKE接收機的性能分析信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、抗截獲能力強、系在傳統旳擴頻系統中對RAKE接收機的性能已做了大統復雜度低、定位精度高等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于室內等密集多量的研究這個(gè)研究結果也很容易擴展到對UWB相關(guān)RAKE徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入。接收機性能的研究。有些接收信號的幅度分布不一定適用于本文在對RAKE接收機的性能分析的基礎上結合UUwB系統但UWB系統的分析過(guò)程與傳統的擴頻系統相比的多徑信道分析了不同調制波形的UWB信號的接收性在原理上是相通的。下面對UWB系統中的空間分集RAKE在分析時(shí)假設RAKE接收機采用空間分集技術(shù)并采用最接收機進(jìn)行性能的分析。大組合比方式進(jìn)行接收文中先推導出一些RAKE接收機的2,1接收信號的分布對于接收信號的幅度分布一般為萊斯( Ricean)分布或量則x=1y|的密度函數為方差x,(x2+2)(1)val 2=其中萊斯分布的特性參數K定義為K。y2如果|y是獨立的瑞利分布隨機變量則x1=|y|的因此可得每一位的信噪比為密度函數為A=SMs(:]).(y13)∑1y,12≥0(2)2h va z]∑瑞利分布是萊斯分布的特例即K=0或s=0時(shí)。因此A(6)以后的分析只針對萊斯分布進(jìn)行分析2.2多徑的平均能量由于x1=|y|的概率密度函數為p(x),可得A為討論波形方式與接收機的性能將做以下定義1的概率密度函數為M傳送的符號個(gè)數k每個(gè)符號所采用的位數如2=ME.每個(gè)接收符號的總能量pA(A)=2√x(√A2)(7)E7每個(gè)接收位的能量E,=hE因此A的概率密度函數為N。繰聲的功率譜密度P(A)=P2(A1)*P,(A2)*…P(A)P拉錯誤率假設存在L條可分辨的多徑信號用符號r=yd+n,表若1y|為獨立的萊斯分布隨機變量則A=2}則ko示第個(gè)路徑的接收信號其中y為復數表示信號的幅度衰服從L級自由度的非中心卡方Chi- square)分布其概率密減和相移d表示信息符號的歸一化能量n為高斯噪聲功度函數為率方差)為a為方便分析假設接收機總以最佳相位(包A+s只2)括極性)進(jìn)行接收P這里采用空間分集技術(shù),定義E;/N為每個(gè)多徑信號的平均能量與噪聲的功率譜密度比。平均能量有兩種平均時(shí)間平均和空間平均這里的信噪比定義為時(shí)間平均。因此為了求解p(A)采用特征函數法得有1-n2o')SARP1|y:keSi= 2kB(3)其中這里定義B為EN可得y=、21(s)=2hok+18(o)=02ka2x(K,+1對于萊斯分布有BSNR1)==26B如果已知(11)總信噪比的特征函數為萊斯的K因子和B則可計算出m)=∏v()(4)如果所有路徑有相同的分布即所有的i有o1=N=2.3最大比率組合MRC)分集的接收性能分析等等則假設采用最大比率組合分集接收,若存在L條可用路(ju)=[v(ju)]徑同時(shí)假定信道具有最佳估計特性,則經(jīng)過(guò)時(shí)延和加權的多徑相關(guān)函數因此可推出x211+y4n(5)PCA)若x1在給時(shí)間內不則為高機量均x(x)學(xué)-(氣),A(14)PCA)増并逐漸接收于A(yíng)wGN信道的性能。一般取天線(xiàn)陣元數量K+1K(K+在10以上可以達到較理想的性能但由于是多徑信道所以和AWGN信道的性能尚有一定的差距。A≥0(15)當s=0時(shí)即|y.|為瑞利分布時(shí)有(jw)=[(juu)](1-jw2 0))(16)P(A)2(a')(LA)(17)將式(11)代入式17)整理得P(A)=(18)3UwB在多徑環(huán)境下的平均位錯誤率適合于UWB信道傳輸的信號波形,一般有正反極性波圖1采用正反極性波形的RAKE接收機性能形 Antipodal)正交性波形( Orthogonal)和多維正交波形(M- ray Orthogonal)等。這些波形可采用相干或非相干方法2)對于一定的無(wú)線(xiàn)陣元數目性能曲線(xiàn)上存在一個(gè)轉折進(jìn)行解調不同的波形在A(yíng)WGN信道中的解調性能如表1所點(diǎn)信噪比大于轉折點(diǎn)值時(shí)信道的位錯誤率會(huì )加劇降低這個(gè)現象相當于調頻中的門(mén)限效應表1不同的波形方式及相關(guān)接收的位錯誤率10波形方式相干解調的位錯誤率非相干解調的位錯誤率多維正交(RAKE)正反極性波形P=o(EnPa正反波形(RAKE)正交性波形P1÷多維正交波形Pn≤2Q表1中xx)=只要已知UWB所采用的信號波形,可求出基于RAKE接收機的平均位錯誤率圖2不同的信號波形在RAKE信道和AWGN信道的接收性能PA(AP, (A)dA(19)圖2中顯示的仿真結果是不同輸入波形在A(yíng)WGN信道和多徑信道中采用RAKE接收機的性能的比較。RAKE接收4UwB在多徑環(huán)境下的性能仿真與分析機天線(xiàn)陣元的數量為5。從圖中可以看出當在多徑信道中傳將表1中的P和式15)或式18)代入式19)中就可輸時(shí)當位錯誤率在10-3~10-6量級時(shí)信噪比要比在A(yíng)WGN信道約9dB左右利用 MATLAB或其他數學(xué)工具對UWB在多徑環(huán)境下的性能進(jìn)行理論上的仿真可以變更不同的參數如信號波形天線(xiàn)參考文獻陣元的數目、系統的接收信噪比、接收信號的不同分布等對不同的情景進(jìn)行仿真。例如圖1是采用正反極性波形相干UWB Channel:[ C IEEE UWBST-2002 200解調方式的RAKE接收機性能與AWGN信道的比較結果橫(2] Mohamed- Slim alouini,te. Rake reception With maximal坐標為用AB表示的接收總信噪比縱坐標為系統的位錯誤Ratio And Equal-Gain Combining For Ds-Cdma Systems In率。由圖可知Nakagami Fading J ] IEEE Transactions on Wireless[3] Moe Z Win and Zoran A Kostic. Impact of Spreading Bandwidth [6] David R McKinstry. Ultra -wideband Small Scale Channelon Rake ReceptiDense Multipath Channel C]. IEEEModeling and its Application to Receiver Desig[ D ]. Theournal on selected areas in communications, 1999 17(10)[ 4] D Cassioli, etc. UWB Channel Model Repor( R]ULTRAWAVES, 2003[作者簡(jiǎn)介][5] SG Saeed, etc. Measurement and Modeling of an Ultr郭鐓1973.5-)男漢族)陜西長(cháng)安在西安Wide Band Indoor Channe[ J ]. IEEE Transaction on電子科技大學(xué)讀博士講師主要研究方向:短距離communications. 2004無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)菠入式系統設計(上接第300頁(yè))[5]蔣國飛吳滄浦.基于Q學(xué)習算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的倒立擺控是相吻合的將強化學(xué)習算法理論與實(shí)際控制對象更好的聯(lián)制J]自動(dòng)化學(xué)報,1998,24系起來(lái)因而具有一定的意義和價(jià)值[6]CC H Watkins and P Dayan. Q-learning. Machinelearning J ]. May 1992 8(3/4)257-277參考文獻[ 7] K Doya. 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