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基于空分RAKE接收机的超宽带信号多径性能分析

来源:六九路网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷 第4期 文章编号:1006—9348(2oo6)o4—0322一o4 计 算 机 仿 真 2006年4月 基于空分RAKE接收机的超宽带信号多径性能分析 郭锋 (1.西安电子科技大学微电子所,陕西西安710071; 2.浙江万里学院,浙江宁波315100) 摘要:超宽带信号由于良好的抗多径能力而适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。该文研究的就是超宽带信号的多 径信道中具体的性能指标,即在一定的信噪比条件和接收机条件下,超宽带系统传输的误码率。文中采用分空RAKE接收 机,以最大组合比方式进行接收,在此基础上假设接收信号服从瑞利分布或莱斯分布,推导出了基于接收信号信噪比的不同 超宽带多径信号波形及不同天线阵元数量时的误码率计算公式。之后,通过仿真对AWGN信道和多径信道的接收性能、不 同UWB波形的接收性能等进行了比较,得出一些重要的具体结论。 关键词:超宽带;多径信道;瑞克接收机;误码率 中图分类号:TN92 文献标识码:B BER Performance of Rake Receivers for UWB Signals in Multipath Channels GUO Feng ・ (1.Institute of Microelectronics,Xidian University,Xi’an Shanxi 710071,China; 2.Zhejiang Wanli University,Ningbo Zhejiang 315100,China) ABSTRACT:UhraWideBand signals have an important advantage for multipath interfere.It is used for hish— data—rate applications at home or in other places.This paper discusses its BER performance in muhipath channels.Some useful expressions are deduced for calculating the BER performance of Rake receivers for UWB signals.The Rake receivers on the assumption that use Maximal Ratio Combining technique with perfect channel estimation.Then we simulate,compare and evaluate the BER performance for UWB signals in different conditions,such as,AWGN channels and Muhipath Channels,antipodal and orthogonal UWB signals,different ingers of RAKE receivers and SO on.Atf the end,we draw some useful conclusions. KEYWORDS:UWB;Multipath channels;Rake receivers;BER 接收位错位率的公式,并在MATLAB中对公式结果进行理论 l 引言 近年来,UWB(超宽带:UhraWideBand)扩频通信技术 受到军事、科技和商业领域的极大兴趣。超宽带信号具有对 信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、抗截获能力强、系 统复杂度低、定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多 径场所的高速无线接入。 本文在对RAKE接收机的性能分析的基础上,结合UWB 的多径信道,分析了不同调制波形的UWB信号的接收性能。 在分析时,假设RAKE接收机采用空间分集技术,并采用最 大组合比方式进行接收。文中先推导出一些RAKE接收机的 上的仿真,最后根据仿真结果,得出一些有意义的结论。 2 RAKE接收机的性能分析 在传统的扩频系统中,对RAKE接收机的性能已做了大 量的研究,这个研究结果也很容易扩展到对UWB相关RAKE 接收机性能的研究。有些接收信号的幅度分布不一定适用于 UWB系统,但UWB系统的分析过程与传统的扩频系统相比 在原理上是相通的。下面对UWB系统中的空间分集RAKE 接收机进行性能的分析。 2.1 接收信号的分布 对于接收信号的幅度分布一般为莱斯(Ricean)分布或 收稿日期:2005—11—02 ・---——瑞利(Rayleigh)分布,如果I y I是独立的莱斯分布随机变 322・---—— 维普资讯 http://www.cqvip.com 量,则 =I I的密度函数为 =方差 工 工 考e等,o(等)一≥。 =vra[ ]=∑var[I I ni]=∑I I 2 i=l i:l 工 = 其中莱斯分布的特性参数K定义为K= 如果I I是独立的瑞利分布随机变量,则 密度函数为 一 ∑I I i:l I ‘I的 因此,可得每一位的信噪比为 … : : : Pxi( )= ‘ , ≥0 (2) 瑞利分布是莱斯分布的特例,即K=0或s=0时。因此 以后的分析只针对莱斯分布进行分析。 2.2 多径的平均能量 为讨论波形方式与接收机的性能将做以下定义: jIf:传送的符号个数, k:每个符号所采用的位数,如2‘=M :每个接收符号的总能量 E :t每个接收位的能量,E=kE Ⅳ0:噪声的功率谱密度 P :位错误率 假设存在£条可分辨的多径信号,用符号 ="yid 表 示第il1.路径的接收信号,其中 为复数,表示信号的幅度衰 减和相移,d表示信息符号的归一化能量,n 为高斯噪声,功 率(方差)为 ,为方便分析,假设接收机总以最佳相位(包 括极性)进行接收。 这里采用空间分集技术,定义 -j/Ⅳ0为每个多径信号 的平均能量与噪声的功率谱密度比。平均能量有两种平均: 时间平均和空间平均,这里的信噪比定义为时间平均。因此 有 = =noise等=-,  0=” ” 0= 2 ㈤ 这里定义卢为Eb/Ⅳ0,可得 = 2 +s 一 对于莱斯分布有E(SNR )=— 上=21,0 ,如果已知 Jv 莱斯的 因子和 ,则可计算出 专= , =抒 ㈩ 2.3 最大比率组合cMRC)分集的接收性能分析 假设采用最大比率组合分集接收,若存在£条可用路 径,同时假定信道具有最佳估计特性,则经过时延和加权的 多径相关函数 =∑ ri=∑I I d+I (5) 若I I在给定时间内不变,则 为高斯随机变量,其均 值 ]=∑I I (6) 由于 =I I的概率密度函数为P.i( ),可得A = 的概率密度函数为 P^I(A )= 1 ( (7 因此,A的概率密度函数为 P^(A)=P^l(AI)木P^2(A2)木一-p^工(A工) (8) 若I I为独立的莱斯分布随机变量’贝0 AI= 则 服从£级自由度的非中心卡方(Chi—square)分布,其概率密 度函数为 =赤 厶【 )J ≥。 i  (9) 为了求解PA(A),采用特征函数法,得 1 扣(It )2 南 训 (1o) 其中 =刍2= 2= (11) 总信噪比的特征函数为 ( )=n ( ) (12) 如果所有路径有相同的分布,即所有的i有 i= ,s = s等等,则 )=[ ( = e (13) 因此可推出 (A) = ( ) e ( ),A≥。 (14) 将式(II)代入式(14)整理得 ....——323....—— 维普资讯 http://www.cqvip.com P^(A): ( ) ( ) e一( +  ̄/A—LK( K+1)), ,A≥0 (15) 当s=0时,即I yi I为瑞利分布时,有 )-[ ( = (16) PA( ) 1_I  二 ( )L-Ie2—( ̄=△,)一2 , ≥o (17) 将式(11)代人式(17)整理得 )= , ≥。 (18) 3 UWB在多径环境下的平均位错误率 适合于UWB信道传输的信号波形,一般有正反极性波 形(Antipoda1)、正交性波形(Orthogona1)和多维正交波形 (M—ray Orthogona1)等。这些波形可采用相干或非相干方法 进行解调,不同的波形在AWGN信道中的解调性能如表1所 示。 表1 不同的波形方式及相关接收的位错误率 波形方式 相干解调的位错误率 非相干解调的位错误率 正反极性波形 Q(√2急) P : 1一急 正交性波形 Q( ) 一士急 P (-1)”。 多维正交波形 z¨Q( (肘二 一 穗 表-中:Qc = e一譬出=÷【-一e 老)】 只要已知UWB所采用的信号波形,可求出基于RAKE 接收机的平均位错误率 一 , j) ( ) (A)dA (19) 4 UWB在多径环境下的性能仿真与分析 将表1中的P 和式(15)或式(18)代人式(19)中,就可 利用MATLAB或其他数学工具对UWB在多径环境下的性能 进行理论上的仿真。可以变更不同的参数,如信号波形、天线 阵元的数目、系统的接收信噪比、接收信号的不同分布等对 不同的情景进行仿真。例如,图1是采用正反极性波形,相干 解调方式的RAKE接收机性能与AWGN信道的比较结果。横 坐标为用dB表示的接收总信噪比,纵坐标为系统的位错误 率。由图可知: 1)当采用天线阵元数目增多时,系统的性能将迅速递 一324一 增,并逐渐接收于AWGN信道的性能。一般取天线阵元数量 在1O以上,可以达到较理想的性能,但由于是多径信道,所 以和AWGN信道的性能尚有一定的差距。 图1 采用正反极性波形的RAKE接收机性能 2)对于一定的无线阵元数目,性能曲线上存在一个转折 点,信噪比大于转折点值时,信道的位错误率会加剧降低,这 个现象相当于调频中的门限效应。 图2 不同的信号波形在RAKE信道和AWGN信道的接收性能 图2中显示的仿真结果是不同输入波形在AWGN信道 和多径信道中采用RAKE接收机的性能的比较。RAKE接收 机天线阵元的数量为5。从图中可以看出,当在多径信道中传 输时,当位错误率在1O一3~10—6量级时,信噪比要比在 AWGN信道约9dB左右。 参考文献: [1] S G Saeed。etc.A Statistical Path Loss Model For In—home UWB Channels[C].IEEE UWBST一2OO2,2002. 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[7] K Doya.Reinforcement learning in continuous time and 是相吻合的,将强化学习算法理论与实际控制对象更好的联 系起来,因而具有一定的意义和价值。 参考文献: [1] C W Andesron.Learning to control n ainvetred pendulum using neurla networks[J].IEEE Control System Magazine,1989, 9(3):31—37. space[J].Neurla Computation,1999,12:243—269. [作者简介】 张 涛(1981一),男(汉族),安徽六安人,硕士 研究生,研究方向为智能控制,强化学习算法,及其 在控制中的应用。 [2]A G Barto,R S Sutton,C W Anderson.Neuronlike adaptive elements that can solve dificult learning contorl problems[J]. IEEE Trans.on SMC,1983,13(5):834—846. [3]J Peng.Efifcient dynamic programming—based learning for control[M].USA:Notrheasten rUniversity,1993. [4]W Charles.Anderson.Q—learning with hidden—unit restarting[M].Advnceas in Neurla Information Processing Systems 5,1992.81—88. 吴汉生(1948一),男(汉族),安徽合肥人,中国科 技大学自动化系高级工程师,目前主要从事工业过 程控制,预测控制,自适应控制的计算机仿真研究,曾获‘中国科学院 1992年科技进步一等奖)参加者奖。 (上接第304页) [3] 李春波,等.自适应人机界面的结构设计[J].计算机工程与 应用,1999,2:4—6. [8] 陆汝钤.人工智能(上册)[M].科学出版社,1989:4JD一4l [作者简介】 吕遇慧(1979一),女(汉族),安徽合肥人,硕士 研究生,主要研究方向为人机交互、企业信息化。 [4]Guido Menkhaus and Wolfgang Pree.A Hybrid Approach to Adaptive User Interface Generation[C]. 24th Conf. Information Technology Interfaces ITI 2oo2,Cavtat,Croatia, 王宏安(1963一),男(汉族),江西南昌人,博士, 研究员,主要研究方向为实时交互计算、实时数据 库系统、实时智能调度和人机交互技术等。 June24—2,2002.185—188. [5] Clayton Lewis.Adapting User Interface Desin Megthods to the Desin ogf Educational Activities[C].CHF98 Proceedings, ACM,1998. 戴国忠(1944一),男(汉族),江苏无锡人,研究员,博士生导师, 主要研究领域为人机交互,计算机图形学。 [6]G Vino,A aPardio.Adaptive user Interface ofr Process Contorl based on Multi—Agent approach[C],ACM,2000. [7] 舒谷生,蒋伟进.基于Agent的可视化交互界面及应用研究 [J].湖南城市学院学报(自然科学版),20O4,13(2):70—71. 孙明鹏(1970一),男(汉族),山东潍坊人,山东纺织职业学院信控系 讲师,研究方向为软件工程与自动控制。 一325— 

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