基于混沌序列的超宽带传输参考接收机研究.doc

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1、精品论文推荐基于混沌序列的超宽带传输参考接收机研究赵探微，宋正勋，朗百合，胡贞，孙博 长春理工大学电子信息工程学院，长春（130022） E-mail: zhxsong摘要：针对 UWB 多径信号的检测技术，目前大致可以划分为 3 种类型，即相干 Rake 接收方式、自相关接收方式以及基于能量检测的非相干接收方式。本文对这三种接收方式及其存在 的问题进行了简单的总结，并引入了一种新型的传输参考接收机。之后，详细研究了该接收 机的原理，分析了其性能，并采用混沌序列改善了它的性能。 关键词：超宽带；传输参考接收机；混沌序列中图分类号：TN911.25+31. 引言超宽带(Ultra-Wideban

2、d, UWB)是一种无载波通信技术，利用纳秒至皮秒级的非正弦窄脉 冲传输数据。它能实现近距离 100Mb/s 的高速数据传输，并能工作在很低的发射功率下，抗 干扰和抗截获性能好，同时可以和其它窄带通信系统相互共存，具有抗多径衰落和厘米级定 位能力，现已成为无线通信领域中研究开发的热点。为了防止它对现有无线设备产生干扰， 美国联邦通信委员会(FCC)规定其发射功率谱在 3.110.6GHz 范围内，必须小于辐射噪声规 定值(-41.3 10-3dB/MHz)。因此，如何设计 UWB 接收机，使其既能保持较低的成本和结构 复杂度，又能从强背景噪声中准确检测出微弱的脉冲信号，已成为实现 UWB 系统

3、的一个关 键技术问题。针对 UWB 多径信号的检测技术，目前大致可以划分为 3 种类型，即相干 Rake 接收方式、自相关接收方式以及基于能量检测的非相干接收方式1。其中，自相关超宽带接收机是在复杂性和性能方面进行的折衷。但其最大的缺点是接收 到的用于检测信号恢复数据的参考脉冲包含有噪声，与 Rake 接收机在接收端产生不包含有 噪声的参考信号用于相关检测恢复数据相比，这必然会降低检测性能。针对这一问题，国内 外学者提出了很多解决方法：文献2根据超宽带通信在多个比特数据传输中信道基本不变 的特点，提出一种平均参考型 UWB 自相关接收机。发送端的每一帧数据由头部几个参考信 号和多个调制数据信号

4、组成，接收机采用这几个参考信号接收波形的累加平均作为相关模板 来解调随后的数据信号，由于提高了相关模板的信噪比，从而改善了接收机的误码率性能， 同时结构较为简单，便于实现。文献3给出了一个在频域进行相关的自相关接收机。首先 对信号进行实部和虚部的分离，然后分别相关再进行有效的合并，从而使系统的特性得到了 一定的提高。文献456也分别给出了相应的解决办法，系统的性能都有相应的改进。但是现有的方法都忽略了一个问题，即当使用离散时间脉冲响应模型表征超宽带信道特 性时，存在大量的时间仓，这些时间仓有的仅由噪声组成，有的包含相对于噪声很微弱的信 号。经过平均参考型自相关接收机进行相关检测之后，这些时间仓

5、对信号能量的捕获贡献很 小，但在很大程度上增加了判决变量的噪声水平。因此，本文引入了一种新型的传输参考接 收机。之后，详细研究了该接收机的原理，分析了其性能，并采用混沌序列改善了它的性能 。2. 超宽带多径接收信号的检测技术2.1 Rake 接收机- 8 -r(t)m1 (t ) dtTLw1Z1 m2 (t )w2Z2Z 估 计 信 号.mN.(t )R dtTL. dtTL+.NZwRNR TOT检 测 器图 1 具有 N R 个并行相关器的 Rake 接收机图 1 为具有 N R 个并行相关器的 Rake 接收机。Rake 接收机能获得优良的误码性能，但其缺点也很明显，主要有两个：首先，

6、使用 Rake 接收机增加了接收机的复杂性，其复杂程度随判决前分析与合并的多径数目的增加而增大，因此，可以通过减少接收机处理的多径数 目来降低复杂性。然而，减少分析的多径数目会使接收机获取的能量减少。其次，每路径产 生的衰减不同，要准确估计每个多径信号经历信道的状态信息，难度很大7；此外，由于脉 冲时间极短，要实现对每路径信号的准确同步，也有困难。2.2 TR-UWB 接收机低 通 滤 波 器延 迟 DZ 积 分 器图 2 自相关接收机的结构图 2 为自相关接收机的结构。自相关超宽带接收机是在复杂性和性能方面进行的折衷。 其突出优点是：简单易实现，不需要像 Rake 接收机那样需要信道知识。但

7、也存在一些问题， 主要有三个：（1）因为有一半的脉冲被用来做参考信号，功率效率下降 50%。为了提高传输速率， 可以采用改进的方法，例如，在脉冲对中，以前一个脉冲为参考，同时利用后一个的正负极 性变化和不同的时延 D，可以实现四进制、八进制和十六进制调制8。（2）TR-UWB 系统最大的缺点，即接收到的用于检测信号恢复数据的参考脉冲包含有 噪声，与 Rake 接收机在接收端产生不包含有噪声的参考信号用于相关检测恢复数据相比， 这必然会降低检测性能。为了降低噪声的影响，提高 TR-UWB 系统自相关接收机的性能， 国内外学者进行了深入的研究。（3）自相关接收机的特性很大程度上依赖于对积分窗的捕获

8、和跟踪。积分窗有两个重 要的设计参数：积分间隔的长度和积分间隔的准确同步。积分间隔长度对在 LOS 和 NLOS信道下的超宽带发送参考接收机性能有重要的影响。在 LOS 信道中，如果积分间隔小于脉冲宽度，脉冲能量仅有一部分被收集到，从而降低了输出的信噪比。相似的，如果积分间隔 大于脉冲宽度，大量的噪声被引入，噪声的能量不仅没有增加信号的能量，反而引起输出信 噪比的降低。因此，在 LOS 信道中积分间隔应该与脉冲宽度相等，进而捕获更多的脉冲能 量。准确地对每一个比特积分窗的捕获和跟踪是影响超宽带自相关接收机性能的又一个重要 因素，任何一个积分窗位置的偏移，都会影响输出信噪比，造成接收机性能的下降

9、。2.3 基于能量检测的非相干接收机前 置 滤 波 器( )2Tr0 ( )dt图 3 基于能量检测的非相干接收机的结构图 3 为基于能量检测的非相干接收机的结构。由于硬件实现简单，基于能量检测的非相 干超宽带接收机对一些低速数据应用具有较大的吸引力，但是，非相干接收机实现的低复杂 度优点是以其误码性能的下降作为代价的。影响其性能的两个主要因素是能量积分时间和前 置滤波器带宽选择。以上分析可见，Rake 接收机具有非常好的性能，但其结构复杂，以及实际应用中难以 实现的信道估计与同步，都降低了接收性能；而基于能量检测的非相干接收机实现的低复杂 度优点是以其误码性能的下降作为代价的，在接收信号能量

10、一定的情况下，接收机误码率将 随着积分时长成指数增加，而现有的几种改进方法又都在一定程度上增加了系统的复杂度； 对于自相关接收机，它是在复杂性和性能方面进行的折衷，其主要问题是接收到的用于检测 信号恢复数据的参考脉冲包含有噪声，现有的几种改进方法都在一定程度上提高了系统的性 能，而系统复杂度的增加也不是很大。3.一种新型的超宽带自相关接收机在使用离散时间脉冲响应模型表征超宽带信道特性的模型中，时间轴被划分成小的时间 区间，每个时间区间称为一个时间仓，每个时间仓要么包含有一个多径分量，要么不包含多 径分量，但不允许一个时间仓包含多个多径分量。因此，可以把时间仓看作接收机能够区分 两条多径分量的最

11、大时间间隔。由于超宽带多径分量是成簇到达的，并且总的分量的分布是稀疏的，假设使用离散时间 脉冲响应模型表征超宽带信道特性，我们可以发现大量的时间仓，这些时间仓有的仅由噪声 组成，有的包含相对于噪声很微弱的信号。经过平均参考型自相关接收机进行相关检测之后 ， 这些时间仓对信号能量的捕获贡献很小，但在很大程度上增加了判决变量的噪声水平。特别 的，当接收信号的信噪比很低时，这些时间仓将严重降低检测的性能。然而，到目前为止， 还没有一个发送参考接收机解决这一问题。3.1 系统模型图 4 给出了一个新颖的使用伪随机序列的噪声抑制结构9，这个结构用多个短的相同极 性脉冲组成的 PN 参考序列代替经典平均发

12、送参考系统的重复的参考脉冲。由于 PN 序列很 好的自相关特性，接收机可以用它们估计信道脉冲响应 h(t) ，通过平均，可以获得具有更 好信噪比的估计信道脉冲响应 h(t) ，然后用 | h(t) | 减去一个噪声门限，这样可以去除上面描述的不利的时间仓，仅仅保留这些具有好的信噪比的有用的时间仓，这些时间仓的幅度超过噪声门限。得到的结果乘以所有接收到的参考脉冲波形的平均，从而形成了一个改进的相关 模板。一方面，这个相关模板使多径分量具有更高的信噪比，所以信号的合并是有效的，另 一个方面，这个相关模板摆脱了对捕获信号能量贡献小并且大量提升噪声水平的部分，所以 很大程度上抑制了含有不利噪声的判决变

13、量。考虑到以上两个方面，与平均发送参考接收系 统相比，所给系统的检测特性将有很大改进,并且仅增加了较小的复杂性。为叙述方便，简 称此参考接收机为 PNTR 接收机。r(t)P N SequenceA veraged R eferenceA ve ra ging | g|SubtractN oiserm (t)Tl0kTp + Tl N pM atchedF ilte rh(t)T hresholdhw (t)图 4 PNTR 接收机结构3.2 进一步提高系统性能的方法近几年，超宽带技术凭借自身的优点被广泛地应用到无线传感器网络中，而接收机技 术作为超宽带的核心技术更引起人们的关注。以上这种新型

14、的传输参考接收机就可以很好地 应用于无线传感器网络，它结构简单，性能良好，易于实现，在一定程度上提高了系统抑制 噪声的能力。当然要把它应用到无线传感器网络中，也需要进一步的完善：（1）该接收机 主要是利用 PN 参考序列较好的自相关特性来进行模板信号去噪，我们希望它编码方式简单 ， 易于产生，这样可以保证较快的同步速度，也可以减少能量的消耗；（2）在无线传感器网 络中，需要使用数以百计的传感器节点，那么，多用户干扰是不可避免的。为了使模板信号 减少干扰，我们同时希望它具有较好的互相关特性。（3）与此同时，它还要具有数量众多 的特点，这样有助于我们对传感器节点进行编码，可以在众多传感器节点中快速

15、准确地找到 所需要的节点。这样，一举多得，也有助于提高信息的传输效率。通过以上的分析，我们可 以将混沌序列应用到该新型传输参考接收机中，进一步提高系统的性能。4.混沌序列在传输参考接收机中的应用1963 年，气象学家 E.Lorenz 提出了简化的大气对流运动方程，首先明确地得到了由确 定性方程产生的随机性结果，即混沌序列。混沌序列与 PN 序列相比具有如下特点：（1）混沌序列是伪随机信号，具有较好的自相关和互相关特性，其自相关函数是 d 函数，互相关函数为零10。而 m 序列具有良好的二值自相关特性，但其互相关特性不够理 想。Gold 码序列的互相关特性较 m 序列的互相关特性有较大的改善，

16、但 Gold 码序列不再具 有 m 序列完美的二值自相关函数特性和平衡性11。（2）混沌序列只需要一个模型和初始条件就可以产生，而 m 序列、Gold 码等 PN 序列 ， 由多级移位寄存器或其它延迟元件通过线性反馈产生，要获得不同的随机序列，必须对其产 生的随机二进制序列进行缓存，不如混沌序列产生方便12。（3）混沌序列对初始参数极其敏感，即使对相差为 10-6 的两个初值，经过混沌模型数 次迭代后产生的序列也将变得毫不相关，这样可通过混沌模型产生大量不相关的序列13。而 m 序列和 Gold 码序列长度只能固定，并且序列的数量有限。（4）混沌序列的保密性要好于 PN 序列。可见，混沌序列用

17、于 PNTR 接收机，理论上可以进一步改善其性能。4.1 混沌二进制序列考虑一个混沌映射，f : X X，这里 X是状态空间，其概率密度为 r ( x) ，xk +1 = f ( xk ) ， f 为映射，它将初态 xk 映射到次态 xk +1 ，给定一初值 x0 ，即可得到一个序 列xk ，经过一个量化函数 Q : X Z 把xk 映射成 L 个符号 Z = z1 , z2 , z1 ，由于是精品论文推荐二进制混沌序列此处 L = 2 。其中量化函数为：0Q( x) = 1x c x c这样即可得到一个新的时间序列，再把它截断为一系列长度为 N 的序列，为保证不同符号之间是等概分布的，要求

18、kr ( x) = 1/ L 。除了单阶混沌动力学模型外，还可将单阶模型级联组成新的混沌动力学模型，如将Logistic 映射的输出作为 Kent 映射的输入便得到 Logistic-Kent 映射，这样就得到了新的混沌 序列。4.2 混沌二进制序列的优选混沌对初值的敏感性使得我们可以在数目众多的混沌序列中进行优选，剔除一部分性能 不佳的混沌序列，使得到的混沌序列达到我们期望的要求。对混沌二进制序列的优选准则是：平衡性准则、自相关准则和互相关准则。| A - B |（1）平衡性准则：定义平衡系数 I =A + B，其中， A 为序列中码元“1”的 数 目，B 为码元“-1”的数目。在一定长度序

19、列中，如果| A - B |= 1 则称序列是平衡的。在后续的仿真实验中，我们取| A - B | 的阈值为 1，既平衡序列。经过平性准则优选的序列在平衡调 制时具有较强的载波抑制度。（2）自相关准则：序列的自相关函数对系统的抗多径干扰能力是有很大的影响，理想 情况下序列的自相关函数是一个d 冲击函数，即其自相关旁瓣应很小，接近于零。但在实际 应用中是不可能达到的，都或多或少的有不为零的自相关旁瓣，自相关旁瓣均方根值是表征 自相关旁瓣的一个统计量。在以下的优选过程中，以自相关旁瓣的最大值和自相关旁瓣的均 方根值一起作为优选准则，将其阈值设为相同长度的 Gold 序列的自相关旁瓣峰值和自相关 旁

20、瓣均方根值的峰值。经过自相关准则优选后的序列将具有较强的抗多径干扰能力。（3）互相关准则：序列的互相关性质主要影响系统的多用户干扰性能。理想情况下序 列的互相关函数应是 0，实际是不可能达到的，互相关峰值或互相关均方根值是表征互相关 性能的统计量。在对混沌序列的优选过程中，将选择阈值互相关峰值和互相关均方根阈值作 为相同长度的 Gold 序列的互相关峰值和互相关均方根的最大值。经过互相关准则优选后的 混沌二进制序列具有很强的抑制多径干扰能力。4.3 优选后序列的性能比较经过上述过程的优选，混沌二进制序列的互相关性能得到了很大程度上的改善，理论上 具备了较强的抗多径干扰能力和抗多址干扰能力。表

21、1 给出了优选后 63 位混沌序列的自相 关和互相关性能比较，可以看出，经过优选的混沌序列的抗多径干扰和抗多址干扰能力有很 大改善。（1）优选后混沌序列的码组数目远多于 Gold 序列，这一点在文献14中有详细的分析 比较；（2）优选后的混沌序列完全是平衡序列；- -x , y（3）优选后的混沌序列的互相关特性（互相关峰值 Rxy - max 和互相关均方根d R）优于 Gold 序列；-（4）优选后的混沌序列的自相关特性（自相关旁瓣峰值 Rxx -max 和自相关旁瓣均方根-值d Rx ,x）优于 Gold 序列；（5）混沌二进制序列的复杂度低，生成简单。表 1 长度 N=63 的优选混沌序

22、列的互相关性能比较-d Rx , y-Rxy - max-d Rx ,x-Rxx -maxGold0.08870.26980.08960.2698改进 Logistic0.08470.23810.07910.2103Kent0.08450.23020.07840.2143Chebyshev0.08430.24340.08100.2262Logistic-Kent0.08430.24570.08420.2143内嵌混沌序列0.08350.22490.07830.2183通过对以上数据的分析，我们发现混沌序列有着很好的伪随机特性和抗干扰能力，优选 后的混沌序列在性能上优于传统的 Gold 序列，混

23、沌自身的优势得到了充分体现15。4.4 系统性能仿真分析通过前面的分析，我们可以将经过优选的混沌二进制序列应用到 PNTR 接收机中，以 改善系统的性能，下面通过仿真实验进行验证。图 6 CTR 与 PNTR 性能比较仿真采用 0.2ns 的高斯二阶导数形式的脉冲，BPSK 相位调制，每个脉冲信噪比为 015dB，抽样频率为 50GHz，使用带有高斯白噪声的 CM1 离散信道，收发信机距离取 2m。 其它参数设定为： N p = 5, Nd = 500,Tp = Tl = 10ns 。PN 序列采用 m 序列，长度为 N=15，PN 序列的个数为 M=15，并假设系统完全同步。混沌序列采用改进

24、的 Logistic 映射模型，m = 3.6 ，其它参数与 m 序列相同。仿真结果如图 6 所示，为叙述方便，简称改进的参考接 收机为 CTR 接收机。图 7 给出的是在 N=15 和 N=20，而其它参数不变的情况下，采用混沌序列的系统性能。 可以看出，当混沌序列的长度增加时，系统性能得到提高。图 7 CTR（N=20）与 CTR（N=15）性能比较通过对以上仿真结果的分析，CTR 接收机的性能略优于 PNTR 接收机的性能，但当增 加混沌序列的长度时，这种优势则更加明显，验证了理论分析的结果。5.结论本文简单介绍了超宽带接收机技术，引入了一种新型的超宽带传输参考接收机模型， 并给出了混沌

25、二进制序列的定义，对混沌二进制序列进行了优选比较，理论分析表明，优选 后的混沌序列在各项性能上要优于传统的 PN 序列，最后将优选后的混沌序列应用到 PNTR 接收机，仿真表明，该接收机性能得到了改善。参考文献1 吴建军 , 梁庆林 , 项海格 . 针对 UWB-PPM 多径信号的加权非相干接收性能分析J. 通信学报 .2006,27(10): 162 杨刚 , 施仁 , 杨清宇 . 新颖的平均传输参考型超宽带相关接收机的研究J. 西安交通大学学报 .2006,40(4):4414443 Seonkeol Woo, Hoongee Yang, Sunghyun Yang et al. A TR

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31、n Hu, Bo SunSchool of Electronic Information Engineering, Changchun University of Science and TechnologyChangchun, P.R. China(130022)E-mail: zhxsongAbstractAt present, there are about three types for UWB multi-path signal detection technology: Rake receiver, transmitted reference receiver and non-co

32、herent receiver. This article describes these three receivers and summaries their questions shortly, then a new transmitted reference receiver is proposed after the principle research and the performance analysis. In addition, a chaotic sequence is used in this transmitted reference system to improve its performance.Keywords: Ultra Wideband; Transmitted Reference Receiver; Chaotic Sequence作者简介：赵探微：1982 年生，女，硕士生，主要研究方向是信号检测与信号处理理论与技术和超宽 带接收机。宋正勋：1967 年生，男，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向是光通信系统理论与无 线通信技术、数字视频与图象处理技术。