基于Chirp扩频的超宽带信号传输性能分析

　　0 引言

　　目前，超宽带(UWB)技术由于其在3.1～10.6 GHz上享有很大的一段“自由频谱”，同时又具有高速率、低成本、低功耗等特点而备受人们的关注。

　　但是由于UWB带宽过大，以至于会影响到其他的窄带通信系统，故其发射功率受到了严格的限制。在FCC规定下，其功率谱密度须在10 mw／MHz以下。采用时长极短的冲击脉冲作为信号载体，信号的能量都集中在ns级别甚至ps级别的短时间内，造成了极高的峰值功率。如果要进行长距离通信，必须使用更大的发射功率，获得更大的SNR以保证通信质量，这样也将使其峰值功率变得更大，会对其他窄带通信系统带来很大的干扰，非常不利于长距离通信应用。为了克服瞬时峰值功率过大，减低对其他系统的干扰，进行更理想的远距离传输，可以考虑使用Chirp-UWB技术。这种方式以Chirp(线性调频)信号作为信息的载体，在接收端用匹配滤波器滤波后，信号宽度压缩，多径效应被削弱。因为Chirp信号具有扩时特性，信号能量被平均展宽在整个符号周期上。所以即使需要传递的能量很大，也能保证很低的瞬时功率。在文献[1]中，当辐射功率为250 mW时，在误码率为0.001，传输速率为1 M／b的情况下，传输距离可达4 626 m。因此，Chirp信号可以作为一种全新的UWB信号，实现长距离低速数据通信，同时又能满足定位的要求；而且基于Chirp信号的UWB通信系统亦具有低成本、低功耗等特点。

　　图1是一段Chirp信号及其匹配滤波输出。由图可见，Chirp信号具有恒包络特性，而其对应的匹配输出具有和sine函数类似的特性。宽度为Tc，幅度为1的输入信号经过匹配滤波后，能量基本集中在宽度2／B(B是带宽)的时间内，幅度值为 。一个恒包络脉冲能量几乎都被压缩在很短的时间段内。

　　系统设计及性能分析

　　IEEE 802.15.4a WPAN工作组已经选择了CSS技术作为物理层标准之一，Nanotron公司也提出了基于Chirp的RFID解决方案。Yasutaka KOIKE和他的工作组也将Chirp技术用于可移动测距和自动控制。

　　CSS技术应用于通信是由Winkler首先提出来的，在她的工作中提出了正交二进制键控(BOK)系统的雏形，这里，数据符号可直接由正斜率或负斜率的Chirp信号表示。Springer和他的工作组用SAW实现了直接调制(DM)方式下的DQPSK CSS，并展示了其系统性能。这里，选择了BOK的调制方式，利用Chirp信号的线性调频斜率和相位表示数据bit信息，用SAw滤波器产生Chirp信号同时实现了调制和脉冲成形的双重功能。

　　本文所设计的Chirp-BOK UWB无线通信系统，如图2所示。在发射端，用Up-Chirp表示二进制信息比特“1”，Down-Chirp表示二进制信息比特“0”。在接收端，采用RAKE接收机进行能量合并，并利用Up-Chirp和Down-Chirp良好的自相关性，采用相干解调，分别将Down-Chirp和Up-Chirp作为匹配滤波器的冲激响应，在每个Chirp信号结束时进行抽样判决，如果z1>z2，则判决为“1”，反之则为“0”。一对平方检波判决器决定输出是空位还是标记位。

　　假设接收机和发射机完全同步，且Up-Chirp和Down-Chirp完全正交，则在AWGN信道下采用相干检测的CSS-BOK-UWB系统误比特率和采用包络检波的非相干检测法系统误比特率如图3所示，图中比较了3种通信方式下的的误码性能。从图中可以看出，在AWGN信道下，相干Chirp-BOK与二进制正交调制的TH-PPM-UWB具有同样的可靠性，且要优于非相干检测法。在误码率为10-3时，信噪比的增益仅需9.91 dB。由于系统中使用的是低成本、低功耗的声表面波器件，使Chirp-UWB系统更为简单，易实现。

　　UWB的室外环境中信道模型

　　在室外信道传输过程中，电磁波的传播机理有多种多样，但都是通过直射、反射、散射和绕射所形成的。由于超宽带的频宽很大(3.1～10.6 GHz)，波长在厘米级，所以研究室外的传播模型(主要是路径损耗)使用大尺度模型。由于传播距离的增大，过程中受周围环境直接影响的就是幅度的衰落；其次，传播过程中引起脉冲波形的变化，物体或地面对波的反射等就有可能引起系统性能下降。

　　根据FCC对超宽带的规定，文献[2]给出了在符合对数正态分布的阴影衰落信道模型下平均接收功率与传播距离之间的表达式：

　　式中：α是符合对数正态分布的阴影系数；Amax是FCC规定的信号单边功率谱密度P(f)的峰值；G为收发信机功率增益；c为光速；fH，fL分别为UWB信号波形下降到峰值-10 dB时所对应的和频率值。当a=1时，上述表达式就变为AWGN信道下进行无障碍直射路径传播的信道模型。

　　在UWB进行较远距离通信时，还有一个要考虑的因素是信号的多径反射。UWB通信时所提供的大带宽对信号有着很大的影响，而且在频率选择性的信道，每个物体对于不同的频率，都会产生一个不同的信号响应。在此考虑了典型的反射信道，即双径传播损耗模型，如图4所示。这种信道模型对于户外开放环境传播比较适合。其中：PTx，PRx分别是无线端的发射功率和接收功率；hr，hR分别是发收信机的天线高度；rd是收发天线间传播直线距离；rr是收发天线间经陆地反射传播的总距离。

　　这样，可以得到在超宽带下的基于双径传播模型的平均接收功率与传输距离，信号频率之间的关系函数表达式：

　　式中：R(d，f)是考虑到水平电场极化所附加的菲涅耳反射系数，它与发射角度和反射材料的介电常数e(f)有关：

　　3系统链路性能仿真结果

　　这里考虑了覆盖整个UWB频段上(3.1～10.6 GHz)的理想功率谱密度的情况。Chirp-UWB信号在AWGN信道下进行无障碍直线传播。室温为300 K(27℃)，系统余量为5 dB，接收机噪声点数为7 dB，G=1。图5比较了在不同误码率下用Chirp-BOK超宽带进行通信的链路性能。这里的发射功率是超宽带定义范围内允许的总功率0.55 mW。

　　由图5可以看出，随着数据速率的减小，传输距离逐渐增大。当传输速率在100 Kb／s以下时，传输距离急剧上升。另外误码率也对传输距离有一定影响，适当提高误码率，可使传输距离有较大提高。这就需要在具体设计系统时在误码率和传输距离上有个较好的折衷。

　　表1给出了在AWGN信道直线传播信道模型下不同误码率下Chirp-BOK UWB数据速率和传输距离的仿真数据。

　　表2给出了在误码率为10-6时对于不同信道模型下的速率-距离仿真数据。其中，收发天线间的高度均为1 m。通过表2仿真数据可知，在Chirp-UWB双径传播信道中，系统的传输距离反而远。这是因为由于双径信道有两个脉冲可用，RAKE接收机与直射传播相比能够获得额外的增益。同时还应该注意到收发天线间的高度也会影响到数据速率和传播距离的关系。

　　4结语

　　由于Chirp信号良好的自相关性使得Chirp-BOKUWB系统在AWGN信道下与TH-PPM UWB系统具有相同的可靠性。Chirp信号的频谱能很好地满足FCC对UWB辐射掩蔽的限制，信号具有较高的频谱利用率。设计的基于Chirp扩频的超宽带通信系统功耗极低、结构简单、易于实现，在满足不同误码率的情况下，可以做不同距离的数据通信；同时，使用RAKE接收机能提高系统的传输距离。该系统可以作为超宽带低功耗、远距离、低速率通信的理想选择。

  

参考文献:

[1]. PTx datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PTx_1195747.html.