摘要：分析了超宽带传输参考（TR）接收机的原理和优势，针对UWB通信应用在多个比特传输中信道基本不变的特点，将TR信号集合扩展为一帧几个参考信号和多个数据信号，提出了一种改进TR接收机。文中对基本TR接收机和改进TR接收机的性能进行了理论分析，并采用IEEE的CM1、CM2多径信道模型进行了性能仿真，结果表明，综合考虑性能、传输效率和成本，改进TR接收机优于基本TR接收机。

关键词：超宽带（UWB）无线通信；传输参考（TR）接收机；误码率分析；数据传输效率；多径信道仿真

引言

超宽带（UWB，ultra-wideband）技术采用-10dB分数带宽大于0.2或者.10dB绝对带宽大于500MHz的窄脉冲信号进行数据传输，能够实现低功耗、近距离、100Mbit/s以上的高速无线数据通信，IEEE802.15.3a专题组已将其定为实现高速WPAN的技术方案。为了防止干扰，UWB无线通信系统的发射功率限定得很低（如FCC规定其功率谱应小于.41.3dBm/MHz），因此，如何设计UWB接收机，使其能从背景噪声中检测出微弱的高速率UWB信号，同时还具有较低的复杂度和成本，成为UWB技术实现中的一个关键问题。

按照UWB信号形式，UWB系统可分为基带窄脉冲型（包括脉冲无线电IR-UWB和直接序列扩频DS-UWB）和调制载波型OFDM-UWB两种。其中OFDM-UWB采用跳频方式，信号峰平比较高，容易对其它无线设备产生干扰；接收机采用IFFT/FFT变换法，实质上是多个传统窄带接收机的并联，结构复杂，实现成本高。因此，本文不考虑OFDM-UWB，只讨论基带窄脉，实，实，实，实，实，实，实，实脉冲型UWB系统采用纳秒级窄脉冲作为传输信号，其传统接收机结构为Rake接收机。鉴于UWB信号的大带宽造成信道的极度频率选择性，导致接收到的信号波形畸变严重，Rake接收机要达到理论上比较好的检测性能，就必须精确估计出信道参数，搜索出每个延时分支的纳秒级精确延时和增益系数，这是非常困难的；加之UWB信道的密集多径特性，必然需要数量很大的延迟分支，成本较高；另外Rake接收机对定时和同步的要求严格，这在UWB系统中的实现难度非常大。因此Rake接收机难以在较低成本下实现较好的检测性能。

传输参考（TR，transmitted-reference）接收机是通过发送由确定参考信号和随后的调制数据信号组成的信号集合，经信道传输后，应用前者的接收信号作为模板来解调后者数据的方法。它最初来源于扩频通信，R.T.Hoctor首先将其用于UWB通信中，相应的信号集合是由一个参考信号和一个延迟的调制数据信号组成的信号对（doublet），接收机采用延迟相乘的自相关器结构，称为基本TR接收机。它的优点是不必进行信道参数估计就能收集到多径分量，大大简化了接收机的复杂程度，对于定时和同步的要求也降低了。缺点是采用含噪的接收参考信号作为相关模板，检测性能较差一些；发射功率有一半消耗在发送参考信号上，数据传输效率只有50%。虽然后来一些学者对其性能进行了改进，但仍沿用信号对doublet作为信号集合，数据传输效率依然只有一半。

考虑到大多数UWB通信应用（如WPAN、无线USB等）的距离较近，发射机和接收机的相对移动速度小于1m/s的特点[5]，当数据传输速率在50Mbit/s以上时，在多个比特（如50bit）数据传输的50bit1/50Mbit/s1s×=μ极短时间内，发射机和接收机之间的位置改变不超过1m/s1s1m×μ=μ，所引起的信道情况变化极小可忽略，即可以认为在50bit的数据传输过程中信道时不变。根据这一推断，我们提出了一种改进TR接收机，其信号集合是由几个参考信号和多个数据信号组成的较短一帧（小于50bit），由于在一帧传输中信道情况不变，故可取前几个接收参考信号的 平均作为该帧的相关模板来对后面的多个数据信号进行解调。一方面，改善了模板信号的信噪比，提高了检测性能；另一方面，多个数据信号共用一个模板信号，数据传输效率也大大提高。这种改进TR接收机仍保持了不需信道估计就能收集多径分量的优点，缺点是同步要求略有提高，结构稍复杂一些，需要对接收参考信号累加平均提取出模板信号波形。

本文针对基本TR接收机和改进TR接收机，分别介绍其信号组成和接收机结构，对它们在多径信道叠加高斯白噪声下的误码率性能和数据传输效率进行了理论分析和比较。同时采用IEEE802.15.3a的UWB室内多径信道模型CM1、CM2，对两种TR接收机进行了多径性能仿真，验证了理论分析的正确性，得出了一些结论。

理论分析

这里，我们采用BPSK相位调制，分别对这两种TR接收机在多径信道叠加高斯白噪声情况下的检测性能进行理论分析，由于都可以通过直接序列DS调制码或时间跳变TH调制码实现相应的多用户通信，不失一般性，我们只针对单用户情况进行分析。

基本TR接收机
基本TR接收机的发送信号和接收机结构如图1所示。

图1 基本TR接收机结构图

图1的发送信号中，每个窄脉冲()pt是一个UWB信号，两个相隔D延迟的窄脉冲组成一个信号对()dt，其中第一个相位固定，是参考信号；第二个相位可变，是可调制的数据信号，每一个信号对即为一帧。

d(t)= p(t)cp(t-D 1c∈{+1,-1}是调制数据 (1)

每个比特数据由多个重复发送的N_p帧组成，以便在接收时获得足够的比特能量。为简化分析，选取帧长间隔fmds22TDT>≥多径延时扩展，即忽略帧间干扰和符号间干扰的影响。

经信道传输后，每bit的接收信号r(t)可表示为

其中h(t)为信道的脉冲响应，n(t)为零均值高斯白噪声，式中第一项表示接收参考信号，第二项表示接收数据信号。

图1的接收机结构中，r(t)中接收参考信号经延迟D作为模板和接收数据信号作相关运算，每一帧信号的相关器输出在T₁时刻的采样Z_C(T₁)可以表示为

式中r₀₍t)=p(t)*h(t)，01 。可以看出，z_c(T₁)的第一项是有用的信号能量，后面三项是无用的噪声能量。可以证明，在不影响结果的误差范围内，

忽略一些次要项，n₁、n₂和n₃可近似认为是三个独立的零均值高斯分布，两两之间的互相关为零。

因此，假定c=+1，则z_c(T₁)的期望值为

其中，E_p是每个UWB窄脉冲的接收信号的能量。z_c(T₁) 的方差为

式中为接收信号中的噪声方差。

相关器输出的采样z_c(T₁)累加N_p次，形成每个比特数据的判决统计量，Z _c,bit(T₁)，其对应的期望值为

方差为

其中
考虑到BPSK是对极信号，得到基本TR接收机的比特误码率P_b为

改进TR接收机
改进TR接收机的发送信号和接收机结构如图2所示。

图2 改进TR接收机结构图

图2的发送信号中，每个UWB窄脉冲p(t)之间的间隔均为T_P，每个比特数据由pN个重复的相位调制的p(t)组成，以便在接收时获得足够的比特能量。即

每一帧由N_r个参考脉冲信号和随后的N_d（N_d小于50）个数据信号T_p组成。同样为简化分析，选取脉冲间隔T_p>T_mds多径延时扩展，即忽略脉冲间干扰的影响。这样，每一帧的发送信号(s)t表示为

其中，比特数据间隔T_d= N_pT_p。经信道传输后，每个比特的接收信号(r)t可表示为

同样，h(t)为信道的脉冲响应，(n)t为零均值高斯白噪声。

图2的接收机结构中，由于每一帧数据传输过程中信道基本不变，因此，首先取前N_r个接收参考信号累加平均后，得到该帧的模板信号r_m(t)

将r_m(t)与随后的每一个接收数据信号作相关运算，则一个比特中的第k个信号的相关器输出在T₁时刻的采样Z_cT₁可以表示为

式中r₀₍t)=p(t)*h(t)，01 。同样的，第一项是有用的信号能量，后面三项是无用的噪声能量，且n₁、n₂和n₃可近似认为是三个独立的零均值高斯分布，两两之间的互相关为零。因此c=+1时，Z_cT₁的期望值为

其中，pE是每个UWB窄脉冲的接收信号的能量Z_cT₁的方差为

式中为接收信号中的噪声方差。

相关器输出的采样Z_cT₁累加N_p次，形成每个比特数据的判决统计量Z _c,bit(T₁)，其对应的期望值为

方差为

其中

同样，得到改进TR接收机的比特误码率P_b为

性能比较
观察推导出的比特误码率bP式（8）和式（18），两者均为和的Q函数，通常情况

下，N_d>N_p>N_r ，故比较上述两式分母中和的 的系数，可以看出，式（18）中，的系数近似是式（8）的1/2，的系数近似是式（8）的，因此，式（18）的bP小于式（8）的P_b，这说明，改进TR接收机的性能好于基本TR接收机的性能。

另外，对比两者的数据传输效率，假定PN相同，基本TR接收机

改进TR接收机

同样N_d>N_p>N_r ，可以看出，η1<η2 ，即改进TR接收机的数据传输效率更高，接近于1。

特别注意到，当N_r =1时，式（8）等于式（18），即N_r =1时改进TR接收机的误码率等于基本TR接收机的误码率。另外，观察改进TR接收机的P_b 和η₂的表达式，可以看出，N_r越大，检测性能P_b越好，但传输效率η₂越差；反之，N_r 越小，传输效率η₂越好，但检测性能P_b越差。这说明，应当权衡检测性能和传输效率之间的矛盾，设置合适的N_r ，取得总体性能上的优化。

多径性能仿真

目前，UWB技术主要用于室内密集多径环境下的高速无线通信，这里，采用IEEE802.15.3a专题组根据实测数据归纳出的UWB室内多径信道模型CM1（0~4m，视线传播）和CM2（0~4m，非视线传播），分别对基本TR接收机和改进TR接收机进行多径性能仿真。

仿真中，UWB通信系统采用IR-UWB方式，UWB窄脉冲采用0.2ns的二阶高斯单脉冲波形，BPSK相位调制，多径信道噪声为高斯白噪声（AWGN），发送和接收滤波器取FCC限定的3.1~10.6GHz，采用巴特沃斯滤波器实现。发射/接收天线模型取理想各向同性天线，接收天线输出信号为发射天线输入信号的一阶导数形式。两种TR接收机的参数设定：

基本TR接收机，N_p =5，D=2ns，T_f=10ns，T₁=5ns；

改进TR接收机，N_d =10，N_p =5，T_p=5ns，T₁=5ns，N_r=3 和N_r=6。

即针对基本TR接收机，参考脉冲分别为3个和6个的改进TR接收机，分别对其在CM1+AWGN和CM2+AWGN室内多径信道情况下的检测性能进行了仿真，得到相应的比特误码率（BER）与信噪比E _b/N_o的关系如图3所示。

图中，“基本TR”表示基本TR接收机，“改进TR（3）”表示3个参考脉冲的改进TR接收机，“改进TR（6）”表示6个参考脉冲的改进TR接收机。

可以看出，改进TR接收机在CM1、CM2多径信道时，都比基本TR接收机有较为明显的性能提高，验证了理论分析的结论。图中，当未编码误码率为10-3时，改进TR（3）比基本TR约有2dB增益，改进TR（6）比基本TR约有3dB增益，采用FEC纠错码的话，应该能获得更好的性能提升。同时，改进TR（3）和改进TR（6）的数据传输效率分别为0.9434和0.8929，基本接近于1，远大于基本TR的0.5。

图3 误码率与信噪比的关系

另外，如2.3中所述，理论上基本TR和改进TR（1）具有相同的比特误码率，因此，这里近似的把基本TR看作是改进TR（1）的性能曲线。则比较改进TR（1），改进TR（3），改进TR（6）三个接收机的性能曲线，可以看出，随着参考脉冲信号的个数rN的增加，检测性能随之提高；但改进TR（3）到改进TR（6）的增益小于改进TR（1）到改进TR（3）的增益，这说明随着rN的增大，可获得的增益会越来越有限，提取模板信号的电路也会复杂一些。因此，应该在检测性能和结构复杂度之间权衡，设置合适的参考脉冲数rN值。

结束语

本文介绍了近年来提出的超宽带（UWB）传输参考接收机的原理和优势，针对UWB通信应用在多个比特的数据传输过程中信道基本不变的特点，将TR信号集合从基本TR接收机的一个参考信号和一个数据信号组成的一帧，扩展到几个参考信号和多个数据信号组成的较短一帧，提出了一种改进TR接收机。文中分别对这两种TR接收机的性能进行了详尽的理论分析，同时采用IEEE802.15.3a的UWB室内多径信道模型CM1、CM2进行了仿真，结果表明：本文提出的改进TR接收机在比特误码率和数据传输效率方面，都优于基本TR接收机；其结构只比基本TR接收机稍复杂一些，在成本与性能之间取得了较好的平衡。下一步的工作，我们将对改进TR接收机在有符号间干扰（ISI）情况下的性能进行研究。