目前,，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)進入前所未有的發(fā)展時期,，而超寬帶（UWB）技術(shù)在無線通信領域的應用更是引起了人們的廣泛關(guān)注。本文提出了一種基于混沌的DS-UWB系統(tǒng),，能夠提供更好的偽隨機性和更大的用戶容量,，采用了組幀結(jié)構(gòu)的外同步方式,，并通過對CM1,、CM2信道的仿真確定在接收端使用3徑的RAKE接收機來提高性能。最后提出了一種基于軟件無線電思想的實現(xiàn)方法,。
1 DS-UWB技術(shù)及其功率譜分析
1.1 DS-UWB技術(shù)
　　按照美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的定義信號帶寬大于1.5GHz或信號帶寬與中心頻率之比大于20%為超寬帶,。后來FCC又規(guī)定帶寬超過500MHz可稱為超寬帶。
　　發(fā)射超寬帶信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時域上很短的脈沖,，這種傳輸技術(shù)稱為IR(Impulse Radio),這種方式下信號不需要載波即可通信,。其調(diào)制方式多采用脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）、相位調(diào)制（BPSK）等,，信號編碼則多采用跳時編碼（TH-UWB）和直接序列編碼（DS-UWB）,。

　　一個典型的無載波DS-UWB系統(tǒng)的信號產(chǎn)生模型如圖1所示。
的自相關(guān)積分的傅氏變換,。由(3)式可知,，一旦脈沖的形狀p(t)確定，直序超寬帶信號的功率譜密度由擴頻碼的頻譜決定,。
　　由(3)式可得到DS-UWB信號的功率譜密度仿真（Np=10 202 000）如圖2所示,。

　　可見，擴頻序列的性能決定了DS-UWB信號的功率譜密度,，同時在DS-UWB CDMA系統(tǒng)中,，多址干擾（MAI）是影響用戶容量的主要因素，而一種好的擴頻序列可以有效地減少多址干擾,。所以選擇合適的擴頻序列,，對DS-UWB系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。
2 混沌擴頻序列
　　混沌信號" title="混沌信號">混沌信號具有如下性質(zhì)：既非周期也不收斂,，對初始值敏感,，還具有類似噪聲的寬頻譜，尖銳的自相關(guān)和近似正交的互相關(guān)特性,，可以提供無限多的混沌序列,。正是因為以上的優(yōu)點，混沌信號在擴頻通信中得到了廣泛的應用,。
　　同時將混沌信號作為DS-UWB系統(tǒng)的擴頻序列,，還有著以下獨特的優(yōu)點：
　　(1)因為混沌信號類似噪聲的頻譜，可以避免在公共頻帶上與其他WLAN和WPAN技術(shù)產(chǎn)生干擾,。
　　(2)混沌信號良好的自相關(guān)性能可以減少符號間干擾對信道估計的影響,，進而減少RAKE接收的徑數(shù)，簡化RAKE接收機的結(jié)構(gòu),。
　　(3)因為天線發(fā)射信號的全向性,，無線通信網(wǎng)絡往往信號的安全性較差，在物理層使用混沌信號加密可以極大地提高信號的安全性,。
　　(4)因為混沌序列有著比傳統(tǒng)的擴頻序列（例如：m序列,、gold碼和Walsh碼）更好的自相關(guān)和互相關(guān)特性及序列數(shù)目，所以為UWB CDMA系統(tǒng)提供更大的系統(tǒng)容量,。
　　因為Logistic映射產(chǎn)生的混沌序列,，具有良好的平衡性、自相關(guān)和互相關(guān)特性,，非常適合用在DS-UWB系統(tǒng)中,。本系統(tǒng)中選用Logistic映射作為混沌信號的產(chǎn)生模型：
　　x_n+1=1-μxn² x∈(-1,1) μ=2 　　　　 (4)
3 基于軟件無線電思想的系統(tǒng)實現(xiàn)
　　整個系統(tǒng)的實現(xiàn)如圖3所示,。

　　根據(jù)軟件無線電（SDR）的設計思想，整個系統(tǒng)由三部分實現(xiàn),，其中數(shù)字部分由可編程的計算機軟件和FPGA實現(xiàn),，盡可能減少模擬部分。
　　因為用于擴頻的混沌序列需要優(yōu)選,，但進行優(yōu)選的過程十分復雜,，不適合用FPGA實現(xiàn)，一旦產(chǎn)生了序列,，就不需要經(jīng)常更改,，所以在計算機上用程序來實現(xiàn)混沌序列的優(yōu)選，通過串口與FPGA相連,，將初值存入FPGA的存儲器內(nèi),。需要注意的是，因為FPGA只能存儲有限精度的二進制數(shù)據(jù),，所以在計算機軟件優(yōu)選的過程中,，混沌序列的初值也必須是有限精度的二進制數(shù)據(jù)。其優(yōu)選過程的軟件算法如圖4所示,。為了讓混沌序列具有更加優(yōu)良的性能,，并考慮到IEEE802.15.3a中的DS-UWB建議方案，筆者選擇混沌碼的周期是24的整數(shù)倍,，并且長度在2 000～4 000,。在本系統(tǒng)中，選擇Np=2 048,。

　　在發(fā)射機部分,，使用了兩個混沌序列，一個用來混沌擴頻,，另一個用來混沌加密,。混沌擴頻的過程如圖1所示,，混沌加密的過程就是簡單地用一個發(fā)射機和接收機都知道初值的混沌序列與擴頻后的信息序列進行模2和運算,。
　　混沌信號的同步：信號的同步分為外同步和內(nèi)同步兩大類：內(nèi)同步直接從信息數(shù)字序列中提取同步信息，不需額外的同步信號功率,。常見的方法有：步進串序搜索法,、匹配濾波器法和自回歸自適應頻譜估測法。由于混沌序列的周期較長,，步進串序搜索法捕獲同步的時間較長,，難以滿足實際應用的需要,，而匹配濾波器法和自回歸自適應頻譜估測法則需要大量的濾波器,，電路復雜,，不適合在功率和體積受限的移動終端中使用，所以在本方案中使用外同步法對信號進行同步,。
　　混沌序列生成后,，與信息序列進行擴頻，擴頻后的數(shù)據(jù)采用物理層組幀的方法來實現(xiàn)加密和外同步,。其幀的格式如圖5所示,。

　　在系統(tǒng)中，使用11位的巴克碼作為同步碼,，因為無論選用何種巴克碼始終存在與同步碼組碼元序列相同的數(shù)據(jù)碼組,，為了實現(xiàn)正確的幀同步，還要使用相應的同步保護電路來避免偽同步的發(fā)生,。同時設定每傳輸2 048個擴頻信息就組成一幀,，這樣即使同步碼在傳輸過程中被破壞，也可以通過MAC層的重傳機制再次獲得數(shù)據(jù),，同時也可以根據(jù)通信的不同安全級別,，每一幀采用不同的混沌初值進行擴頻，進一步提高通信的安全性,。
　　在接收端,，當RAKE接收機接收到11位的巴克碼時，立刻進入接收狀態(tài),，如果兩次收到的同步碼一致,，就利用本機的密鑰進行解密，否則即說明是偽同步或者是同步碼已經(jīng)受到時間選擇性衰落的破壞,，則放棄接收,，節(jié)省功率。因為混沌序列對初值敏感,，所以混沌解密后,，要對收到的兩個初值進行比較，如果一致,，則進行最后的同步解擴（在DS-UWB中為掩模相關(guān)）,，否則就放棄接收，節(jié)省功率,。解擴后的數(shù)據(jù)經(jīng)RAKE接收機的最大比（MRC）合并后檢測輸出最終數(shù)據(jù),。

　　在接收機部分：由于UWB技術(shù)具有內(nèi)在的抗多徑能力，僅當LOS(視距)與反射信號的傳播時差小于脈沖寬度時,，才會產(chǎn)生干擾,。圖6是對IEEE802.15.3a建議采用和衡量UWB系統(tǒng)性能的多徑傳播信道模型CM1、CM2的功率延遲輪廓線（Power Delay Profile）進行仿真的結(jié)果^[1],。
　　在本實驗環(huán)境下,，采用徑數(shù)為3的RAKE接收機就能達到比較好的效果,。同時考慮到應用UWB的無線終端多為功率和體積受限系統(tǒng)，僅采用最簡單的抽頭延時線模型來實現(xiàn)RAKE接收,，同時還可以通過多次信道仿真取得均值來確定RAKE接收機的加權(quán)系數(shù),。
　　整個FPGA系統(tǒng)采用流水線結(jié)構(gòu)，同時,，在接收端采用三通道AD聯(lián)合采樣（使用三個AD轉(zhuǎn)換器并行工作）以適應DS-UWB系統(tǒng)的處理速度,。模擬部分選擇高斯函數(shù)的二階導數(shù)作為脈沖波形，使用自制的電路實現(xiàn),。
4 信噪比和多用戶容量分析
　　圖7是在Ns=3時,，CM1信道下系統(tǒng)的信噪比與誤碼率的關(guān)系?？梢婋S著信噪比的提高,，RAKE接收機的性能優(yōu)于單接收機，并且當Ns增大時(實際系統(tǒng)中Ns>>3）RAKE接收機的性能將更加優(yōu)越,。圖8是在用戶數(shù)量為20時,，CM1信道下系統(tǒng)的信噪比與誤碼率的關(guān)系。

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