摘 要：依據混沌序列" title="混沌序列">混沌序列的白噪聲統計特性、較理想的自相關和互相關特性以及產生簡單、碼元豐富、抗干擾能力強等特性, 提出了基于混沌擴頻" title="擴頻">擴頻序列的DS-UWB" title="DS-UWB">DS-UWB 通信系統方案,并針對混沌DS-UWB 通信系統的特點對同步和安全性能做出了改進，最后給出了一種基于軟件無線電的實現方案，仿真結果表明本系統有較大的用戶容量和較低的誤碼率。
關鍵詞： 超寬帶" title="超寬帶">超寬帶 混沌擴頻 外同步 RAKE接收機 軟件無線電
目前，短距離無線通信技術已經進入前所未有的發展時期，而超寬帶（UWB）技術在無線通信領域的應用更是引起了人們的廣泛關注。本文提出了一種基于混沌的DS-UWB系統，能夠提供更好的偽隨機性和更大的用戶容量，采用了組幀結構的外同步方式，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方法。
1 DS-UWB技術及其功率譜分析
1.1 DS-UWB技術
按照美國聯邦通信委員會(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又規定帶寬超過500MHz可稱為超寬帶。
發射超寬帶信號最常用和最傳統的方法是發射時域上很短的脈沖，這種傳輸技術稱為IR(Impulse Radio),這種方式下信號不需要載波即可通信。其調制方式多采用脈沖位置調制（PPM）、脈沖幅度調制（PAM）、相位調制（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系統的信號產生模型如圖1所示。
的自相關積分的傅氏變換。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：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，尖銳的自相關和近似正交的互相關特性，可以提供無限多的混沌序列。正是因為以上的優點，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系統的擴頻序列，還有著以下獨特的優點：
(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技術產生干擾。
(2)混沌信號良好的自相關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，簡化RAKE接收機的結構。
(3)因為天線發射信號的全向性，無線通信網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的擴頻序列（例如：m序列、gold碼和Walsh碼）更好的自相關和互相關特性及序列數目，所以為UWB CDMA系統提供更大的系統容量。
因為Logistic映射產生的混沌序列，具有良好的平衡性、自相關和互相關特性，非常適合用在DS-UWB系統中。本系統中選用Logistic映射作為混沌信號的產生模型：
xn+1=1-μxn2 x∈(-1,1) μ=2 (4)
3 基于軟件無線電思想的系統實現
整個系統的實現如圖3所示。
根據軟件無線電（SDR）的設計思想，整個系統由三部分實現，其中數字部分由可編程的計算機軟件和FPGA實現，盡可能減少模擬部分。
因為用于擴頻的混沌序列需要優選，但進行優選的過程十分復雜，不適合用FPGA實現，一旦產生了序列，就不需要經常更改，所以在計算機上用程序來實現混沌序列的優選，通過串口與FPGA相連，將初值存入FPGA的存儲器內。需要注意的是，因為FPGA只能存儲有限精度的二進制數據，所以在計算機軟件優選的過程中，混沌序列的初值也必須是有限精度的二進制數據。其優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的整數倍，并且長度在2 000～4 000。在本系統中，選擇Np=2 048。
在發射機部分，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同步兩大類：內同步直接從信息數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，擴頻后的數據采用物理層組幀的方法來實現加密和外同步。其幀的格式如圖5所示。
在系統中，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據碼組，為了實現正確的幀同步，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據，同時也可以根據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，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受到時間選擇性衰落的破壞，則放棄接收，節省功率。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），否則就放棄接收，節省功率。解擴后的數據經RAKE接收機的最大比（MRC）合并后檢測輸出最終數據。
在接收機部分：由于UWB技術具有內在的抗多徑能力，僅當LOS(視距)與反射信號的傳播時差小于脈沖寬度時，才會產生干擾。圖6是對IEEE802.15.3a建議采用和衡量UWB系統性能的多徑傳播信道模型CM1、CM2的功率延遲輪廓線（Power Delay Profile）進行仿真的結果[1]。
在本實驗環境下，采用徑數為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，僅采用最簡單的抽頭延時線模型來實現RAKE接收，同時還可以通過多次信道仿真取得均值來確定RAKE接收機的加權系數。
整個FPGA系統采用流水線結構，同時，在接收端采用三通道AD聯合采樣（使用三個AD轉換器并行工作）以適應DS-UWB系統的處理速度。模擬部分選擇高斯函數的二階導數作為脈沖波形，使用自制的電路實現。
4 信噪比和多用戶容量分析
圖7是在Ns=3時，CM1信道下系統的信噪比與誤碼率的關系。可見隨著信噪比的提高，RAKE接收機的性能優于單接收機，并且當Ns增大時(實際系統中Ns>>3）RAKE接收機的性能將更加優越。圖8是在用戶數量為20時，CM1信道下系統的信噪比與誤碼率的關系。
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可見，BPSK調制的用戶容量要大于PPM調制，這也是為什么在實際中選擇BPSK調制作為DS-UWB CDMA的調制方式的原因。同時隨著信噪比的提高和序列長度的增加，混沌序列擴頻的性能要優于傳統的PN碼的擴頻，這與前面分析的結論是一致的。
本文基于Logistic映射，提出了一種新的DS—UWB通信系統，與傳統的DS—UWB系統相比，其優點在于：
（1）采用Logistic映射作為擴頻碼，為信號提供更好的偽隨機性和更大的用戶容量；
（2）采用混沌加密，進一步提高系統的安全性；
（3）采用外同步，能更快地實現混沌序列的同步并節省功率；
（4）將信號用幀的方式進行發射，能進一步節省功率；
（5）采用RAKE接收機提高接收端的信噪比；
（6）基于軟件無線電思想的實現更適合未來通信的需要。
參考文獻
1 Maria-Gabriella Di Benedetto. Understanding Ultra wide band radio fundamentals[M].北京：電子工業出版社，2005
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