摘要：空時(shí)編碼技術(shù)和超寬帶技術(shù)是當(dāng)前無(wú)線通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。為了提高短距高速率無(wú)線通信的性能，討論了空時(shí)編碼技術(shù)在超寬帶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，由于超寬帶脈沖信號(hào)具有極窄的時(shí)域支撐區(qū)，而且信道為密集多徑信道，因此超寬帶通信系統(tǒng)中的空時(shí)編碼技術(shù)具有完全不同的特性，提出了幾種超寬帶空時(shí)編碼方案，并對(duì)其性能優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。
關(guān)鍵詞：超寬帶；空時(shí)編碼；多輸入多輸出；網(wǎng)格碼

0 引 言
    超寬帶(UWB)通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、多徑分辨能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它適用于基帶多用戶通信、戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)線通信、高數(shù)據(jù)率多媒體業(yè)務(wù)等通信系統(tǒng)。脈沖無(wú)線電(IR)是超寬帶的最主要形式，它通過(guò)基帶傳輸納秒級(jí)極短脈沖串傳遞信息，其超寬的帶寬使接收信號(hào)具有十分良好的時(shí)間分辨能力和衰落抑制能力，易于Rake接收機(jī)的使用以實(shí)現(xiàn)多徑分集。為了獲得良好的多徑分集增益，需要RAKE接收機(jī)的支路數(shù)通常較大，但這增加了工程實(shí)踐的復(fù)雜度。另一方面，在多輸入多輸出(MIMO)信道上實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)也得到了很大的發(fā)展，其采用多個(gè)發(fā)射以及接收天線為無(wú)線通信提供更大的系統(tǒng)容量。為了實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的性能潛力，現(xiàn)在通常采用空時(shí)編碼技術(shù)，同時(shí)獲得分集增益和編碼增益。將空時(shí)編碼技術(shù)引入多天線超寬帶通信系統(tǒng)，可以充分利用UWB和空時(shí)編碼的優(yōu)點(diǎn)，在不增加接收機(jī)復(fù)雜度的情況下，既獲得了超寬帶所固有的多徑分集增益又獲得了空間和時(shí)間的分集增益，有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)的信道容量，同時(shí)提高了抗誤比特率性能和抗定時(shí)抖動(dòng)能力。已有部分文獻(xiàn)研究了如何把空時(shí)編碼應(yīng)用到UWB系統(tǒng)中。需要注意的是，在應(yīng)用超寬帶空時(shí)編碼技術(shù)時(shí)應(yīng)該考慮到信道特性的差異，常規(guī)的空時(shí)編碼通常應(yīng)用于平坦衰落信道，而超寬帶信道一般建模為密集多徑信道，另外，超寬帶空時(shí)編碼應(yīng)用于實(shí)域無(wú)載波的超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)，不支持相位調(diào)制；而常規(guī)的空時(shí)編碼是基于載波調(diào)制的，可以采用相位調(diào)制。

1 幾種超寬帶空時(shí)編碼方案
    常見的空時(shí)編碼方案有空時(shí)分組碼(STBC)、空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)、空時(shí)分層碼(LAST)、差分空時(shí)碼(DSTC)，下面分別介紹如何將它們應(yīng)用于多天線超寬帶通信系統(tǒng)中。定義w(t)為超寬帶脈沖，每個(gè)符號(hào)在一個(gè)碼元周期內(nèi)通過(guò)Nf個(gè)脈沖重復(fù)發(fā)送，Tf為幀長(zhǎng)，ε為符號(hào)能量，發(fā)射天線數(shù)為MT。
1．1 超寬帶空時(shí)分組碼(STBC—UWB—IR)
    空時(shí)分組碼是基于不同天線間符號(hào)正交設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線數(shù)MT確定的完全發(fā)射分集，并且通過(guò)簡(jiǎn)單的最大似然譯碼算法實(shí)現(xiàn)最大可能的分集優(yōu)勢(shì)。將其引入超寬帶通信系統(tǒng)中，以文獻(xiàn)中的兩根發(fā)射天線的超寬帶空時(shí)分組碼為例進(jìn)行說(shuō)明，分析了兩種編碼方案。
    第一種編碼方案：
    同一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)當(dāng)兩根天線上發(fā)送相同的符號(hào)s時(shí)，從兩根天線上發(fā)送的信號(hào)s0，s1分別為：

   
    第二種編碼方案：
    當(dāng)在兩個(gè)連續(xù)符號(hào)周期內(nèi)從兩根天線上發(fā)送兩個(gè)連續(xù)的符號(hào)sa，sb時(shí)，從兩根天線上發(fā)送的信號(hào)s0，s。分別為：

    
    常規(guī)的空時(shí)分組碼，當(dāng)發(fā)射天線MT=3，5，6，7，…時(shí)分組碼的碼率小于1，但超寬帶空時(shí)分組碼的碼率等于1。因?yàn)樯婕暗椒?hào)內(nèi)脈沖波形編碼，所以超寬帶空時(shí)分組碼也叫做模擬空時(shí)碼。
1．2 超寬帶空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC—UWB—IR)
    空時(shí)網(wǎng)格碼是一種綜合了差錯(cuò)控制編碼、調(diào)制、發(fā)射接收分集的聯(lián)合設(shè)計(jì)編碼，將空時(shí)網(wǎng)格碼引入超寬帶通信系統(tǒng)，在增加信道容量的同時(shí)進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。假設(shè)s為t時(shí)刻輸入的N進(jìn)制符號(hào)，含有m=log2 N個(gè)信息比特，將s分成m路信息流，每路含有1比特的信息量。發(fā)射天線數(shù)為MT時(shí)，空時(shí)網(wǎng)格碼的生成矩陣為G=[G1，G2，…，GN]T，Gn=[gn1，gn2，…，gnMT]，n=1，2，…，N。將每路信息流分別與Gn，n=1，2，…，N，相乘后各相量進(jìn)行模N相加，將所得相量中每個(gè)元素調(diào)制到脈沖w(t)上，并分別通過(guò)MT根天線發(fā)射出去。下面以四進(jìn)制雙正交調(diào)制和空時(shí)網(wǎng)格碼QPSK編碼方案為例進(jìn)行說(shuō)明。
    四進(jìn)制的雙正交調(diào)制實(shí)際是通過(guò)二進(jìn)制PPM調(diào)制和雙極性脈沖實(shí)現(xiàn)的。四進(jìn)制雙正交調(diào)制和QPSK調(diào)制的星座圖是一樣的，所以可以簡(jiǎn)單地將常規(guī)的空時(shí)網(wǎng)格碼QPSK編碼方案直接應(yīng)用于四進(jìn)制雙正交調(diào)制的超寬帶系統(tǒng)中。如圖1所示，G為4×MT矩陣，輸入信息被分成兩路信息流d1t和d2t，分別經(jīng)過(guò)線性移位寄存器與生成矩陣的一行Gn，n=1，2，3，4相乘，然后模四相加，每根天線發(fā)送的信號(hào)為：

1．3 超寬帶空時(shí)分層碼(LAST—UWB—IR)
    空時(shí)分層碼是一種空間復(fù)用技術(shù)，即將N個(gè)通過(guò)信道編碼后的比特流通過(guò)矢量編碼器的變換映射到對(duì)應(yīng)的N個(gè)發(fā)射天線上，可將高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分拆成若干低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這使它在高速率無(wú)線通信中的應(yīng)用有著非常大的潛力。將空時(shí)分層碼應(yīng)用于多天線超寬帶通信系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端輸入信息比特流{di}時(shí)，通過(guò)串并轉(zhuǎn)換分解成與發(fā)送天線的數(shù)目MT相同的多路低數(shù)據(jù)率的比特流，采用DS—UWB調(diào)制并發(fā)送出去。在一個(gè)信息符號(hào)發(fā)送時(shí)間間隔內(nèi)，每個(gè)天線發(fā)送的信號(hào)為：

   
1．4 超寬帶差分空時(shí)碼(DSTC—UWB—IR)
    在很難準(zhǔn)確地估計(jì)信道的情況下，差分非相關(guān)脈沖無(wú)線電系統(tǒng)具有折衷的系統(tǒng)性能和復(fù)雜度，因此將差分超寬帶技術(shù)應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)。下面以差分參考傳遞系統(tǒng)(DTR)為例進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)采用PAM調(diào)制方式，信號(hào)從MT個(gè)發(fā)送天線同時(shí)發(fā)送到Q個(gè)接收天線上。ND個(gè)等概率信息符號(hào)流{UM}NMD=1。通過(guò)差分編碼被編成一個(gè)新的信息流{DM}NMD=0。UM是N×N的正交矩陣，其中元素取值為{一1，O，1}，DM是MT×N的矩陣，其中元素取值為{一1，1}，并且UMUTM=UTMUM=INxN，DMDTM=NIMTxMT，DTMDM=MTINxN。{DM}NMD=0的第一個(gè)符號(hào)D0是參考符號(hào)不攜帶信息，是滿足上面性質(zhì)的任意陣，DM=DM-1UM，發(fā)射矩陣為：

   
    DM的列是同一時(shí)刻下從不同天線發(fā)出的符號(hào)，從第i根天線發(fā)出的信號(hào)是：

2 幾種超寬帶空時(shí)編碼方案性能特點(diǎn)比較
    超寬帶空時(shí)編碼系統(tǒng)的接收通常采用最大似然檢驗(yàn)接收，在分層空時(shí)碼中也會(huì)用到多用戶檢測(cè)技術(shù)，這與傳統(tǒng)的空時(shí)編碼系統(tǒng)的接收技術(shù)相當(dāng)，在這里就不做過(guò)多說(shuō)明。
    下面對(duì)不同超寬帶空時(shí)編碼的性能特點(diǎn)進(jìn)行比較：
    (1)超寬帶空時(shí)分組編碼并不包含差錯(cuò)控制編碼來(lái)提高編碼增益；其他的超寬帶空時(shí)碼可以引入差錯(cuò)控制編碼來(lái)獲得編碼增益。
    (2)超寬帶空時(shí)網(wǎng)格碼譯碼難度大；而其他超寬帶空時(shí)編碼技術(shù)都可以采用簡(jiǎn)單的線性譯碼算法。
    (3)超寬帶空時(shí)分組碼編碼是對(duì)符號(hào)內(nèi)部的脈沖波形進(jìn)行編碼，其他的超寬帶空時(shí)碼不涉及符號(hào)內(nèi)脈沖的編碼。
    (4)超寬帶空時(shí)分組碼采用正交PPM調(diào)制時(shí)可以通過(guò)非相關(guān)能量檢測(cè)解調(diào)出信號(hào)；但采用別的調(diào)制方式時(shí)只能進(jìn)行相關(guān)接收，而超寬帶差分空時(shí)碼系統(tǒng)在采用任何調(diào)制時(shí)都可以進(jìn)行非相關(guān)接收，不需要準(zhǔn)確的信道估計(jì)。