超宽带通信关键技术原理与应用

目录目录…………………1摘要…………………3Abstract……………4第1章概述……………………61.1总述………………………61.2UWB基本原理…………61.2.1

脉冲信号…………1.2.2

UWB调制技术…………………1.3

UWB技术特点…………81.4

UWB发射机和接受机构成框图………91.4.1

UWB发射机构成框图……………1.4.2

UWB接受机构成框图…………1.5

UWB技术应用前景…………………111.6

结束语……………………11第2章MATLAB软件工具简介………………132.1

MATLAB语言概述…………………132.2

MATLAB历史………132.3

MATLAB语言特点…………………142.4

MATLAB仿真…………15第3章

超宽带无线调制技术………………173.1

PPM-TH-UWB调制方式……………173.1.1

跳时超宽带信号产生…………173.1.2

PPM-TH-UWB发射链路………3.1.3

PPM-TH-UWB仿真成果及其分析……………3.2

PAM-DS-UWB调制方式……………223.2.1直接序列超宽带信号产生……223.2.2

PAM-DS-UWB

发射链路……3.2.3PAM-DS-UWB仿真成果及其分析……………3.3OFDM调制技术………273.3.1概述3.3.2多频段OFDM-UWB3.4.3OFDM仿真成果及其分析3.4

总结………………………32第4章性能分析及应用前景…………………334.1脉位调制(PPM)和脉幅调(PAM)……334.2

OFDM调制………………334.3

UWB应用前景………34致谢……………35参考文献………………………36摘要超宽带（UWB，UltraWideBand）无线技术在无线电通信、雷达、跟踪、精准定位、成像、武器控制等众多领域具备辽阔应用前景，因而被以为是将来几年电信热门技术之一。1990年，美国国防部一方面定义了“超宽带”概念，超宽带无线通信开始得到美国军方和政府部门注重。4月，美国FCC通过了超宽带技术商用允许，超宽带无线通信在民用领域开始受到普遍关注。当前“超宽带”定义只是针对信号频谱相对带宽（或绝对带宽）而言，没有界定期域波形特性。因而，有各种方式产生超宽带信号。其中，最典型办法是运用纳秒级窄脉冲（又称为冲激脉冲）频谱特性来实现。超宽带无线电是对基于正弦载波常规无线电一次突破。几十年来，无线通信都是以正弦载波为信息载体，而超宽带无线通信则以纳秒级窄脉冲作为信息载体。其信号产生、调制解调、信号隐蔽性、系统解决增益等方面，具备独特优势，特别是可以在密集多径环境下实现高速传播。由于脉冲持续时间很短，多径分量在时域上不易重叠，多径辨别能力高，通过先进多径分离技术或瑞克接受机，可以充分运用多径分量。当前，典型超宽带无线通信调制方式以TH-PPM、TH-PAM为主，本论文中，简介超宽带无线通信中调制技术，重要讨论TH-PPM、TH-PAM基本原理，并且对比调制技术优缺陷，性能好坏，并进行动态仿真，从仿真图中较清晰研究调制方式，从而得出对的结论，细致研究超宽带无线通信中调制技术。核心字：超宽带调制方式PPM调制PAM调制OFDM调制AbstractUltra-Widebandwirelesstechnologyinradiocommunications，radar，tracking，precisepositioning，imaging，armscontrol，withawiderangeofprospects，isbelievedtobethenextfewyearsoneoftheMostpopulartechnologyfortelecommunications.In1990，Theu.s.DepartmentofDefensefirstdefinestheconceptofultra-widebandnetworking，ultra-widebandwirelesscommunicationbeginstogettheUSMilitaryandGovernmentdepartments.InApril，TheUSFCCpassedtheUWBtechnologycommerciallicense，ultra-widebandwirelesscommunicationincivilianareasareofcommonconcern.Atpresent，thedefinitionofultra-wideband"justfortheesignalspectrumofrelativebandwidth(orabsolutebandwidth)，nodefinitionofthewaveform.Therefore，thereareseveralwaystoproduceultra-widebandsignal.Ofthese，theMosttypicalmethodistousethenanosecondpulsesof(alsoknownasimpulse)spectrumcharacteristics.UWBradioisaradiobasedonconventionalsinusoidalcarrierabreak.Fordecades，wirelesscommunicationsarebasedonsinusoidalcarrierasinformationcarriers，andultra-widebandwirelesscommunicationszeyinarrownanosecondpulsesasinformationcarriers.thesignalgeneration，Modulationanddemodulation，signalhiding，thesystemprocessinggainandsoon，hasuniqueadvantages，inparticular，tothedensemultipathenvironmenttoachievehigh-speedtransmission.Asthepulsedurationisveryshort，Multipathcomponentsoverlapintimedomainisnoteasy，Multi-pathhigh-resolutioncapabilities，advancedMulti-pathThroughseparationorrakereceiver，youcantakefulladvantageofMultipathcomponents.Atpresent，ThetypicalUWBModulationtoTH-PPM，TH-PAM,thisarticledescribesTheUWBwirelesscommunicationmodemtechnology，focusedontheTH-PPM，TH-PAM，andthebasicprinciplesofcomparativeadvantagesanddisadvantagesofModulationtechnology，performance，anddynamicsimulation，fromsimulationfigureinclearerofModulationtoobtainThecorrectconclusion，carefulstudyofultra-widebandwirelesscomunicationModemtechnology.Keywords：UWBModulationPPMModulationPAMModulationOFDMModulation第1章概述1.1总述近几年来,超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大注重。超宽带通信技术以其传播速率高、抗多径干扰能力强等长处成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景技术之一。FCC(美国通信委员会)对超宽带系统最新定义是:相对带宽(在-10dB点处)(fH-fL)/fc>20%(fH,fL,fc分别为带宽高品位频率、低端频率和中心频率)或者总带宽BW>500MHz。它与既有无线电系统比较,在耗费更小制导致本条件下,可以做到更高数据传播速率(100～500MbPs)、更强抗干扰能力(解决增益50dB以上),同步具备极好抗多径性能和十分精准定位能力(精度在cM以内)。1.2UWB基本原理

发射超宽带(UWB)信号最惯用和最老式办法是发射一种时域上很短(占空比低达0.5%)冲激脉冲。这种传播技术称为“冲击无线电(IR)”.UWB-IR又被称为基带无载波无线电,由于它不像老式通信系统中使用正弦波把信号调制到更高载频上,而是用基带信号直接驱动天线输出;由信息数据对脉冲进行调制，同步，为了形成所产生信号频谱而用伪随后序列对数据符号进行编码。因而冲击脉冲和调制技术就是超宽带两大核心所在。1.2.1

脉冲信号

从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级信号源是UWB技术前提条件。当前产生脉冲信号源办法有两类：①光电办法,基本原理是运用光导开关导通瞬间陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源激光脉冲信号可以有很陡前沿,因此得到脉冲宽度可达到皮秒(10-12)量级。此外,由于光导开关是采用集成办法制成,可以获得较好一致性，因而是最有发展前景一种办法。②电子办法,运用微波双极性晶体管雪崩特性，在雪崩导通瞬间,电流呈“雪崩”式迅速增长,从而获得具备陡峭前沿波形，成形后得到极短脉冲。在电路设计中，采用各种晶体管串行级联，使用并行同步触发方式,加快了雪崩过程,从而达到进一步减少脉冲宽度目。单周期脉冲宽度在纳秒级(0.1～1.5ns),重复周期为25～1000ns,具备很宽频谱。实际通信中使用是一长串脉冲,由于时域中信号周期性导致了频谱离散化,周期性单脉冲序列频谱中浮现了强烈能量尖峰。这些尖峰将会对信号构成干扰,通过数据信息和伪随机码来进行编码P调制,变化脉冲与脉冲间时间间隔,可以减少频谱尖峰幅度。1.2.2

UWB调制技术

超宽带系统中信息数据对脉冲调制办法可以有各种。脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是UWB最惯用两种调制方式。w(t)表达发送单周期脉冲，dj，tj分别表达单脉冲幅度和时延。a

PAM-UWBPAM是一种通过变化那些基于需传播数据传播脉冲幅度调制技术。在PAM调制系统中,一系列脉冲幅度被用来代表需要传播数据。任何形状脉冲都是通过其幅度调制使传播数据在{-1，+1}之间变化(对于双极性信号)或在M个值之间变化(对于M元PAM)。增长传播脉冲所占带宽或减少脉冲重复频率,都可以增长一种固定平均功率谱密度UWB系统所能达到吞吐量和传播距离,可以看出这一效果与增长传播功率峰值效果是相似。采用脉冲幅度调制(PAM)超宽带信号:dj是信息序列，Tf是脉冲重复周期。依照dj不同取值，可将PAM调制方式分为如下三种:（1）OOK(发送数据为1,UWB信号幅度为1;发送数据为0，UWB信号幅度为0)；（2）PPAM(发送数据为1,UWB信号幅度为β1;发送数据为0,UWB信号幅度为β2)；（3）BPSK(发送数据为1，UWB信号幅度为1;发送数据为0，UWB信号幅度为-1)。对于这三种方式,在超宽带PAM调制方式中多采用BPSK方式。b

PPM-UWB脉冲位置调制(PPM)又称时间调制(TM),是用每个脉冲浮现位置落后或超前某一原则或特定期刻来表达某个特定信息。二进制PPM是超宽带无线通信系统经常使用一种调制办法,相对其他调制办法来说也是较早使用一种办法。采用PPM一种重要因素是它可以使用零相差有关接受机来接受检测信号,而这种接受机有着非常好性能。采用脉冲位置调制(PPM)超宽带信号波形如下：dj取0或1,δ为调制因子，与脉冲宽度TM(1/Tf)是一种数量级。当发送数据为1时脉冲就会相应滞后一种时延δ。给出了上述四种调制办法信号波形图,对这四种调制方式给出了一种比较直观描述。除了这些对脉冲调制办法外,用伪随机码或伪随机噪声(PN)对数据符号进行编码以得到所产生信号频谱时,依照编码不同即扩频和多址技术不同,超宽带系统又被分为跳时超宽带系统(TH-UWB)、直扩超宽带系统(DS-UWB)、跳频超宽带系统(FH-UWB)和基带多载波超宽带系统(MC-UWB)等。1.3

UWB技术特点

由于UWB与老式通信系统相比,工作原理迥异，因而UWB具备如下老式通信系统无法比拟技术特点:(1)系统容量大。香农公式给出C=Blog2(1+S/N)可以看出,带宽增长使信道容量升高远远不不大于信号功率上升所带来效应,这一点也正是提出超宽带技术理论机理。超宽带无线电系统顾客数量大大高于3G系统。(2)高速数据传播。UWB系统使用上GHz超宽频带,依照香农信道容量公式,虽然把发送信号功率密度控制得很低,也可以实现高信息速率。普通状况下,其最大数据传播速度可以达到几百Mbps～1Gbps。(3)多径辨别能力强。UWB由于其极高工作频率和极低占空比而具备很高辨别率,窄脉冲多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量,因此能充分运用发射信号能量。实验表白,对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB多径环境,UWB信号衰落最多不到5dB。(4)隐蔽性好。由于UWB频谱非常宽,能量密度非常低,因而信息传播安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB设备对于其她设备干扰就非常低。(5)定位精准。冲激脉冲具备很高定位精度,采用超宽带无线电通信,可在室内和地下进行精准定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星可视范畴之内。与GPS提供绝对地理位置不同,超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。(6)抗干扰能力强。UWB扩频解决增益重要取决于脉冲占空比和发送每个比特所用脉冲数。UWB占空比普通为0.01～0.001，具备比其他扩频系统高得多解决增益,抗干扰能力强。普通来说,UWB抗干扰解决增益在50dB以上。(7)低成本和低功耗。UWB无线通信系统接受机没有本振、功放、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器等，因而构造简朴,设备成本将很低。由于UWB信号无需载波,而是使用间歇脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,普通在0.20ns～1.5ns之间,有很低占空因数,因此它只需要很低电源功率。普通UWB系统只需要50～70MW电源,是蓝牙技术十分之一。尽管如此,UWB在技术上面临一定挑战，尚有诸多技术问题有待研究解决,例如需要更好地理解UWB传播信道特点,建立信道模型,解决多径传播;需要进一步研究高速脉冲信号生成、解决等技术;研究新调制技术,进一步减少收发构造复杂度等。1.4

UWB发射机和接受机构成框图1.4.1

UWB发射机构成框图UWB发射机直接发送纳秒级脉冲来传播数据而不需使用载波电路。因此，UWB发射机比既有无线发射设备要简朴得多。TH-UWB发射机构成框图如图1-3所示。图1-3

UWB发射机构成框图调制后数据与伪码产生器生成伪码一起送入可编程延迟电路，可编程延迟电路产生时延控制脉冲信号发生器发送时刻，脉冲信号发生器输出UWB信号由天线辐射出去。脉冲信号产生电路一种核心某些是天线，它作用相称于一种滤波器。1.4.2

UWB接受机构成框图

TH-UWB接受机与发射机类似，两者区别在于接受机基带信号解决器从取样/保持电路中解调数据，基带信号解决器输出控制可编程时延电路，为可编程时延电路提供定期跟踪信号，保证有关器对的解调出数据。图1-4

UWB接受机构成框图1.5

UWB技术应用前景

UWB系统在很低功率谱密度状况下,UWB具备巨大数据传播速率优势,最大可以提供高达1000Mbps以上传播速率,使UWB同其他短距离无线通信系统技术优势非常明显,如表1所示。既有各种无线解决方案(例如802.11,Bluetooth等)速率均低于100Mbit/s,UWB则在10M左右范畴之内打破了这一限制,UWB应用将使人们可以挣脱更多线缆牵绊,通信因而变得更为以便。1.6

结束语

无线通信已经迅速渗入咱们生活当中,对容量不断增长规定需要一种不对既有通信系统导致影响新无线通信方案,超宽带脉冲无线电系统正好满足了这一规定。UWB技术对于无线短距离高速数据通信是非常有竞争力,随着研究进一步,凭借多方面优势,它将在诸多领域占有一席之地。特别是短距离传播后3G领域,UWB将有辽阔发展空间。表1几种短距离无线通信比较工作频率IEEE802.11aBluetoothUWB传输速率2.4GHz2.402～2.48GHz3.1～10.6GHz54Mbps不大于1Mbps不不大于480Mbps通信距离10M～10不大于10发射功率1瓦以上1毫瓦～100毫瓦1毫瓦如下容量空间80kbps/M230kbps/M21000kbps/M2应用范畴无线局域网家庭和办公室互连近距离多媒体终端类型笔记本、台式电脑、掌上电脑、因特网网关笔记本、移动电话、掌上电脑、移动设备无线电视、DVD，高速因特网网关第2章MATLAB软件工具简介2.1

MATLAB语言概述MATLAB是一种科学计算软件，合用于工程应用各领域分析设计与复杂计算，它使用以便，输入简捷，运算高效且内容丰富，很容易由顾客自行扩展。因而，它已成为大学教学和科学研究中最惯用且必不可少工具。MATLAB是“矩阵实验室”（MATrixLABoratoy）缩写，它是一种以矩阵运算为基本交互式程序语言，着重针对科学计算、工程计算和绘图需求。与其她计算机语言相比，其特点是简洁和智能化，适应科技专业人员思维方式和书写习惯，使得编程和调试效率大大提高。它用解释方式工作，键入程序及时得出成果，人机交互性能好，为科技人员所乐于接受。特别是它可适应各种平台，并且随计算机硬、软件更新而用时升级。因而，MATLAB语言是数值计算用得最频繁电子信息类学科工具。它大大提高了课程教学、解题作业、分析研究效率。2.2

MATLAB历史

在1980年先后，美国CleveMoler博士在NewMexico大学讲授线性代数课程时，发现应用其她高档语言编程极为不便，便构思并开发了MATLAB（MATrixLABoratory，矩阵实验室），它是集命令翻译、科学计算于一身一套交互式软件系统，通过在该大学进行了几次试用之后，于1984年推出了该软件正式版本。它是以知名线性代数软件包LINPACK和特性计算软件包EISPACK中子程序为基本发展而成一种开放型程序设计语言，其基本数据单元是一种维数不加限制矩阵，这就容许顾客可以依照数值计算问题复杂程序，对问题进行分段甚至逐句编程解决，显然这与C、FORTRAN等老式高档语言完全不同。在MATLAB下，矩阵运算变得异常容易，日后版本中又增添了丰富多彩图形图像解决及多媒体功能，使得MATLAB应用范畴越来越广泛，Moler博士等一批数学家与软件专家组建了名为MaTHWorks软件开发公司，专门扩展并改进MATLAB。为了精确地把一种控制系统复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步分析与仿真，1990年MaTHWorks软件公司为MATLAB提供了新控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为SIMULAB，该工具不久在控制界得致函广泛使用。但因其名字与知名软件SIMULA类似，因此在1992年正式改名为SIMULINK。此软件有两个明显功能：仿真与连接，亦即可以运用鼠标在模型窗口上画出所需控制系统模型，然后运用该软件提供功能来对系统直接进行仿真。很明显，这种做法使得一种很复杂系统输入变得相称容易。SIMULINK浮现，更使得MATLAB控制系统仿真与其在CAD中应用打开了崭新局面。2.3

MATLAB语言特点

MATLAB语言有如下特点。(1)

起点高每个变量代表一种矩阵，以矩阵运算见长。当前科学计算中，几乎无处不用矩阵运算，这使它优势得到了充分体现。(2)

人机界面适合科技人员MATLAB语言规则与笔算式相似。MATLAB程序与科技人员书写习惯相近，因而，易写易读，易于在科技人员之间交流。矩阵行列数无需定义。MATLAB不必有阶数定义，输入数据行列数就决定了它阶数。键入算式及时得到成果，无需编译。MATLAB是以解释方式工作，即它对每条语句解释后及时执行，若有错误也及时做出反映，便于编程者及时改正。这些都大大减轻了编程和调试工作量。(3)

强大而简易做图功能能依照输入数据自动拟定坐标绘图，能规定各种坐标系，（极坐标系、对数坐标系等），能绘制三维坐标中曲线和曲面，可设立不同颜色、线型、视角等。如果数据齐全，普通只需一条命令即可出图。(4)

智能化限度高绘图时自动选取坐标，大大以便了顾客；做数值积分时自动按精度选取步长；自动检测和显示程序错误能力强，易于调试。(5)

功能丰富，可扩展性强MATLAB软件涉及基本某些和专业扩展两大某些。基本某些涉及矩阵运算和各种变换、代数和超越方程求解、数据解决和傅立叶变换及数值积分等等。可以充分满足大学理工科学生计算需要。扩展某些称为工具箱。它事实上是用MATLAB基本语句编成各种子程序集，用于解决某一方面专门问题，或实现某一类新算法。当前已有控制系统、信号解决、图像解决、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等工具箱，并且向公式推导、系统仿真和实时运营等领域发展。MATLAB核心内容在于它基本某些，所有工具箱子程序都是用它基本语句编写。2.4

MATLAB仿真

通过运用所学理论知识，建立一种完整、精确需求阐明，清晰、精确地提出仿真实验所要解决问题。对所提出仿真系统给出详细定义，明确系统中模块、系统构成、模块之间互有关系，系统输入输出、边界条件以及系统约束条件，并明确仿真所要达到目的。依照仿真系统分析成果，拟定系统中参数、变量及其互之间关系，并以数学形式将这些关系描述出来，从而构成仿真系统数学模型。数学建模是系统仿真中最核心一步，所建立数学模型必要尽量精确地反映所关怀真实系统特性，而又不能过于复杂，以免减少模型效率，增长不必要计算过程，即建模需要依照求解问题规定，在模型近似限度与复杂限度之间折中。电子与通信系统数学模型普通以方框图形式或数学方程形式来表达。依照建立数学模型所需要数据元素，收集与模型系统关于数据。依照数学模型建立系统计算机仿真模型，收集数据，拟定其中各子模块构造，输入输出接口，输入输出数据表达形式，数据存储方式等。然后编制相应程序流程，用MATLAB语言实现。仿真模型验证目是拟定计算机仿真模型与否精确表达了数学模型。仿真模型验证普通办法是将数学模型解析成果（或理论成果）与仿真所得到数值成果相比较来完毕；或通过已知系统输入输出成果，对比在相似条件下系统仿真成果来验证仿真模型对的性。依照仿真实验设计方案，让计算机执行计算，并在执行计算过程中理解仿真模型对于各种不同输入信号以及不同参数和仿真机制下输出，得出实验数据，从而预测系统在实际环境中运营状况。对仿真模型运营阶段所产生数据进行分析，其目是从运营阶段所产生数据中找出系统运营规律，对仿真系统性能做出评价，为系统方案最后决策提供辅助支持。对仿真成果进行分析，对仿真数据可靠性、一致性、置信度等做出鉴定，最后将仿真成果以曲线、图表和文字等形式形成论文。第3章超宽带无线调制技术发射超宽带（UWB）信号最惯用和最老式办法是发射时域上很短脉冲。这种传播技术称为“冲激无线电”（IMpulseRadio,简写为IR）。信息数据符号对脉冲进行调制，其调制方式可以有各种。脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）是最惯用两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生信号频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声（PN）对数据符号进行编码。普通是，编码后数据符号引起脉冲在时间轴上偏移，这就是所谓跳时超宽带（TH-UWB，TiMe-HoppingUWB）。直接序列扩谱（DS-SS）就是编码后数据符号对基本脉冲幅度进行调制，这在冲激无线电（IR）中被称为直接序列超宽带（DS-UWB，DIRect-SequenceUWB），这种调制方式似乎非常有吸引力。对于超宽带信号，也可以通过很高数据速率来产生而主线不需要具备脉冲特性。只要UWB定义所规定相对带宽或最小带宽在整个传播过程中得到满足，那么，靠发射高速率数据而不是窄脉冲所产生具备UWB射频带宽系统，就不应当被排除在UWB系统之外。诸如正交频分复用（OFDM），在数据速率恰当状况下也可产生UWB信号。因而，OFDM也是一种超宽带调制方式。本文重要讨论TH-UWB、DS-UWB和OFDM调制方式。3.1

PPM-TH-UWB调制方式3.1.1

跳时超宽带信号产生在结合了二进制PPMTH-UWB(二进制PPM-TH-UWB或PPM-TH-UWB)中，UWB信号产生可以系统地描述如下(参见图4-1描绘发射链路)。

SHAPE

/*MERGEFORMAT

图3-1PPM-TH-UWB信号发射方案给定待发射二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率Rb=1/Tb(b/s)，图3-1中第一种模块使每个比特重复Ns次，产生一种二进制序列：

(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=(...,a0,a1,…aj,aj+1,…)=a新比特速率Rcb=Ns/Tb=1/Ts(b/s)。这个模块引入了冗余，其实是一种被称为重复码(Ns,1)分组编码器。普通术语上称为信道编码。第二个模块是传播编码器，就是应用整数值码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二进制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),产生一种新序列d，序列d普通元素表达式如下：

dj=cjTc+aj

（3-1）式中,Tc和

是常量，对所有cj满足条件cjTc+

<Ts，普通

<Tc。这里d是一种实数值序列，而a是二进制序列，c是整数值序列.当前咱们遵循最惯用办法，假定c是公司界随机码序列，它元素cj是整数，且满足0

cj

Nh-1。码序列c也许为周期序列，其周期表达为Np。两种特殊状况值得讨论。第一种,码是非周期，即；第二种是Np=Ns，这是最惯用一种，这时编码周期与二进制码重复次数相等。咱们必要紧记：传播编码扮演了码分多址编码和发射信号频谱形成双重角色。实数值序列d输入到第三个模块，即PPM调制模块，产生了一种速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts(脉冲/s)单位脉冲(DIRacpulses

)序列。这些脉冲在时间轴上位置为，因而脉冲位置在jTs基本上偏移了dj，注意是码序列对c信号引入了TH位移，也正由于此，c被称为TH码。还要注意一点就是由PPM调制引起位移，普通比TH码引起位移cjTc小得多，即：，cj=0除外。Tc称为码片时间(chiptiMe)。最后一种模块是脉冲形成滤波器，其冲激响应为。必要保证脉冲形成滤波器输出脉冲序列不能有任何重叠。

以上所有系统级联后来输出信号

比特间隔或比特持续时间，也即用于传播一种比特时间Tb，可表达为：Tb=Nsts。在式(4-2)中，cjtc定义了脉冲随机性或者说是相对于Ts整数倍时刻抖动。如果用随机TH抖动来表达由TH编码cjtc引起时间上位移，并假定在0和

之间分布，

正如前面提到，普通远不不大于

。这两个量整体效果是产生一种分布在0和

之间时间随机位移量，用表达这个时间随机位移，可得发射信号如下表达式：更普通性地概括式(4-2)所示信号，其思想是：对于信息比特“0”和“1”，可以发射两个不同脉冲波形和来分别表达。上面分析PPM调制例子，引入了这个时间位移量，它值依照它所代表比特而有所不同，其实是上述思想特殊例子，其中是

位移后来波形。一种更普通表达式：当将设立为-时，式(4-5)也表达了PAM和TH-UWB结合，即PAM-TH-UWB模型。3.1.2

PPM-TH-UWB发射链路

系统模型如图3-2所示SHAPE

/*MERGEFORMAT

图3-2

PPM-TH-UWB发射器系统模型图3-2中第一种模块表达二进制源。这个模块输出是发射到物理信道二进制流。第二个模块表达重复码编码器。二进制流每一种比特都被重复次。第三个模块仿真TH编码和二进PPM。这里考虑伪随机TH码。最后一种模块是脉冲形成。这个模块冲激响应表达要发射UWB信号基本脉冲波形。3.1.3

PPM-TH-UWB仿真成果及其分析

图（3-3）显示了参数设立如下时所产生UWB信号

以dBM为单位平均发射功率Pow，信号抽样频率fc，由二进制源产生比特数nuMbits，

平均脉冲重复时间Ts（单位为秒），每个比特映射脉冲数Ns，

码片时间Tc（秒），

跳时码码元最大值Nh和周期Np，冲激响应持续时间TM，脉冲波形形成因子tau（秒），

PPM时移dPPM（秒）。Stx：Pow=-30,

fc=50e9,

nuMbits=2,

Ts=3e-9,

Ns=5,Tc=1e-9,

Nh=3,

Np=5,

TM=0.5e-9,

tau=0.25e-9,dPPM=0.5e-9

由图3-3中可以看到输出序列前五个脉冲在其相应时隙中间位置，而后五个脉冲则在其相应时隙起始位置。

图3-3

PPM-TH-UWB发射机产生信号图3-4

PPM-TH-UWB幅度谱由图4-4可以看出，TH编码和PPM调制都对幅度谱高斯形状产生扭曲。PPM-TH-UWB信号幅度谱将完全包括在无TH编码和无PPM调制幅度谱包络中，这是由于以同样形状和同样平均功率传播等间隔脉冲成果。

3.2

PAM-DS-UWB调制方式3.2.1直接序列超宽带信号产生直接序列扩谱（DS-SS）是一种知名数字调制方式。这里，咱们先回顾DS-SS基本原理，并把重要精力放在它在UWB延伸方面。具备UWB特性信号可以通过下面过程产生：一方面，用伪随机码或二进制PN码序列对要发射二进制进行编码；另一方面，对一串窄脉冲进行幅度调制。这一过程可以看做是当前使用DS-SS系统一种极端方式，此时脉冲在时域上是具备典型时间奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远不大于切普间隔，很容易得到DS-SS-UWB解析表达式。在老式DS-SS系统中，RF发射信号是对载波进行幅度调制后得到，普通使用二进制相移键控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果没有专门规定，这一过程可省略。更详细地，上述信号可以通过如下过程产生（见图所示发射链路）。

SHAPE

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图3-5

PAM-DS-UWB信号发射方案假定待发射二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率为Rb=1/Tb(b/s)，图4-5中第一种系统将每个比特重复Ns次，得到序列：(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=a*，其速率为Rcb=Ns/Tb=1/Ts(b/s)。与TH方式相似，系统引入冗余相称于一种参数为(Ns,1)重复码编码器。第二个系统将a*序列转换成只具有正值和负值元素序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)发射编码器将一种由1构成、周期为Np二进制码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)应用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，产生一种新序列d=a·c，其构成元素dj=ajcj。普通假定Np等于Ns，更具普通性假定是Np等于Ns整数倍。注意，序列d元素值为1，这一点与序列a相似，其速率为Rc=Ns/Tb=1/Ts(b/s)。序列d进入第三个系统——PAM调制器，产生一种速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts

（脉冲/s）单位脉冲（DIRac脉冲

）序列，其位置在jTs处。调制器输出信号进入冲洲响应为p(t)脉冲形成滤波器。在老式DS-SS系统中，冲激响应p(t)是持续时间为Ts矩形脉冲。而在DS-UWB系统中，与TH方式相似，p(t)是持续时间远不大于Ts脉冲。注意，与TH方式相似，比特间隔或比特持续时间，即传播一种比特所用时间是Tb=NsTs。输出波形显然是一种PAM波形。很容易懂得，由于没有时移并且脉冲以规则时间间隔浮现，计算式(3-6)所示信号PSD要比计算式(3-2)所示信号PSD更容易。上述方式一种变形是使用PPM调制器代替PAM调制器由于码伪随机特性，编码会起到白化频谱作用。3.2.2

PAM-DS-UWB

发射链路

其系统模型如图3-6所示.

SHAPE

/*MERGEFORMAT

图3-6

PAM-DS-UWB发射机系统模型图3-6中前两个模块分别表达二进制源和重复码编码器。第三个模块是在重复码编码器输出端实现DS编码和二进制PAM调制。咱们考虑伪随机DS码，分派给普通顾客是长度为NP二进制码序列。最后一种模块是脉冲形成器。PAM-DS-UWB仿真成果及其分析图3-7由PAM-DS-UWB发射机产生信号图（3-7）显示了参数设立如下时所产生UWB信号

以dBM为单位平均发射功率Pow，信号抽样频率fc，由二进制源产生比特数nuMbits，平均脉冲重复时间Ts（单位为秒），每个比特映射脉冲数Ns，

码片时间Tc（秒），跳时码码元最大值Nh和周期Np，冲激响应持续时间TM，脉冲波形形成因子tau（秒），PPM时移dPPM（秒）。Stx：Pow=-30,

fc=50e9,

nuMbits=2,

Ts=2e-9,

Ns=10,

Np=10,

TM=0.5e-9，

tau=0.25e-9,这个信号由两组脉冲序列构成，每组包括10个脉冲，每组映射信息源一种比特。从图4-7中可以看出每二组10个脉冲与第一组10个脉冲在极性上是相反。图4-8

PAM-DS-UWB幅度谱由图4-8可以看出，幅度谱包络具备基本脉冲傅氏变换形状，即高斯形状。且Np（信号每比特发射脉冲数）值越大，图形分布越宽，即幅度峰值越小。

3.3OFDM调制技术3．3．1概述多频带（MB）方式与本章前两节分析研究IR原理不同。依照，FCC发布UWB定义，带宽超过500MHz信号都是UWB信号。因而，按照FCC规定频带范畴3.1~10.6GHz，将此7.5GHz带宽分割成最小带宽为500MHz若干个频带。为了尽量减小同窄带通信系统互相干扰，UWB采用较小功率，于是UWB信号对于窄带通信系统来说相称于热噪声，并不被窄带通信系统接受机检测到，也可以避免特定频带上非人为干扰。在每个子频带内可以使用不同数据调制类型，并不一定要用IR方式，对的频谱带宽可以通过适当比特速率实现。应用最广泛是众所周知正交频分复用（OFDM）。3．3．2多频段OFDM-UWB信号产生

一种已调OFDM信号由调制在不同载波频率上同个并行发射信号构成。这些载波等间隔地位于频域上，其间隔为。OFDM调制器输入二进制序列每K比特编为一组，以产生具备N个符号数据块,这里假定是L个也许取值中一种，K=N1bL。最后，每个符号调制一种不同载波。为了并行传播数据块N个符号，不同调制载波信号在频率上必要正交。所有调制器使用相似矩形波，其持续时间为T。如果符号在星座图中点用OFDM信号中有N个符号数据块，而相应复包络，S（t）是周期为T0周期函数。OFDM信号数字变换相称于传播式中复数包络抽样值，也就是说传播序列tc是抽样周期。仿真OFDM调制信号，考虑是OFDM各个载波使用QPSK调制状况。仿真整个发射链路，产生式（4-9）信号。3．3．3

OFDM仿真成果及其分析要发射总比特数numbits；调制信号中心频率fp；抽样频率fc;每个符号在其相应载波上传播时间T0；循环前缀持续时间TP；保护间隔时间TG,矩形脉冲响应幅度为A，OFDM系统子载波数N。(1)

nuMbits=8；

fp=1e9;

fc=50e9;

T0=242.4e-9；TP=60.6e-9;

TG=70.1e-9;

A=1;

N=4；图3-9

OFDM-UWB信号图3-10OFDM-UWB幅度谱图3-10中幅度谱由子载波幅度谱叠加而成。(2)nuMbits=8；

fp=1e9;

fc=50e9;

T0=242.4e-9；TP=0;

TG=50e-9;

A=1;

N=2;

图3-11OFDM-UWB信号图图3-11OFDM-UWB信号幅度谱对比以上两图，可以看出，在同样时间里为了传播更多符号，是以增长带宽为代价，也就是增长子载波数量。3.4

总结

通过一系列仿真,咱们可以得出如下结论:PAM、PPM两种调制办法重要是为了进行信息数据符号对脉冲调制，而信号中伪随机TH码和DS码重要是为了产生信号频谱，使信号功率谱密度在采用伪随机码调制后变得更加平滑，不能干扰到其他已经存在窄带系统。OFDM具备良好抗多径干扰性能，通过频率合理选取，可以同现存窄带系统和开放频段通信系统具备较好共存性，同老式超宽带系统相比有很大优势。

第4章性能分析及应用前景4.1脉位调制(PPM)和脉幅调制(PAM)脉位调制(PPM)是一种运用脉冲位置承载数据信息调制方式。按照采用离散数据符号状态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制(MPPM)。在这种调制方式中，一种脉冲重复周期内脉冲也许浮现位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一相应。依照相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为某些重叠PPM和正交PPM（OPPM）。在某些重叠PPM中，为保证系统传播可靠性，普通选取相邻脉位互为脉冲自有关函数负峰值点，从而使相邻符号欧氏距离最大化。在OPPM中，普通以脉冲宽度为间隔拟定脉冲位置。接受机运用有关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统复杂度和功率限制，实际应用中，惯用调制方式为2PPM或2OPPM。PPM长处在于：它仅需要依照数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性控制，便于以较低复杂度实现调制与解调。因而，PPM是UWB系统广泛采用调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高离散谱线。对此超宽带信号幅度谱仿真也证明了这一点。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱规定。脉幅调制（PAM）是数据通信系统最为惯用调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不适当采用多进制PAM（MPAM）。UWB系统惯用PAM有两种方式：开核心控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）。前者可以采用非相干检测减少接受机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传播可靠性。