（信号与信息处理专业论文）基于混沌序列的超宽带传输参考接收机研究.pdf

摘要 超宽带无线通信技术具有高传输速率、高带宽、抗多径干扰、低功耗、易于全数 字化等诸多优点，目前已成为中短距离高速数据传输的首选方案。而接收机技术是超 宽带系统的一个核心内容，是目前该领域的一个重要研究方向。 r a k e 接收机因其能很好的收集多径，提高接收性能而成为超宽带最常用的一种接 收方式。但由于超宽带信号自身的特点，使超宽带系统中r a k e 接收机的设计比其它系 统复杂，因此，超宽带传输参考通信技术越来越受到人们的关注。本文主要针对超宽 带传输参考接收机模板信号包含噪声的问题，在研究基本超宽带传输参考接收机和平 均传输参考接收机的基础上，引入了一种基于p n 序列的超宽带传输参考接收机结构， 重点分析了该接收机的原理及性能，并将优选后的混沌序列应用到该接收机中，通过 仿真验证，得出结论：改进的自相关接收机性能相比基于p n 序列的超宽带传输参考接 收机有很大提升。 关键字：超宽带接收机传输参考接收机混沌 i i a b s t r a c t u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a ss e v e r a ia d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hd a t ar a t e ，l a r g es i g n a lb a n d w i d t h ，h i i 曲r o b u s t n e s si nm u l t i p a t he n v i r o n m e n t s ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt oe n t i r ed i g i t i z a t i o na n ds oo n ，s oi th a sb e c o m et h ep r e f e r r e d s c h e m ef o rt h et r a n s m i s s i o no fm i d a n d s h o r td i s t a n c eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o na t p r e s e n t a n dt h er e c e i v e rt e c h n o l o g yi sa c o r ec o n t e n to fu w b s y s t e m ，t h e r e f o r eh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l dn o w r a k er e c e i v e ri sm o s t l yu s e dd u r i n gt oi t sg o o dc o l l e c t i n gr e s o l v a b l em u l t i p a t h c o m p o n e n t sa n dt h ei m p r o v e m e n to fr e c e i v i n gp e r f o r m a n c e b u tc o m b i n gm a n yp a t h su s i n g ar a k er e c e i v e rs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h ec o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o n t oo v e r c o m et h e s e d i f f i c u l t i e s ，t r a n s m i t t e dr e f e r e n c eu w bh a sr e g a i n e dp o p u l a r i t y t h em a i nr e s e a r c ho ft h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h en o i s ec o r r e l a t i o nt e m p l a t e ，a n db a s e so nt h er e s e a r c ho ft h eb a s i c t r a n s m i t t e dr e f e r e n c e ( t r ) r e c e i v e ra n dt h ea v e r a g et r a n s m i t t e dr e f e r e n c e ( a a x ) r e c e i v e r , a n e wt r a n s m i t t e dr e f e r e n c er e c e i v e ri sp r o p o s e db yr e p l a c i n gt h er e p e t i t i v er e f e r e n c ep u l s e s w i t hm u l t i p l es h o r tp s e u d o r a n d o mr e f e r e n c ep u l s es e q u e n c e s ( p n t r ) w i t ht h ep r i n c i p l e r e s e a r c ha n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s i na d d i t i o n ，a l lo p t i m i z e dc h a o t i cb i n a r ys e q u e n c ei s u s e di nt h i st r a n s m i t t e dr e f e r e n c es y s t e mt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e ，a n dt h e np r o v ei tb y s i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , w ed r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ei m p r o v e dp n t rh a sam u c h b e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h ep n t r k e yw o r d s ：u l t r aw i d e b a n d ，r e c e i v e r , t r a n s m i t t e dr e f e r e n c er e c e i v e r , c h a o t i cs e q u e n c e i i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于混沌序列的超宽带传输参考接 收机研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 互月丛日 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。 作者签名：丝篮豸垫醴年兰月丝日 指导导师签名：年三月函 第一章绪论 随着因特网、多媒体和无线通信技术地发展，人们与信息网络已经密不可分，人 们对实现高速率、高质量无线多媒体业务地要求越来越迫切，便携式电子设备与因特 网之间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。为构建短距 离高速无线网络，国际上提出了无线个人局域网( w p 删) 的概念。在w p a n 无线传 输技术中，继蓝牙、8 0 2 1 1 a b 之后，超宽带( u w b ) 成为一项最具有竞争力的热门技 术。 1 1u w b 通信技术简介 1 1 1u w b 的概念 传统u w b 通信是一种无载波通信技术，又叫做冲激无线电( i r ，i m p u l s e r a d i o ) ， 它利用皮秒至纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，这与 此前的无线通信截然不同。“超宽带 概念首先由美国军方于1 9 9 0 年提出【l 】，而后美国 联邦通信委员会( f c c ) 又对其定义做了必要的补充。2 0 0 2 年2 月，f c c 批准限用于 雷达的超宽带技术可运用于民用产品上，同年4 月，批准将3 1 g h z 和1 0 6 g h z 之间的 免授权频段分配给u w b 使用，并给出了“超宽带”的两种定义：信号的相对带宽( 信 号频谱的带宽与中心频率之比，又称为相对带宽) 大于2 0 ，或者绝对带宽大于等于 5 0 0 m h z 。其中，部分带宽为信号功率谱密度在1 0 d b 处测量的值 2 1 。 相对带宽的定义为： 相对带宽：f 丝：五二五 ( 1 1 ) 去( 厶+ 五) 几 二 式中，厶和无分别表示信号的上限频率和下限频率，f c = ( 厶+ f l ) 2 ，定义为信 号的中心频率。 1 1 2u w b 通信的基本原理 信息论中著名的“香农( c e s h a n n o n ) 公式3 】”是超宽带通信的理论基础，即： ，c r 、 c = b l o g l l + 三l ( 1 2 ) 。 上式反映了信道容量c 、传输带宽b 和信噪比s n 三者之间的相互转换关系。可以看 出，信道容量主要由三个要素决定，即：b 、s 和n ，若三要素确定了，那么信道容量 也就确定了。现代通信系统中，人们对于信道容量的要求越来越高，因此，可以通过 增加信道的带宽，提高信号的功率或是减少噪声的功率来达到提高信道容量的目的。 由式( 1 2 ) ，信道容量c 与信道带宽b 呈线性增长，而与信号功率s 却呈较为缓慢的 对数增长，因此增加信号的带宽比增加信号的功率更为有效。当信道容量c 保持不变 时，信号带宽与信噪比之间存在着互换关系，即增加带宽b 可以降低对信噪比的要求， 而减小带宽b 可以增加信噪比。 u w b 信号的带宽一般高达数g h z ，与其相比传统的扩频通信只能算是一种“窄带 通信体制，这样不仅可以降低对信噪比的要求，而且相对于扩频信号来说还可以继续 增加信道容量。从香农公式( 1 2 ) 可以看出，u w b 具有高容量无线通信的潜力。 1 1 3u w b 的技术特点与应用 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理有着本质上的不同，因此，与传统通 信系统相比，u w b 主要具有以下技术特点【4 l ： ( 1 ) 低耗电量：通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此， 要消耗一定电能。而u w b 不使用载波，所以消耗电能少。 ( 2 ) 不易产生干扰：由于u w b 的脉冲非常短，频段非常宽，因此能避免多路径 传输的信号干扰。 ( 3 ) 高速的数据传输：目前第一代的u w b 产品已经达到1 0 0 m b p s ，它可以让电 脑或其它电子通信产品之间通过无线互传信息，目前在实验室，u w b 无线传送装置已 经可以进行速率为4 8 0 m b p s 的数据传送，比蓝牙高得多。 ( 4 ) 安全性能好：u w b 保密性表现在两个方面：一方面是采用跳时扩频，接收 端必须知道传送端的脉冲序列，方能正确收到信号；另一方面是系统的发射功率谱密 度极低，用传统的接收机无法接收。 ( 5 ) 多径分辨能力强：由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且 占空比极低，多径信号在时间上可分离，所以可以充分利用发射信号的能量。 ( 6 ) 芯片成本低：由结构上来看，u w b 芯片所需的成本应低于使用载波传输的 无线通讯技术。 u w b 技术主要有以下几个方面的应用【5 】： ( 1 ) 高速率数据传输网络。u w b 设备一个突出特点就是数据速率高、距离较近。 这一特点可以用于家庭、办公室、学校和远程医疗等方面。在军事上，可以用于无线 手持设备和网络无线电、非视距地表面波通信等。 ( 2 ) 雷达系统。由于u w b 系统的高分辨特性，可以用于汽车防撞雷达系统。利 用u w b 信号的穿透特性可以实现穿墙或地下成像，用于探测和救援搜索。军事上可 以用于入侵检测、无人驾驶车辆和飞机、动态感应地雷等方面。 ( 3 ) 精确定位和跟踪。利用多个u w b 节点结合波到达时差等技术，可以构成移 动节点精确定位和跟踪系统。特别适合用于室内封闭环境，g p s 系统无法应用的情况， 而且u w b 系统的定位精度要高于g p s 系统。未来，两种定位方式结合还可以实现全 球无缝定位。军事上可以用来对每个移动战斗岗位或武器安全进行监控。 ( 4 ) 无线以太网接口。在室内短距离范围内u w b 设备可以构成无线高速以太网 络，传输速率可以达到g b p s 。在室外可以为公共w l a n 和i n t e m e t 服务提供公共交通 2 和低速移动终端的无线接入服务，实现公共网络的无缝覆盖。 ( 5 ) 室外端到端网络。室外u w b 设备可以构成无线网络，实现p d a 等便携无 线设备的信息下载。还可以与汽车雷达设备结合实现对车辆的精确定位和交通安全管 理。 ( 6 ) 低速传感器网络、定位与识别系统。利用u w b 系统低功耗、处理增益大等 特点，可以应用于无线传感器网络。此类系统一般工作在工厂或商店等复杂的环境中， 覆盖面积较大( 典型约为l o o m 2 ) ，传输定位信息速率较低( 典型约为几百k b p s ) ， 定位精度较高( 1 m 之内) ，对链路可靠性和网络拓扑变化适应性的要求较高，每个节 点的发射功率很小，一般采用a d h o c 网络方式。 1 2 超宽带的历史背景 超宽带技术在无线电发展史上并不是第一次出现。最早的超宽带无线电技术可以 追溯到1 8 9 4 年马可尼发明的无线电报机，当时的莫尔斯码就是通过火花隙发报机发射 出去的。其后基于正弦载波的无线电技术逐渐占据了主要地位，在无线电通信技术上 得到广泛应用。现代意义上超宽带无线技术的研究工作出现在上世纪六十年代， h a r m u t h 、r o s s 和r o b b i n s 等人开始了先行的研究，到了上世纪七十年代，由于电子元 器件的发展，使得超宽带雷达和通信系统有了最初的发展，世界上第一个基于超宽带 技术的探地雷达于19 7 4 年产生。美国的多带公司( m u l t i s p e c t r u ms o l u t i o ni n c ，m s s i ) 、 时域公司( t i m ed o m a i nc o r p ) 等相继于上个世纪八十年代成立，陆续推出了一系列 服务于军用的超宽带通信和雷达设备，使得超宽带技术在军事应用上得到了极大发展。 直到上个世纪九十年代，超宽带技术转向民用。自19 9 3 年r a s c h o l t z 的论文 6 1 提出了跳时多址的脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 的概念以来，i r u w b 技术引起了 学术界广泛的关注，由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力， 对于超宽带无线通信的研究逐渐深入的开展起来。2 0 0 2 年4 月美国联邦通信委员会 ( f c c ) 正式解除超宽带技术在民用领域的使用限制后，学术研究、频谱规划、芯片 开发、样机研制和工业标准化活动迅速活跃起来。许多著名大学和跨国公司，如斯坦 福、南加州、乔治亚等大学，i n t e l 、a t & t 、德州仪器( t i ) 、摩托罗拉、i b m 、s o n y 等公司都在超宽带通信领域积极投入大量科研力量，成立了多个超宽带研究机构或超 宽带技术产业联盟，如u w bf o r u m 、m b o a 等。2 0 0 2 年5 月，美国电子与电气工程 师协会( i e e e ) 召开了超宽带科学与技术第一次专业性国际会议。2 0 0 2 年底，i e e e 权威学术刊物j o u r o f s e l e c t e d a r e ao nc o m m u n i c a t i o n s 出版了超宽带专辑。标准化组织 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组将超宽带技术作为高速率w p a n 接入的技术方案； i e e e 8 0 2 1 5 4 a 工作组和z i g b e e 联盟也把超宽带技术作为具有定位功能的低速w p a n 的另一接入方案。虽然在2 0 0 6 年初，由摩托罗拉等公司倡导的d s u w b 技术提案与 3 由i n t e l 公司倡导的m b o f d m 技术提案因长期相持不下，导致i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组 解散，但超宽带通信技术在未来短距高速互联和w p a n 领域扮演重要角色这一事实无 人置疑。 1 3 超宽带的研究现状 在国外，对于u w b 的研究较早，最初主要是军用超宽带无线通信技术的研究和 开发，现今在商用无线通信、定位方面也展开了研究。在u w b 研究公司方面，美国 的公司与研究机构最多，英特尔公司主要研究用于p c 联网的u w b 通信装置的产品。 t i m ed o m m n 公司在u w b 领域非常活跃，申请了包括芯片组、板级装置和应用系统等 专利，在无线通信、精确定位和跟踪以及便携雷达装置等技术上均有专利。m u l t i s p e c t r a l s o l u t i o n s 有限公司主要研究通信网和数据链路、u w b 防撞雷达、精确定位系统等，还 有其它一些公司研究和生产u w b 技术的相关产品。在学术研究上美国的加洲伯克利 大学“伯克利超宽带研究小组 主要研究在传统的c m o s 技术上实现u w b 收发器； 南加洲大学“超宽带无线电实验室主要研究u w b 传播、天线测量与建模、u w b 与 其它无线通信的共存问题、用户芯片和电路设计问题等。 美国在u w b 上的积极投入，引起欧盟和日本的重视，也纷纷开展研究计划。由 w i s a i r 、p h i l i p s 等六家公司和团体，成立了u l t r a w a v e s 组织，对家庭内u w b 在a v 设 备高速传输的可行性进行研究。s t m i c r o 、t h a l e s 集团和摩托罗拉等1 0 家公司和团体 则成立了u c a n 组织，利用u w b 实现w p a n 的技术，包括物理层、m a c 层、路由 与硬件技术等。p u l s e r s 是由位于瑞士的i b m 研究公司、英国的p h i l i p s 研究组织等 4 5 家以上的欧盟研究团体组成，研究u w b 的近距离无线接入技术和位置测量技术， 目前已经进入第二阶段的研究计划。日本在2 0 0 3 年元月成立了u w b 研究开发协会， 共计有4 0 家以上的业者和大学参加，并在同年3 月构筑u w b 通信试验设备。多个研 究机构可在不经过核准的情况下，先行从事研究。 目前，各大研发机构一方面加紧超宽带集成电路芯片的开发工作，另一方面与应 用部门紧密结合组建产业联盟，频频在多种场合进行超宽带应用演示，力图形成事实 标准。目前的超宽带技术应用开发和演示工作还主要集中在点对点高速互联上，如无 线u s b 、无线1 3 9 4 、无线硬盘等。与超宽带研究相关的一个较大规模的研究项目是2 0 0 3 年美国d a r p a 启动的为期4 年，耗资3 0 0 0 万美元的n e t e x 计划，重点研究在极端 环境下基于超宽带通信技术的无线传感器网络。目前，n e t e x 计划已经完成了原理验 证阶段，进行了通信链路仿真和设计、信道建模和干扰评估分析等多项工作，正在开 展多址接入、组网方面的工作。 我国u w b 的研究工作起步于2 0 世纪7 0 年代，最初研究的重点是u w b 雷达系统， 该方面的研究在1 9 9 0 年前后达到一个高潮，为u w b 通信技术的研究奠定了良好的基 4 础。 我国人口众多，商业经济活动非常密集，在频谱资源十分珍贵的情况下，短距离 宽带无线通信的地位日趋重要，其各种应用将拥有巨大的市场，我国8 6 3 计划也对此 项技术给予关注。2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主题研究项目中， 把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的 研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。2 0 0 3 年底完成了第一期预先研究， 2 0 0 6 年初完成了第二期研究计划。参加单位东南大学、中国科学技术大学、清华大学 都研制成功了各自的超宽带无线传输演示系统，如东南大学研制的d c o f d mu w b 无 线传输演示系统在1 0 米距离实现最高1 1 0 m b p s 的无线传输，中国科学技术大学实现的 i r - u w b 无线传输演示系统在3 米距离实现最高脉冲速率4 0 0 m b p s 的无线传输，清华 大学实现的m b o k u w b 无线传输演示系统在3 米距离实现7 5 m b p s 的无线传输。此 外，在2 0 0 4 年，我国又将超宽带无线电接入理论与关键技术列入国家自然科学基金项 目，加大研究力度且力求在该领域取得理论和关键技术的突破，构建超宽带无线网络 严实系统，为新一代高速移动p a n 的构建奠定基础。 在国家的引导下，为推动超宽带的发展，2 0 0 4 年9 月成立了“中国超宽带无线技 术论坛”。目前论坛资格会员包括清华大学、北京大学、北京邮电大学、f r e e s c a l e 半导 体公司、摩托罗拉、青岛海尔科技有限公司、海信集团有限公司、中国科学院计算机 所等国内外研究机构和著名公司。我国国家无线电监测中心也与北京邮电大学等合作 设立相应的研究课题，对制定我国相应的技术标准以及电磁兼容等方面的问题具有重 要义。2 0 0 5 年，飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 和海尔公司还展示了一个能使用超宽带的l c d 数字电视和数字媒体服务器。这一切都显示了国内对超宽带技术的重视。 总之，在未来十年里，超宽带技术将是最有发展前途的技术之一。 1 4 本课题的研究意义 在超宽带技术极大吸引力的背后，隐藏着许多极具挑战性的研究课题【7 s 】。超宽带 无线技术未来的研究方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 建立时域内的超宽带发射器的模型，考虑天线的集成化、天线的辐射效率、 全向天线和定向天线的选择、极化分集等。 ( 2 ) 研究超宽带信号的产生和基本功能的优化。包括脉冲波形的选择与控制，极 性的控制，时间位置和重复速率的控制，信号的调制和编码技术等。 ( 3 ) 研究超宽带无线技术和现有窄带无线技术在公用频段上的干扰。 ( 4 ) 研究基于超宽带无线传输技术的无线i p 协议。 ( 5 ) 研究提高超宽带无线技术的传输范围、数据传输速率、定位精度。 ( 6 ) 研究超宽带无线电的测试技术，包括传输信道的测试、信道模型等。 ( 7 ) 研究超宽带无线电的接收技术，包括接收机的设计和算法的研究。 由于任何一个通信系统的最终目的都是有效的接收信号并恢复出信号上传送的信 息，所以接收机技术是超宽带系统的一个核心内容，是目前该领域的重要研究方向。 超宽带通信采用非常短的脉冲序列进行传输，因此，接收信号中包含了大量路径长度 较小的多径信号分量。超宽带信号的这种良好的时间分辨力，一方面降低了由来自于 不同传播路径的多径分量在时间上的叠加而造成的抵消作用，从而降低了信道衰落对 系统的影响。另一方面，这些多径分量可能产生严重的码间干扰，也为设计通信接收 机时如何完全有效地利用超宽带信号的这种内在的分集特性提出了挑战。同时为了防 止它对现有无线设备产生干扰，美国联邦通信委员会( f c c ) 规定其发射功率谱在3 1 1 0 6 g h z 范围内，必须小于辐射噪声规定值( 4 1 3 1 0 弓d b m h z ) 。因此，如何设计u w b 接收机，使其既能保持较低的成本和结构复杂度，又能从强背景噪声中准确检测出微 弱的脉冲信号，这已成为实现u w b 系统的一个关键技术问题。 目前，u w b 接收机已有多种。按载波分，有单载波的d s c d m a u w b 接收机和 多载波的o f d n u w b 接收机 9 1 ；按u w b 多径接收信号的检测技术分，有相干r a k e 接收方式、自相关接收方式以及基于能量检测的非相干接收方式【l 们。r a k e 接收机具有 非常好的性能，但其结构复杂，以及实际应用中难以实现的信道估计与同步，都降低 了接收性能；而基于能量检测的非相干接收机实现的低复杂度优点是以其误码性能地 下降作为代价的，在接收信号能量一定的情况下，接收机误码率将随着积分时长成指 数增加：对于自相关接收机，它是在复杂性和性能方面进行地折衷，这几年来引起了 研究者的关注，成为一个重要的研究方向。 1 5 本文的主要工作与内容安排 本文在研究超宽带多径接收信号的检测技术的基础上，重点研究了自相关接收方 式，针对接收到的参考脉冲中含有噪声的问题，在文献【1 1 】中提出的解决方法的基础上 做了相应地改进，进一步提高了系统的性能。 本文的大体安排如下： 第一章绪论部分在介绍超宽带通信技术、历史背景和研究现状的基础上，引出了 本课题的研究意义和主要内容。 第二章主要介绍了超宽带通信技术的基础知识，包括超宽带脉冲波形的选择、调 制方式以及信道模型的建立，为后续研究垫定了理论基础。 第三章主要讲述了超宽带接收机技术，介绍了相干r a k e 接收方式、自相关接收 方式以及基于能量检测的非相干接收方式的基本原理及优缺点。 第四章研究了基本传输参考接收机和平均传输参考接收机的基本原理，并对其性 能进行了分析比较。然后针对在使用离散时间脉冲响应模型时，部分时间仓中包含有 6 噪声的问题，引入了一种新的传输参考接收机结构，介绍了它的基本理论，并与平均 传输参考接收机进行了性能分析比较。 第五章研究了一种混沌二进制序列优选方法，理论分析表明优选后的混沌序列在 各项性能上要大大优于传统的p n 序列，并将混沌序列应用到新的传输参考接收机中， 使该接收机性能得到了改善。 第六章全文总结，并分析了基于传输参考接收机存在的问题和下一步需要努力的 方向。 7 第二章u w b 通信技术的基础知识 超宽带无线通信系统主要由四方面决定：脉冲信号的波形、调制方式、信道以及 接收技术。脉冲信号的波形和调制方式决定超宽带无线通信系统辐射的频谱；而研究 任何一个通信系统首先必须研究其信道情况，确定合适的信道模型；有效的接收技术 可以使我们获得更准确的数据。基于此，本章节将主要介绍脉冲信号的波形、调制方 式和信道三方面的基础知识，为后续内容做个铺垫，并在第三章详细介绍超宽带的接 收技术。 2 1u w b 信号脉冲 2 1 1 引言 u w b 依赖脉冲串传递信息，因此，脉冲波形的特征及设计是u w b 系统重要的研究 内容之一。根据频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类【1 2 】： ( 1 ) 基带脉冲，该类脉冲包含从低频到高达几个g h z 频率的连续带宽，如矩形脉 冲、高斯脉冲、高斯单脉冲等。 ( 2 ) 特殊脉冲，即满足特定频谱要求的脉冲，例如，为了满足f c c 规定的频谱特 性或抑制窄带干扰而设计的特殊脉冲，一般通过特殊设计或滤波获得，如软谱自适应 技术。 本章节将主要介绍最常使用的高斯脉冲。 2 1 2 高斯脉冲 脉冲产生器最易产生的脉冲波其实是一个钟形，类似于高斯函数波形。一个高斯 脉冲p ( f ) 可以用下列表达式描述： p ( ，) ：毒彳e 一= 笪e 一等 ( 2 1 ) q2 冗o a 这里，口2 = 4 x c r 2 是脉冲形成因子，仃2 为方差。 但是，为了有效辐射，产生的脉冲应具备一个基本条件：无直流分量。在满足该条 件的前提下，有多种脉冲波形可供考虑。高斯函数的各阶导函数表示的波形都是满足 上述条件的。如图2 1 和2 2 所示，为高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数的波形以及高斯脉冲 的前1 5 阶导函数形成脉冲的能量谱密度。 下面给出高斯脉冲的前1 5 阶导函数的1 0 d b 带宽变化情况，如图2 3 所示，其中口在 0 2 1 1 n s 之间变化。从该图中可以看出，随着高斯脉冲导函数的增加，其信号带宽轻 微增加了，且能量移向更高的频率点。此外，口取值不同会影响到脉冲的1 0 d b 带宽。 8 j 目田匝田 ：j 田田圈田 8 | j 田田田田 i 巨圈目固目匾团固 图21 高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数的波形 f r o q u e n c yd o m a i n 图2 2 高斯脉冲的前l5 阶导函数形成脉冲的能量谱密度 s ： j i 萎 、一乓、 量。： 耗 苎 。 罩2 ： 1c a 【s 】，1 九o 图2 3 高斯脉冲的前1 5 阶导函数的1 0 ，是第k 个调制比特。 p p m 调制是u w b 中最常用的调制方式，单用户p p m 信号模型为： m s ( ，) = p ( t - m t - b m 8 ) ( 2 5 ) m = l 其中，万是调制指数，表示数据比特的时间偏移，肘为可发送的最大比特数，p ( f ) 是u w b 脉冲，6 脚【o ，1 】，代表第m 个数据比特，z 是脉冲重复周期。 p a m 、o o k 和p p m 均可以通过非相干检测恢复信息。p a m 和p p m 还可以通过 多个幅度调制( m 鼢州) 或多个位置调制( m p p m ) 提高信息传输速率。然而，p a m 、 o o k 和p p m 都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱 不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，而且会降低功率的利用率。 而b p s k 则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密 度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统。为了获得更好的通信质量或更高的通信 容量，b p s k 是一种比较理想的脉冲调制技术。 2 2 3t h u w b 多址调制 除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生的信号频谱，还要用伪随机码或伪随 机噪声( p n ) 对数据符号进行编码。一般是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上 的偏移，这就是所谓的跳时超宽带。直接序列扩频( d s s s ) 就是编码后的数据符号对 基本脉冲的幅度进行调制，这在冲激无线电( i r ) 中被称为直接序列超宽带( d s u w b ， d i r e c t s e q u e n c eu w b ) 。这就是两种典型的多址调制方式。而在多用户的系统中，超宽 带的调制方式是多址调制和信息调制的组合。 多用户p p m 信号模型为： m s ( f ) = p ( t - m t - 磅万行) ( 2 6 ) n = lm = l 其中，万q 是第 个用户的调制指数，为最大用户数，磅 o ，1 】，代表第n 个 用户的第m 个数据比特。 为防止多址信道的灾难性碰撞，可引人跳时( t h ，t i m eh o p p i n g ) 技术。t h - p p m 就是t h 与p p m 调制的结合。在t h p p m 中，一个时问帧l 分成几个码片间隔乏，这样， 每个数据比特以一个脉冲来表示，偏移为万，占用时间帧中的某个乏，占用哪个z 由 伪随机码( p n 码) 所标识。 多址信道的t h p p m 信号的一般模型为： 1 2 5 ( f ) = p o m 弓一爵i 一礤d ”) ( 2 7 ) n - im = l 其中，0 为第h - i i 丑p 的第m 个比特的t h 码( p n 码) ，参数0 t 为防止多址信 道的灾难性碰撞而引入的附加时间偏移，占则是p p m 调制本身所产生的时间偏移。 为了降低仿真的复杂性，我们只考虑单用户的情况，通过仿真产生2 p p m - t h - u w b 发射机产生的信号，如图25 所示： 图252 p p m t h - u w b 发射机产生的信号 仿真采用高斯二阶导数形式的脉冲 平均发射功率为3 0 d b m ，帧周期为3 n s ， 个，抽样频率为5 0 g h z 。 2 2 4 多频带脉冲调制方式 脉冲宽度为0 5 n s ，脉冲因子为0 2 5 m ，信号的 每比特脉冲重复数为5 。发送的数据比特为2 目前多频带脉冲调制方式主要有两种：由x t r e m e s p e e t r u m 公司和摩托罗拉公司提 倡的单载波d s c d m a 方案和由德州仪器公司和英特尔公司等提倡的m b o f d m 方 案。 由x t r e m e s p e c t m r a 公司和摩托罗拉公司提倡的单载波d s - c d m a 方案，是采用速 率非常高的窄脉冲来传输数据信息。该方案中，经过d s - c d m a 扩频之后的信号再通 过对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。单载波d s c d m a 方案是将 使用频谱范围分成两个可用频段。低频段：31 g h z 到5 1 5 g h z 和高频段：58 2 5 g h z 到1 0 6 g h z 。超宽带信号可以通过对载波进行调制，有低频段、高频段及双频段三种 操作方式。 由德州仪器公司和英特尔公司等提倡的m b - o f d m 方案，将整个可用频段( 3 1 1 0 6 g h z ) 划分为1 4 个子带，每个子带带宽5 2 8 m h z 。同时又将这1 4 个子带分为5 个带组， 其中前四个带组每组包含3 个子带，第五个带组只有2 个子带。由于传输损耗严重限制 了更高频率信号的使用，所以目前只有第l 带组的3 个子带用于强制性的标准操作模式， e 垂 其余子带保留以备将来使用。由于m b o f d m 通过多个子带来实现带宽的分配，其脉冲 比传统u w b 技术中要宽，故对同步的要求放松，抗i s i ( 符号间干扰) 能力较强。但此 方案也面临着多载波调制的两大难题：对频率偏移比较敏感，容易引起i c i ( 载波间干 扰) ；功率峰均比较大，从而对功放的线性要求更高。 上述两大提案均能满足i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组提出的在速率、性能和功率方面的要 求，但由于采用技术的不同，两者各有优势。d s u w b 实现较简单，有更高的频率利 用率；d s u w b 使用r a k e 接收机来抗多径干扰；而m b o f d m 利用循环前缀( c p ) 和 保护时隙来抗多径干扰：d s u w b 使用陷波器或陷波天线来防止对外界的干扰，而 m b o f d m 系统使用子载波扣除的方法来消除干扰，因此m b o f d m 比d s u w b 在抗干 扰方面有更大的灵活性，可方便地适应全球不同地区的频谱规范。 2 3u w b 信道模型 信号的传播环境是影响无线通信系统性能的主要因素之一。建立准确的传播信道 模型对于系统设计，如天线分集、均衡、编码等问题和性能分析等诸方面都是非常重 要的。建立信道模型的传统方法，是利用时域或者频域中的对偶系统函数表征通信信 道，已经有许多论著专门讨论无线传播信道模型问题，给出的窄带或者宽带无线信道 模型是根据带宽较窄的信号测量结果提出的。然而，对于超宽带无线通信而言，由于 要求精确的时间或空间分辨力，传统的测量方法和模型不能提供超宽带应用所需的足 够分辨力。因此，有必要综合考虑超宽带无线传播环境、系统工作频段、测量技术、 模型参数以及测量结果与模型仿真结果之间的匹配等问题，以建立超宽带信道模型。 为评估各种超宽带通信实现方案的性能以及工作，通常需要根据工作环境建立一 个比较精确的信道模型，因此超宽带信道的建模具有重要意义。2 0 0 3 年7 月，i e e e 8 0 2 1 5 s g 3 a 研究小组信道模型分委会发布了室内多径信道模型的最终报告，i e e e 8 0 2 1 5 3 任务组用这个模型来评估提交的各种物理层性能，这一模型也是目前被一致公 认为较好的u w b 信道模型。 本章节将简单介绍超宽带信道模型的研究现状，并重点介绍i e e e8 0 2 1 5 3 a 推荐 的超宽带信道模型。 2 3 1 超宽带信道模型概述 对于超宽带信道，国内外的公司和各大科研机构进行了广泛的实际测量实验，使 用路径衰落统计分析方法或者设定模型的仿真方法，已经测量总结出了不少超宽带信 道模型。下面主要介绍k 模型和s v 模型。 2 3 1 1a k 信道模型1 1 3 i 在泊松模型的基础上，s u z u k i 提出了k 模型，将时间划分为长度为的微小时 间片，引入一个新的参数k ，如果第( n 1 ) 个时间片内有一个径到达，则第n 个时间 1 4 片的到达率为k 乃，否则为屯。这里乃定义为： f 2 卜南舵2 q 名) 式中，无为第n 个时间片的占据率。k 表示路径到达的成批性，取值为k l 。时间 片n 上的冲击响应的幅度用对数正态分布近似，且随时延呈指数下降。 虽然该模型提供了描述u w b 信道中多径按簇分布的现象的方法，但在很多情况 下并不能很好的拟合u w b 信道中实测数据。 2 312s - v 信道模型1 1 4 i 与传统的无线信道模型相比，u w b 信道在每个可分辨的时延间隔中只有很少的多 径部分( m p c s ) 相互交选，或者存在没有m p c s 的时延间隔。那么有必要描述出空的 时延间隔出现和它后面跟随非空时延间隔出现的可能性换句话，就是获得到达时 间的统计。 正如信道测量所显示，多径是成簇( c l u s t e r ) 到达的。s v 模型使用两个相互独立的 泊松( p o i s s o n ) 过程( 双指数模型) 分别描述簇( 即簇的第一径) 的到达和簇内多径 的到达。并且指出簇内每径的幅度服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。 s v 采用的双指数模型，具有充分的灵活性，可以较好的描述l o s 和n l o s 信道。 模型中指出的簇内每径的幅度服从瑞利分布，意味着多径成分是由大量同时到达的不同 分辨的路径的线性组合而成，不符合u w b 信道的实际测量数据。 2 3 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 推荐的超宽带信道模型1 1 5 , 1 6 1 i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组吸收了其它模型的优点后，对s v 模型进行改进，提出了一 组u w b 室内信道模型，作为评估各种u w b 系统方案的基础。将s v 模型中的簇内每 径的幅度分布改为对数正态分布，给出了信道冲击响应和路径损耗模型，考虑了阴影 效应。 2 3 2 1 路径损耗模型 为了能够在实际工作环境下，较好的对各种物理层提案进行比较并保证最终提出 的标准具有较好的性能，i e e e8 0 2 1 5 3 a 小组提出了基于自由空间的路径损耗模型【1 7 】。 确定路径损耗模型的主要目的是体现出传输距离对系统性能的影响。与窄带路径损耗 模型不同，u w b 系统所覆盖的频率范围是几百m h z 甚至于几g h z ，所涉及的频谱范 围极宽，所以其路径损耗模型是频率的函数【1 8 】，因此自由空间的衰减系数与频率的关 系可以表示为： a r s ( f ) = 筹 ( 2 9 ) 其中，d 为传播距离，q 为全向发射天线增益，g r 为接收天线增益，c 为光速， 1 5 厂为信号频率，如为衰减系数。 假设发射机的发射功率为弓( 厂) ，则接收到的信号功率为： 足= 掰2 劈 旺 式中，五和厶分别是频率范围的上限和下限。 采用上述自由空间损耗模型来比较各个提案的不同物理层性能时，要求各个提案独 立提供自己得到的链路容限，以用于补偿附加的信道损耗、实现损耗、波形失真以及不 完全的多径能量捕获等。 2 3 2 2 多径模型 在对典型环境下的u w b 信道特性进行实际测量之后发现，u w b 信道具有s v 模 型中信道响应多径成簇到达，以及k 模型中多径振幅衰落服从对数正态分布的特点。 假设多径模型是如下离散时间冲激响应： 哆( f ) = 墨，8 ( t - - r ；一，) ( 2 1 1 ) 式中，以。，为多径增益系数；巧是第，簇的时延，是第k 条多径分量相对于第，簇 到达时间( 衫) 的时延；五表示对数正态阴影；i 表示第i 个实现，三和k 分别表示总的 簇和束的数目。 s v 模型中，簇到达时间和束到达时间均服从泊松分布过程。即来自同一个脉冲 的多径分量以簇的形式到达接收机，簇的到达时间服从速率为入的泊松过程；而在每 一簇内，相继的多径分量的到达时间服从速率为旯的泊松过程： p ( 乃l 乃一1 ) = ae x p 一人( 乃一乃一1 ) 】， 0 ( 2 1 2 ) p ( r j i ，ii 七一1 ) ，) = 2e x p 一a ( r k ，一气七一1 ) ，) 】，k 0 ( 2 1 3 ) 式中，乃是第，簇中第一条路径的到达时间：“j 第磋寞中第k 条路径相对于第一条 路径到达时间乃的时延；人是簇到达率；旯是束到达率。 路径