（通信与信息系统专业论文）基于chirp的宽带超宽带通信技术研究.pdf

摘要 摘要 室内无线信道的衰落很严重，为了保证通信质量，克服平坦衰落带来的影响， 人们通常采用扩频( s p r e a ds p e c t r u m ，简称s s ) 通信技术。常用的s s 技术有赢序 列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，简称d s s s ) 、跳频扩频( f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p o a r u m ，简称f h s s ) 和超宽带( u l w aw i d e b a n d ，简称u w b ) 技术。其中，d s s s 和f h s s 具有实现复杂度高，系统功耗散热量大的不足；u w b 很适合室内传输，但是它具有峰值功率大，传输距离短，对其它通信设备潜在干 扰强的缺点。然而，无线个人区域网( w i r e l 鼯sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，简称w p a n ) 对通信设备和技术提出了新的要求，包括低成本、低系统实现复杂度、低发射功 率、低系统功耗等。因此，本文尝试了一种新的技术以满足w p a n 对室内通信的 各种需求。 本文正是针对w p a n 通信的需求，讨论了一种基于c h a p 超宽带技术的无线 通信方案，对c l l i r p 超宽带技术做了创新性和探索性的研究。主要内容包括： 介绍了c h i r p 超宽带的基本原理，包括脉冲压缩理论，c h i r p 扩频( c h i r ps p r e a d s p e c t r u m ，简称c s s ) 以及u w b 的基本原理。脉冲压缩理论是c s s 的基础，保 证了c s s 具有很高的处理增益以及抗噪声抗衰落能力。当c s s 的扩频带宽足够大 时，c s s 将被扩展为c l l i r p 超宽带，该技术具有c s s 和u w b 的优点，能解决u w b 峰值功率大，传输距离受限制等不足。 研究了c h i r p 超宽带的调制方式，包括二进制正交键控调制( b i n a r yo r t h o g o n a l k e y i n g ，简称b o k ) 以及直接调制( d i r e c tm o d u l a t i o n ，简称d m ) 。一般的，d m 可以很好的与时域交叠技术相结合，达到提高调制效率的目的。但是时域交叠方 式具有不足，因此本文提出高阶调制的解决建议；除了时域交叠，本文还提出了 基于频域的交叠方式，获得更好的性能。 研究了适用于室内通信信道下的接收机。根据接收机设计简单化的原则，本 文采用差分调制方式以避免信道相位随机性带来的载波相位同步问题。因为c h i r p 超宽带具有 l m 级别的多径信道分辨率，所以接收机可以分离出丰富的多径能量。 为了获得更好的通信质量，本文采用并验证了几种常见r a k e 接收机进行多径合 并。 摘要 研究了适用于c h i r p 超宽带的多用户解决方案。减少多用户干扰( m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c e ，简称m a d 是每个具备多用户能力的系统所必需考虑的问题。 本文介绍了几种常见的c ! h i i p 超宽带多址方案，分析并总结了这些方案的特色和不 足，并提出了基于c 缸r p c o d e 的多址方案，可以满足多用户多速率的通信要求。 关键词：c h 卸扩频( c s s ) ，超宽带( u w b ) ，调制，多径，多址 垒! ! 坚苎 a b s t r a c t t h ef a d i n ge f f e c to f i n d o o rw i r e l e s sc h a n n e li sp r o m i n e n t i no r d e rt oo v c l - c o m et h e e f f e c t so ff l a tf a d i n g , s p r e a ds p e c t r u m ( s s ) t e c h n i q u ei su s e df o rb e t t e rc o m m u n i c a t i o n q u a l i t y c o m m o ns st e c h n i q u e sa i r ed i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e e m m a s s s ) ，f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a ds p e c m l m ( f h s s ) a n du l m iw i d e b a n d ( u w b ) d s s sa n df h s ss u f f e r t h ed i s a d v a n t a g e so fh i g hc o m p l e x i t y , h i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dh e a td i s s i p a t i o n u w bi sg o o df o ri n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , b u ti th a st h ed i s a d v a n t a g e so fh i 曲 p e a kp o w e r , s h o r tc o m m u n i c a t i o nr a n g ea n ds t r o n gp o t e n t i a l i n t e r f e r e n c ef o ro t h e r d e v i c e s i no r d e rt om e e tt h en e wd e m a n d so f w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( 、) l 删， s u c h 鹪l o wc o s t , l o wi m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t ya n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a 嗍 s o l u t i o ni st r i e di nt h i st h e s i s t h i sw o r ki st of i n dac h i r pu w bb a s e ds o l u t i o nf o rw p a n ac l l i r ou w bb a s e d t e c h n i q u ei si n t r o d u c e da n d d i s c u s s e d t h er e s e a r c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt o p i c s ： 1 1 1 eb a s i ci d e a so fc h i r pu w b ，i n c l u d i n gp u l s ec o m p r e s s i o nt h e o r y , c h i r ps p r e a d s p e c t r u m ( c s s ) a n du w b p u l s ec o m p r e s s i o ni st h ef o u n d a t i o no fc s $ i tp r o v i d e s c s sw i t ht h ea b i l i t yo fh i 班p r o c e s s i n gg a i na n da n t i i n t e r f e r e n c e i ft h eb a n d w i d t ho f c s si sl a r g ee n o u g h , c s si sc h i r pu w b c h i r pu w bi n h e r i t e dt h ea d v a n t a g e so f b o t h c s sa n du w b m o r e o v e r , i tc a no v c l c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fh i g hp e a kp o w e r a n d s h o r tc o m m u n i c a t i o nr a n g ef o ru w b c o m m o l lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rc h i r pu w b ，i n c l u d i n gb i n a r yo r t h o g o n a l k e y i n g ( b o k ) a n dd i r e c tm o d u l a t i o np m ) a f ed i s c u s s e d d m 湖b ec o m b i n e dw i t h t i m eo v e r l a p p i n g , w h i c hi m p r o v e st h ee f f i c i e n c y o fm o d u l a t i o n h o w c v e l ，t i m e o v e r l a p p i n gh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ah i 曲o r d e rm o d u l a t i o ns o l u t i o ni sp r o p o s e d b e s i d e s ，o v e r l a p p i n g i nt h ef r e q u e n c yd o m a i ni sp r o p o s e df o rb e t t e rs y s t e m p e r f o r m a n c e r e c e i v e rs l l - u c t u r ef o rc b i mu w bi n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d i s e u s s e d ad i f f e r e n t i a ls c h e m ei su s e dt oa v o i dr a n d o mp h a s ei n t r o d u c e db yt h e c h a n n e l s i n c et h em u l 卸a t hr e s o l u t i o nf o rc 1 l i r pu w be a r lb ei nt h eo r d e ro fl e s st h a n m a b s t r a c t l n s ar a k er e c e i v e rs t r u c t u r e 啪b eu s e df o rb e t t e rp e r f o r m a n c e m u l t i p a t h c o m b i n i n gt e c h n i q u ei sd i s c u s s e di nt h i sw o r k m u l t i p l ea c c e s sf o rc h i r pu w bi sd i s c u s s e d t om i t i g a t et h em u l t i p l ea e o n s i n t e r f e r e n c e ( m a i ) ，s e v e r a ls c h e m e sa r er e v i e w e da n dan e ws o l u t i o ni sp r o p o s e d t h e s o l u t i o ni sb a s e do n ”c = l l i i pc o d e ”a n dc a nm e e tt h en e e d sf o rm u l t i p l eu s e rm u l t i p l e d a t ar a t e k e yw o r d s ：c h i r ps p r e a ds p e c i n n n ，u w b ，m o d u l a t i o n , m u l t i p a t h ，m u l t i p l ea c c e s s i v 图目录 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - i l 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图3 - 1 4 图3 - 1 5 图3 - 1 6 图3 - 1 7 图3 - 1 8 图目录 室内通信多径效果示意4 f h s s 的跳点示意图6 q i i i p 信号及其对应的匹配滤波输出信号8 不同z 猡的幅度谱9 c s s 扩频示意图。实线为c h i r p 信号的瞬时频率1 0 q i j f p 信号和匹配滤波后的信号1 1 频偏对匹配输出的影响1 3 s a w 的群延迟、传输函数示意图1 4 c s s 系统传输过程示意图1 4 交叠过程示意图1 8 b o k 系统框图1 9 滤波器输出2 0 a w g n 信道2 0 互相关系数和t b 积的关系2 2 不同的洲得到的b e rv se b n o 曲线2 2 不同的t b 得到的b e r v se b 小。曲线。2 3 多径效应示意图2 4 采用d m 方式的系统框图2 4 时移正交性示意图2 5 d q p s k + d m ，d q p s k ，d q p s k 理论值的b e r 曲线2 7 加h a m m i n g 窗后的c h i r p 信号和压缩脉冲2 8 矩形窗和h a m m i n g 窗的压缩脉冲幅度( d b ) 对比示意图2 8 h a m m i n g 窗和矩形窗的b e r 性能对比2 9 使用频率交叠技术的d m 系统框图3 0 频率交叠示意图3 l 频率交叠信号集的匹配输出3 2 8 路频率交叠q l i r p 信号集的b e r 曲线3 3 v n i 图目录 图3 - 1 9 图3 - 2 0 图3 - 2 1 图4 1 图4 2 图4 _ 3 图“ 图4 5 图4 6 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 1 6 q a m 星座图3 4 1 6 q a m ，不同d ，的仿真结果，a w g n 信道3 5 1 6 q a m ，不同d ，的仿真结果，a w g n 信道3 6 室内信道模型3 9 通过多径信道的c h a p 超宽带信号3 9 差分接收机4 0 r a k e 接收机4 l r a k e 的仿真链路图4 l r a k e 系统性能仿真结果图 c l , a r p 超宽带的系统框图 4 2 4 4 c h i r pc d m a 的两种方式4 5 组合c h a p 信号时频图，4 用户4 6 两种多载波方式的时频特性图。( a ) f d m a ( b ) 频率交叠4 8 频率交叠c h i r p 信号之间的自相关系数和互相关系数 c h i r p 码的时频特性示意图 c 艋r p 码的自相关和互相关 a w g n 信道下的b e l l 性能曲线 多径信道下的b e r 性能曲线 i x 5 0 5 1 表目录 表3 - 1 表5 - 1 表目录 9 和d q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等调制方式的关系3 4 c 挺牮码组合方式举例 x 缩略字表 缩略字表 s p r e a ds p e c t r u m d i r o g ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m w i r e l e p e r s o n a la r e a n e t w o r k u l t r aw i d e b a n d c h i r ps p r e a ds p e c t r u m b i te r r o rr a t e b i n a r yo r t h o g o n a lk e y i n g d i r e c tm o d u l a t i o n m u l t i p l ea c c e i n t e r f e r e n c e i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e f r a c t i o n a lb a n d w i d t h f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n s u r f a c ea c o u s t i cw a v e d i s p e r s i v ed e l a yl i n e p s e u d on o i s e s i g n a lt on o i s er a t i o a d d i t i v ew b i t cg a u s s i a nn o i s e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n x i 扩频 直序列扩频 跳频扩频 无线个人区域网 超宽带 c a | i r p 扩频 误比特率 二进制正交键控 直接调制 多址干扰 码间干扰 分数带宽 美国联邦通信委员会 声表面波 色散延时线 伪随机 信噪比 加性高斯白噪声 码分多址 频分多址 正交频分复用 峰均功率比 正交幅度调制 $ 一 一 一 一 耋 嗽 腿 蹦 眦 瑚 聊 麟 耄| 溉 附 昌| 一 一 一 一 删 缩略字表 p s k b p s k d p s k d q p s k f s k p h a s es h i f tk e y i n g b i n a r yp h es h i rk e y i n g d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g 相移键控 二元相移键控 差分相移键控 d i f f e r e n t i a lq u a d r a t u r ep h a s es h i i f tk e y i n g 差分正交相移键控 f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g频移键控 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 乏窒呜 日期1 年占月f f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 5 盘塑 导师签名 日期：7 , o 第一章引言 1 1c h i r p 超宽带的概念 第一章引言 c h i r p 信号是一种扩频信号，在一个c h i n , 信号周期内会表现出线性调频的特 性，信号频率随着时间的变化而线性变化因为c h i r p 信号的频率在一个信号周期内 会“扫过”一定的带宽，所以c h i r p 信号又被形象地称为“扫频信号”。c h 岫信号 的扫频特性可以应用在通信领域，表达数据符号，达到扩频的效果。这种用c ! l l i r p 信号进行扩频的通信方式被称为c h i r p 扩频( c s s ) 。 超宽带( u w b ) 信号的定义有两种方式，一种是根据相对带宽来确定，另外 一种是根据绝对带宽来确定。美国国防高级计划局对u w b 有如下定义：将带宽与 中心频率之比超过2 5 的信号称为u w b 信号。这是一种相对意义下的带宽，称 之为分数带宽( f b w ) 。另外一种是根据绝对带宽的大小来确定超宽带信号，美国 联邦通信委员会( f c c ) 对l r w b 的规定为：在3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽的信号称为u w b 信号。 通常l r w b 信号的表现形式为持续时间极短的冲激脉冲信号。如果用满足 u w b 定义的c h i r p 信号代替常用的冲激脉冲信号，我们就可以得到具有线性调频 特性的c h i r p 超宽带信号。为了表达方便，本文把采用c h u p 超宽带信号进行通信 的通信方式称为c h 卸超宽带。 1 2c h i r p 扩频技术的发展与应用 c h u p 超宽带的核心在于c s s 技术。c s s 技术应用于通信领域开始于1 9 6 2 年。 w i n l d 盱首先提出把c h i r p 信号应用到通信领域的想法【l 】。但是这仅仅是想法，并 没有给出完整的系统实现方案。1 9 6 6 年，h a t a 和g o t t 独立的提出基于c s s 的h f 传输系统，利用了c s s 技术对多普勒频移免疫的特性 2 1 1 3 1 。需要注意的是，当时没 有使用声表面波滤波器( s a w ) 来产生c h i r p 信号。直到1 9 7 3 年，b u s h 首次提出 了使用s a w 产生c h i r p 信号的方法【4 】。因为s a w 是模拟设备，成本低廉，被c s s 电子科技大学硕士学位论文 通信的研究者们广泛采用。 1 9 7 5 年以后，限于s a w 制作工艺的发展，c s s 研究进入了低谷。直到九十 年代初人们开始关注室内无线通信的时候，c s s 被t s a i 和c h a n g 再度提起【5 】。因 为c s s 的频带很宽，特别适合在室内多径信道中使用。1 9 9 8 年，p i n k l e y 和奥地 利的一个小组发表了关于c s s 的两篇文章，提出了适用于室内通信的两种新的系 统方案【6 】川。 总的来说，c s s 技术除了具有传统扩频技术如直序列扩频( d s s s ) ，跳频扩 频( f h s s ) 共同的优点，即抗衰落能力强，抗截获能力强，处理增益大等，还具 有功率谱密度低，抗频偏能力强，传输距离远，系统功耗低等特点。这些特点使 得c s s 技术能满足现在室内通信对系统提出的发射功率低、通信可靠稳定性好、 抗干扰能力强、系统电池持续时间长等要求。 c s s 技术的这些特点已经引起一些组织和厂商的关注。在工业界，n a n o 仃o n 公司提出了基于c s s 的无线个人区域网络( w p a n ) 应用方案，并在i e e e8 0 2 1 5 4 a 的标准化进程中起到了主导作用。在2 0 0 5 年3 月，致力于低速率w p a n 标准化 工作的i e e e8 0 2 1 5t g 4 a 工作组通过投票，以1 0 0 的赞成，把基于瓜的超宽带 和基于c h i r p 的超宽带技术作为i e e e8 0 2 1 5 4 ap h y 的最后两个备选方案。在 2 0 0 6 年1 0 月，i e e e 委员会在8 0 2 1 5 4 a 的物理层草案中把c s s 技术列为标准1 8 】。 1 3c h i r p 超宽带的研究现状 c s s 技术已经得到一定程度的认同，并正逐步应用于商用；而满足u w b 定 义的c s s 技术即c h a p 超宽带技术的研究还处于起步阶段。目前人们对c h a p 超 宽带的研究有以下几个方面：多址唧，高速率传斜1 0 1 ，符号间干扰( i s i ) 消刚1 ”， 单音干扰消耐1 2 1 ，s a w 制作方法【1 3 1 等。 这些文献为对c h a p 超宽带进行进一步的理论研究提供了很好基础。值得一 提的是，2 0 0 4 年，美国n e wm e x i c o 州的s a n d i a 国家实验室研制出了满足u w b 定义的无载波s a w 设备【”】，其f b w 能达到2 5 ，带宽可达5 0 0 m h z 以上。这 对c h a p 超宽带系统的提供了有力的实现依据。 2 第一章引言 1 4 本文的研究目的及内容安排 本文的研究目的在于对c h i r p 超宽带技术进行理论分析和系统级的链路仿 真，为今后的“基于c h i r p 技术的室内无线通信系统”以及“c h i r p 超宽带抗干扰 通信技术研究”等项目进行前期的理论准备工作，提出并验证合适的算法。研究 内容包括c s s 的基本理论，基于c h 岫超宽带的高效率调制方式，室内多径信道 下c h i r p 超宽带的接收机设计方案，适用于c h i r p 超宽带的多址方案等。 本文各个章节的内容安排如下： 第一章：c 缸叩超宽带概述，对c s s 、u w b 以及c h i r p 超宽带的基本概念作 介绍，对c s s 的发展以及c h i r p 超宽带的研究方向作概括。 第二章：详细分析了c h i r p 超宽带中c s s 技术的核心c b i l p 信号，及其 核心理论脉冲压缩原理。对c h i r p 超宽带和其他扩频、u w b 方式进行比较， 总结并说明了c h i r p 超宽带所具备的一些优势。 第三章：阐述了基于c h i r p 超宽带的调制方式，包括二进制正交键控( b o k ) 调制以及直接调制( d m ) 。对交叠技术进行了分析和研究，提出改善因交叠带来 的码问串扰( i s i ) 问题的方法；提出并分析了基于频域的交叠方式。对b o k 和 d m 的优缺点进行比较分析，得出各自的特点和适用范围。 第四章：分析了室内多径信道的数学模型，研究了适用于c h i r p 超宽带的差 分调制方式以及r a k e 多径合并接收机，对几种不同的r a k e 接收机方案进行了 仿真验证及讨论。 第五章：针对多用户通信的需求，介绍目前常见的可用于c h i r p 超宽带的多 址方案，分析它们的特点，提出并通过仿真工具验证了一种新的基于c h i r pc o d e 的多址方案。 第六章：结束语，总结全文，提出今后可能的研究重点。 致谢 参考文献 电子科技大学硕士学位论文 第二章c h 卸超宽带的基本原理 本文研究的c h i r p 超宽带以室内无线信道环境为应用背景。因为室内无线通 信的目的是在一定程度上替代有线电缆、取消有线通信在空间上的束缚，所以， 对室内无线通信往往具有和有线通信相当的要求，比如通信的高可靠性、可变的 传输速率、低成本等。本章将介绍c h i n , 超宽带技术的基本原理，并证明c h i r p 超宽带具有满足室内无线通信要求的能力。需要指出的是，c h i r p 超宽带具有长 距离通信的能力，所以应用范围不局限于室内无线通信。 2 1 室内无线信道 本章首先对室内无线信道作简要的介绍。 对于室内无线信道而言，小尺度衰落会给通信带来很大影响，并占据主要因 素。所谓小尺度衰落，是指由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的 时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的【1 4 】。 多径的产生原因在于复杂的室内环境。图2 1 是一个典型的室内通信环境。 图2 1 室内通信多径效果示意 图2 。1 只列出了信号从发射机到接收机的部分路径，其中实线是直接到达的 4 第二章c s s 技术介绍 路径，虚线是通过反射、折射等方式到达的路径。各条径到达接收机的时间都具 有一定的时差，根据电磁波传递速率以及室内的传递距离，该时差通常在n s 级。 可以看见，室内信道的多径成分是相当丰富的，从时域上看，多径信号以求 和的方式被接收机接收，由于不同径到达接收机的时间和相位不尽相同，会给信 号带来不同的影响。如果各径到达相位相同，则影响是有益的，求和后的效果是 能量增加；如果各径到达相位不同，则影响是有害的，接收机处的能量会急剧衰 落。很明显，前者发生的概率很小，多径效应对室内通信会带来很严重的衰落。 室内信道还具有时变特性，该特性通过相关时间来衡量。所谓相关时间，就 是指信道持续保持不变的时间长度。对于室内信道而言，相关时间比室外信道要 大得多，往往在毫秒级【1 5 1 。 从频域上看，多径效应会在一定的频带上导致不同程度的衰落。通过相关带 宽可以表征信道的衰落程度。一定范围内具有相同衰落水平的带宽称为相关带宽。 传输距离远，则多径成分丰富，衰落变化快，相关带宽相对较小；传输距离近， 则多径成分少，衰落变化慢，相关带宽相对较大。 如果信号带宽比相关带宽小，则会造成信号能量全部衰落，这被称为平坦衰 落。平坦衰落对通信来说是致命的，因为信号能量太小，导致无法接收。如果信 号带宽很大，平坦衰落会转为频率选择性衰落。此时的信号能量只是在一部分频 带上有衰落，剩余频带上的能量得到保持，有利于信号的接收。 2 2 扩频技术 带宽是很珍贵的资源。但是对于室内无线信道，平坦衰落是通信的主要障碍。 如果采用窄带通信方式，信号将无法送达接收机。为了克服致命的平坦衰落，可 以采用扩频技术扩展信号带宽的方法。当信号带宽远大于相关带宽时，频率选择 性衰落会被更多的衰落不严重的频率所“平均”，减缓多径衰落的影响。为了引入 c 衄p 超宽带的核心c s s 技术，下面对传统的扩频技术作简要回顾。 2 2 1 直序列扩频 d s s s 通过二进制的伪随机( p n ) 序列进行扩频。所谓p n 序列，是指在一 段周期内其自相关性类似于随机二进制序列的一段按一定规律生成的序列。p n 序列的每一个值叫做一个“码片”，码片的持续时间叫做“码片时长”。通常，符 电子科技大学硕士学位论文 号时长z 是码片时长的整数倍，即霉= 乙p 一，甩n 。扩频时，符号与p n 序 列直接相乘，因为码片的变化频率1 z k 比符号的变化频率1 c 快 倍，所以相乘 以后的信号带宽也被展宽了穆倍。因此， = z 毛。既表示p n 序列一周期内的码 片个数，又表示符号带宽被展宽的倍数。 2 2 2 跳频扩频 f i - i s s 的扩频方式和d s s s 有所不同。f h s s 在频域上把一段带宽很大的通带 分成许多离散的跳点，正，每一个跳点都有足够的带宽容下原来的窄带信号。传 递符号时，窄带信号随着时间点z 的变化而在在各个跳点之间“跳跃”，跳跃的 规则由p n 序列决定。图2 - 2 很好的描述了这一过程。在一个内，f h s s 信号仍 然是窄带信号，但是在多个内，信号占据了一段很大的带宽。所以，即使部分 跳点遭受平坦衰落，f h s s 还是可以通过衰落不大的跳点进行补偿，把发送的符 号恢复出来。 正 跳 跃 翥五 点正 石 跳跃时间点 图2 - 2f h s s 的跳点示意图 d s s s 和f h s s 作为两种常用的扩频手段，在发射机和接收机都必需具备p n 序列发生器、p n 序列同步器、p n 序列相关器等设备。这对系统实现设备提出潜 在的要求，因为要达到很大的扩频带宽，必须采用比符号速率高得多的p n 序列 发生器。这对符号速率高的系统很不利。 6 第二章c s s 技术介绍 2 3c h i r p 扩频技术 西j i p 超宽带的核心是扩频c s s 技术，满足u w b 定义的c s s 是c h i r p 超宽带。本节将对c s s 技术作详细介绍。 2 3 1 脉冲压缩理论 c s s 技术源于雷达系统中以c 蛐r p 信号为核心的脉冲压缩技术。在雷达领域， c h e p 信号很好的解决了冲激雷达系统中测量距离和测量精度不能同时优化的问 题。冲激雷达采用冲激脉冲作为检测信号，要增加测量距离，则必须牺牲测量精 度；增加测量精度，则必须牺牲测量距离。而脉冲压缩技术使用具有线性调频特 性的c h i r p 信号代替冲激脉冲，可以同时增加测量距离和测量精度。因此，c = h i r p 信号在雷达领域有着很普遍的应用。 典型的( 艋r p 信号数学表达式为： c ( f ) = c o s ( 2 万( 力士昙) ) 一冬f 孚 公式( 2 1 ) 其中，是扫频率( h z s ) ，f o 是中心频率，l 是扫频时间( 单位秒) 。由公式( 2 一1 ) 可见，c h i r p 信号是宽带信号，它的瞬时频率在z 内变化，占据一定的带宽。“- - _ z ” 决定了扫频方向，即信号瞬时频率的变化走向。取正号时为“u p c h i r p ”，负号时 为“d o w n - c h i r p ”。c h i r p 信号对应的低通等效信号( 复包络) 为： ( r ) = 击2 妒纠一墨2 公式( 2 2 ) = 0 其它 与公式( 2 1 ) 对应的匹配滤波器的冲激响应为： o ) ：石c o s ( 2 万( 缸千要) ) 一冬f 冬 公式( 2 3 ) 其中，4 是匹配滤波器的单位增益，保证匹配输出在石处为单位值au p - c a l i r p 对应的匹配输冲激响应出是d o w n - c h i r p ；d o w n - c h i r p 对应的匹配输冲激响应出 是u p - c h i r p 。 c h i r p 信号通过对应的匹配滤波器后，其输出为： 电子科技大学硕士学位论文 g ( f ) = 石c o s ( 2 砥f ) 些墅型2 翌石x 堂t c f 乏 公式( 2 4 ) 图2 3 是一段c h t w 信号以及这个c h i r p 信号对应的匹配输出。可以看见， c 1 1 i = r p 信号具有恒包络特性，而其对应的匹配输出具有和s i n c 函数 s i n c ( x ) = s i n ( 工) 工类似的特性。宽度为z ，幅度为1 的输入信号经过匹配滤波后， 能量基本集中在宽度2 曰( 曰是带宽) 的时间内，幅度最大值为z 占。这就是 所谓的脉冲压缩：一个恒包络脉冲能量几乎都被压缩在很短的时间段内。 一乃叫 i l i f 一土一 虱2 - 3 上图为c 蛳信号，下图为对其对应的匹配滤波输出信号 下面观察c h i r p 信号的频域特征。 对公式公式( 2 1 ) 进行傅立叶变换，可以得到： g ( 班岳- j 手i - , , e 嘶) + c ( 咖邢州圳 洲2 5 ) 其中，c ( 工) ，s ( x ) 为费内尔函数，变量 墨三兰竺堕垫查坌望 彬) = 船+ ( t o m 彬) = 夙争( o 卅 通过分析，可以得到c h i r p 信号的幅度谱： 彳( 厂) = i 1 公式( 2 - - 6 ) 以及相位谱： 缈，= 等( 孚) 2 _ 恤- - 器锱 公加m 通过分析可以得到结论，t 口的值越大，q i 卸信号的幅度谱就越接近矩形， 如图2 - 4 。其中，相对频率为( ，一) b 。 相对频率 相对频率 ( c ) 5 5 瑙 馨 驴 逛 魁 粤 心 地 一一一 一一y 。* 噼一一一；一一一 j ： 一l ! 3 i ：h ： 相对频率 一一一一；一一吲一一一；一 0 一一 ； ； t 一 - _ 一卜十 j ：f = = = ：1一一一；一一一 一一一；一。一i 一一一；一一一 ；l ： 相对频率 ( d ) f l t 2 - 4 不同脚的幅度谱( a ) 为5 0 ，( b ) 为1 0 0 ，( c ) 为5 0 0 ，( d ) 为1 0 0 0 我们把c h i r p 信号的的时间带宽积四= 互口简称t b 积。t b 积是衡量a l i r p 信号的一个标准。在时域上看，t b 积越大，压缩脉冲的能量就越大。在频域上 看，t b 积越大，其幅度谱越接近理想带通滤波器。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 2c h i r p 扩频原理 c s s 技术的基本原理是采用c ! l l i r p 信号来表达数据符号。因为c h i r p 信号是 宽带信号，所以使用c h i r p 信号来表示数据符号可以达到扩展带宽的效果。c s s 和d s s s ，f h s s 都有类似的地方，可以看作是二者的混合。 d s s s 和c s s 都是采用一段特定具有一定扩展带宽效果的信号来表示原始数 据符号。但是，前者采用p n 序列，后者采用c h i r p 信号。 f h s s 和c s s 的瞬时频率都会随着时间变化而变化。但是，前者的变化规律 由p n 序列决定，而且是离散的变化；后者的变化规律由c h i r p 信号决定，是连 续的变化。 图2 5 是c s s 的时间频率域( 时频域) 示意图： l 。 图2 5c s s 扩频示意图a 实线为c h i r p 信号的瞬时频率 c s s 的解扩原理和d s s s ，f h s s 也很相似。 d s s s 和f h s s 用本地生成的和发端相同的p n 序列和接受信号进行相关运 算。因为p n 序列具有和随机二进制序列相同的统计特性，其自相关远大于互相 关，所以可以通过求自相关的方法把数据符号提取出来，达到解扩效果。 c s s 在接收数据时利用了脉冲压缩原理。匹配滤波可以在很短的时间内获得 很大能量，接收机可以通过对能量的捕获把数据符号提取出来。因为匹配滤波在 一定程度上可以看作是求自相关【1 6 l ，所以c s s 和d s s s ，f h s s 在解扩方式上可 以认为是一致的，即通过对扩频序列( 信号) 求自相关来提取数据符号。 1 0 第二章c s s 技术介绍 2 3 3c h i r p 扩频的特点 2 3 3 1 抗干扰能力 根据脉冲压缩原理，幅度为l 的c h i r p 信号经过匹配滤波以后的脉冲最大幅 度为丁曰，也就是c s s 带来的处理增益。对于干扰信号，通过匹配滤波器不会给 干扰信号带来处理增益，而且根据图2 - 4 ，冲激响应为c 撤r p 信号的匹配滤波器具 有一定的滤波特性，可以把宽带干扰变成窄带干扰。所以c s s 具有很强的抗干扰 能力，t b 积越大，抗干扰能力越强。 图2 - 6 展示了t b 积为1 0 0 ，带有加性高斯白噪声( a w g n ) 的c h i r p 信号在 匹配滤波前后的时域波形，其中，信噪比( s n r ) 为0 d b 。 带有a w g n 的c h i r p 信号 图2 - 6c k r p 信号和匹配滤波后的信号。其中，t b 积为1 0 0 ，s n r = 0 d b 可见，c s s 系统具有很强的抗干扰能力。 2 3 3 2 同步实现简易 对于时间同步，c s s 通过匹配滤波器得到“自相关”压缩脉冲，直接对 压缩脉冲进行捕获。这和d s s s ，f h s s 相比，省去了p n 序列同步的过程。因为 c s s 通常采用t b 积大于1 0 0 的c 艋r p 信号，所以匹配输出的压缩脉冲的幅度很 大，能量非常集中，很容易被检测出来。这极大简化了时间同步的设