（通信与信息系统专业论文）冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究.pdf

中文摘要 ，、 忡激式超宽带码分多址无线通信技术( u w b c d m ai r ) 是二十世纪9 0 年代 以后出现的一种新的无线移动通信体制。它以具有极宽频带( 达g h z 量级) 的 无载频纳秒级窄脉冲序列为信息载体，通过扩频调制、信息调制实现多址通信。 它功率谱密度很低，具有低检测与截获概率，抗多径衰落能力强，穿透能力强， 数据传输率高，设备简单，并有可能与传统窄带无线系统共享频率资源，适用 于对保密性要求高和多径密桀环境中的短距离无线移动通信，是一种非常有希 望的战术无线通信技术。， 本文以冲激式超宽带码分多址无线通信技术作战术无线通信系统为目的， 对冲激式超宽带信号的扩频与多址技术、信息调制方法、检测与解调、信道模 型、收发同步、系统性能等方面进行了研究。具体研究工作包括：研究分析超 宽带通信方面的文献资料；研究资料中较少涉及或没有涉及的跳时码产生、同 步方案等问题；设计基于跳时与脉冲位置调制的超宽带码分多址通信系统，并 在c o s s a p 平台上进行仿真，分析仿真结果，提出改进方向。 本文第一章介绍超宽带技术的概念、特性，在雷达与通信领域的发展状况 和未来展望，并介绍超宽带通信中的关键技术，说明本项目的目的、意义等。 第二章详细介绍了两种在超宽带通信系统中实现码分多址的技术，即跳时 和直接序列调制，以及相应的数据调制方式，分析比较其特性、适用范围，并 选择基于跳时和脉冲位置调制的超宽带码分多址通信技术作为研究重点。 接下来在第三章中给出了一个基于跳时和脉冲位置调制的超宽带码分多址 通信系统的较完整设计，包括收发信机的结构、波形及参数、跳时码的生成方 法、u w b 室内多径信道的统计模型、同步方案等。 j 第四章介绍在c o s s a p 仿真平台上对所设计系统进行的仿真。肪真分为五个 阶段：( 1 ) 建立a w g n 信道下的单链路单工通信系统，研究系统误鸭性能和跳时 扩频性能；( 2 ) 加入多址干扰，研究不同用户信号的互相关和少量强多址干扰对 系统误码性能影响；( 3 ) 仿真多径信道；( 4 ) 进行r a k e 接收；( 5 ) 收发同步。给 出每一阶段的仿真方法、结果，并根据仿真结果分析系统性能，不足之处提出 改进方法。然后列出仿真中难点及解决办法，并总结仿真结果。 最后一章提出下一步对系统进行改进和更深入研究所应做的工作的建议 并对全文进行总结。 关键词：超宽带通信码分多址跳时脉冲位置调制 v o 矿 ， l a b s t r a c t u w b c d m ai ri san e w t e c h n o l o g yo f w i r e l e s sc o m m m a i c a f i o ne m e r g e di n19 9 0 s a n dh a sn o tb e e nr e s e a r c h e ds u f f i c i e n t l ya sy e t u w b c d m ai rc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i t d a t ao rv o i c ev i ai m p u l s er a d i ot r a i n s w h i c hh a su l t r aw i d eb a n d ，u s u a l l yo nt h eo r d e ro fg h z t h ec h a r a c t e r i s t i co fu w b s i g n a lm a k eu w b c d m ac o m m u n i c a t i o n si n h e r e n t l yh a v el o wl p d l p i ，s t r o n g i m m u n i t yt om u l f i p a t hf a d i n g ，m o r es i m p l et r a n s i v e rd e v i c et h a nt r a d i t i o n a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n ds o m eo t h e r a d v a n t a g e s t h e r e f o r u w b c d m a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss u i t a b l ef o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m su s e di nd e n s e m u l t i p a t h e n v i r o n m e n ta n df o rc o m m u n i c a t i o n sr e q u i r i n gh i g h s e c r e c y ，s u c h a s t a c t i c a lm i l i t a r yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w es t u d yu w b - c d m ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y f o rn e wg e n e r a t i o nt a c t i c a l m i l i t a r yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t h eu w bs i g n a l sg e n e r a t o r , m e t h o dt or e a l i z e c d m a ，d a t am o d u l a t i o ns c h e m e ，s y n c h r o n i z a t i o n ，a n dc h a n n e lm o d e l a r ei n c l u d e di n o u rr e s e a r c hc o n t e n t t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d ea n a l y s i n gp a p e r sa n dp a t e n t sa b o u tu w bc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ；s t u d y i n gt h es u b j e c t st h a th a v en o to rv e r yf e w m e n t i o n e di nt h ep a p e r s ， s u c ha st h et hc o d eg e n e r a t o ra n ds y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e ；d e s i g n au w b c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt i m eh o p p i n ga n dp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，a n d t h e ns i m u l a t ei tb yc o s s a p d e s i g n t o o l s i nt h i sp a p e r , w ef i r s ti n t r o d u c eu w b t e c h n o l o g yb f i e f l y ，i n c l u d i n gi t sd e f i n i t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c ，h i s t o r yi nr a d a r a n dc o m m u n i c a t i o nf i e l d ，k e yt e c h n o l o g yi nu w b c o m m u n i c a t i o n s ，c t c t h e n ，t w om e t h o d s o fi m p l e m e n t i n gc d m aa r ed e s c r i b e di n d e t a i l ，i e t i m e h o p p i n ga n dd i r e c ts e q u e n c ec o d e w ec o m p a r et h e s ed i f f e r e n tm e t h o d sa n dt h e n p l a c eo u rs t u d yf o c u so nu w bt e c h n o l o g y sw h i c hu s et i m eh o p p i n ga sc d m a m e t h o dm a dp u l s ep o s i t i o nm o u d u l a t i o na sm o d u l a t i o nm e t h o d i nc h a p t e r3 ，ad e s i g no fau w bc o n m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt hm a dp p m i s p r e s e n t e d t h es t r u c t u r ea n dc o n f i g u r a t i o no f t h et r a n s i v e r , t h et hc o d eg e n e r a t o r ， t h eu w bi n d o o rc h a r m e lm o d e l s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea r ed i s c u s s e d t h e ni nc h a p t e r4t h es i m u l a t i o nw o r k sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o nw o r k s a r ed i v i d e di n t o5 p a r t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ( d a t aa n df i g u r e s ) f o re a c hp a na r e p r e s e n t e da n da n a l y s e d f i n a l l y , s u m m a r y , c o n c l u s i o n s a n dw o r k sn e e dt od on e x ta r eg i v e ni nt h el a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) ，c d m a ，t i m eh o p p i n g ，p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n i v 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：望! i 。曼 日期：刀妇年3 月纡日 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：望= l2 垫 导师签名： 日期：堋年3 月，节日 个人简历 图表目录： 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 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 - 1 1 图3 - 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 一1 5 图3 1 6 图3 1 7 t h p p m 发射机原理框图 t h p p m 时间关系图 t h p a m 发射机原理框图 d s c d m au w b 发射机原理框图 d s c d m al i w b 时序关系图 跳时和p p m 组合后的发端组成框图 t h p p 接收机原理框图 发射机产生的理想脉冲波形( 高斯脉冲波形) 脉冲在空中传播时的理想波形 理想的接收脉冲波形 实际的发送与接收脉冲波形 跳时码序列产生的原理框图( n = 4 ，k = 2 ) 参考脉冲波形 参考脉冲与接收脉冲的互相关函数波形 r a k e 接收机原理框图 双指数衰减曲线图与s a l e h 模型信道冲激响应 串行滑动相关捕获法原理框图 捕获方案框图 延迟锁相环( d l l ) 原理图 接收波形自相关函数曲线 鉴相曲线的形成方法 鉴相曲线 7 5 0 m m 他 圪 h 均 毖 船 盟 蛇 蝎 盯 躲 鹅 粥 图4 - 1单链路单工系统仿真模块图 图4 2跳时码生成器模块( t h c o d g e n ) 结构图 图4 - 3单链路单工、a w g n 信道状况下系统的误码率曲线 图4 - 4跳时前信号功率谱密度 图4 5跳时后信号功率谱密度 图4 - 6两个跳时码序列的差值分布 图4 72 用户脉冲密集碰撞情况下系统误码性能曲线 图4 8多址干扰对系统误码性能的影响( 4 用户，瓜= 3 9 ) 图4 9多址干扰对系统误码性能的影响( 4 用户，肥= 2 0 ) 图4 - 1 0多址干扰对系统误码性能的影响( 4 用户，肥= 1 0 ) 图4 一多径信道( - - ) 冲激响应，。 图4 一1 2多径信道( 一) 情况下系统误码性能曲线 图4 一1 3多径信道( 二) 情况下系统误码性能曲线 图4 一1 4同步误差对系统误码性能的影响 图4 - 1 5捕获方案c o s s a p 模块图 图4 1 6跟踪方案c o s s a p 模块图 图4 1 7串行滑动相关输出( m 个帧相关值累加) 图4 1 8串行滑动相关输出( 眦个帧相关值的平方累加) 表3 一l 跳时码生成器端口输出值。 表3 2 随机抽头延迟线模型参数表。 表3 3s a l e h 模型参数表， 表4 1 多径信道( 一) 数据 表4 2 多径信道( 二) 数据 北 铊 蛎 们 伯 姐 盯 豇 肌 口 弱 弱 暑 叩 盯 鼹 黯 珀 凹 鲫 鸥 昭 主要符号表 缩略词： a s i c a p p l i c a t i 0 1 3s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u j t a w g n b e r b p m c d m a d s c d l l f f t i r p a m p p m p n r f i d s n r t h t m u w b u w b 物理量符号： a d d i t i v ew h i t eg a u s sn o i s e b i te r r o rr a t e b i p h a s em o d u l a t i o n c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i r e c ts e q u e n c ep h a s ec o d e d d e a yl o c k e dl o o p f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m i m p u l s er a d i 0 p u l s ea m p1ir u d em o d u l a ri o n p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n p s e u d o n o i s e r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n s i g n a ln o i s er a d i o t i m eh o p p i n g t i m e m o d u l a t e du w b u 1 t r a - w i d eb a n d w i d t h 带宽 x 特定用途集成电 路 加性高斯白噪声 误码率 双相调制 码分多址 直接序列调制 延时锁相环 快速傅立叶变换 冲激无线电 脉冲幅度调制 脉冲位置调制 伪噪声伪随机 信噪比 跳时 超宽带 f r a c tio n a lb a n d w id t h 计量单位： n s纳秒 m s毫秒 s秒 d b 分贝 调制比( 脉冲个数数据位数) 数据传输速率 捕获时间 时隙长 帧长 f r a m et i m e 脉宽 采样率 p p m 调制因子 q m 尼 乙正 弓0 昭 占 电子科技大学硕士论文 第一章超宽带无线电技术及其发展动态 1 1 超宽带无线电技术简介 超宽带( u 1 t r aw i d e b a n d ，缩写为u w b ) 信号是指一1 0 d b 带宽超过其中心 频率的2 5 ( b ，= 2 ( 厶一五) ( 厶+ 兀) 2 5 ) 或信号频谱范围超过1 5 g h z 的 无线信号。目前最常用的超宽带信号形式是冲激无线电( i m p l u s er a d i o ) ，它 在时域看是脉宽极窄( 纳秒级，通常为0 卜2 n s 或更低) 的冲激脉冲序列，从 频域看则有极宽带宽和很低的功率谱密度。 超宽带系统的信号形式决定了它有如下特征： ( 1 )隐蔽性好，具有低检测与截获概率。因其频谱范围极宽，功率谱密度 极低，可隐藏在环境噪声和其它信号中，难以被非目标接收机检测与 截获。 ( 2 )多径分辨力强，抗多径干扰能力强。最常用的u w b 信号形式是脉宽极 窄、占空比很低的脉冲序列，不同路径信号的时延差大于脉宽时，就 能很容易的分离开来，进行分集接收，从而可减少多径干扰的影响。 ( 3 )穿透能力强。大部分超宽带信号的频谱是从接近直流到几g h z 。信号 中的低频成分使它具有较强的穿透障碍物的能力。 ( 4 )收发设备简单。因为可直接发送无载频的脉冲串，不需迸行传统的中 频和射频调制，收发设备也就比采用传统信号的的收发信机简单。 ( 5 )有可能与传统的窄带无线设备共存于相同频段而互不造成破坏性干 扰，从而大大节省紧张的频率资源。”1 所以，超宽带技术有者广阔的应用前景，可用于高分辨率雷达、短距离无 线通信和精确定位等领域，完成一些其它技术难以实现的功能。 u w b 用于通信时，通过采用合适的多址与调制方式，可以得到较高的传输 速率和较大的系统容量，并且抗多径干扰能力强，隐蔽性好，不易被非目标接 收机检测、截获，因而适用于对保密性要求高或多径密集环境中的短距离无线 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 通信。本文即重点研究超宽带码分多址( u w b - - c d m a ) 无线通信技术。 u w b 用于定位，可实现精度达厘米级的对移动物体的三维定位及跟踪。 u w b 用于雷达，则可得到隔墙雷达、车辆防撞雷达、成像雷达、探地雷达等 等具有多种用途的高分辨率雷达。 此外，采用超宽带技术，比较容易实现通信、定位、雷达三种功能的一体 化，这也是超宽带技术发展的一个新趋势。”1 1 2 超宽带技术发展历史、现状及未来展望 超宽带信号的应用最早可溯源于一百年前意大利的无线电报发明人马可尼 曾采用过的火花隙脉冲( s p a r kg a pi m p u l s e ) 。”现代超宽带技术的研究与应 用则始于六十年代”。在它的发展过程中，曾有数种不同的名字同时在使用， 如：冲激( i m p u l s e ) ，时域( t i m ed o m a i n ) ，无载波( c a r r i e r f r e e ) ，非正弦 ( n o n s i n u s o d i a l ) 等等，直至1 9 8 9 年才被美国军方明确定名为超宽带 ( u 1 t r a w i d eb a n d ) ，缩写为u w b 。”。 超宽带技术在雷达方面的应用研究发展较早，也相对成熟。超宽带雷达距 离分辨率高，通常远小于目标尺寸，高的距离分辨率和宽频谱的结合使它具有精 确目标识别能力，能获得复杂目标的细微特征；并且穿透能力强，能穿透叶簇、 地表、云层等障碍，探测并分辨隐蔽目标。“”因此超宽带雷达在雷达探测、 成像、目标识别等方面具有广泛的应用价值，可用于地质探测、人员搜救、医 务监护等诸多领域，完成许多其它技术难以实现的特殊功能，因而其研究也倍 受重视。从六十年代至今，已有数百篇相关论文、专利发表，数种特殊用途的 超宽带雷达问世。早在七十年代，就已有超宽带雷达进入商用，比如1 9 7 4 年美 国人m o r e y 研制的超宽带探地雷达”3 。目前，超宽带雷达技术已经被成功用于 探地雷达、隔墙雷达、定位、防撞报警、液位检测、入侵者检测等方面，以后还 可能被用于道路检测、相机自动聚焦、r f i d 、呼吸心脏监护等用途。” 超宽带技术在通信方面的应用研究发展相对迟缓。虽然在七十年代，纳秒 级脉冲序列的产生、调制、接收等方面的理论就已提出”，但直到1 9 9 3 年美 国南加州大学的s c h o l t z 教授将码分多址的概念、方法引入超宽带通信领域。1 ， 加之超宽带通信天生具有抗多径衰落能力强、隐蔽性好等特点，并且有些研究 电子科技大学硕士论文 者提出超宽带信号功率谱密度极低，可与传统无线系统共享频率资源而互不造 成破坏性干扰，超宽带技术在通信方面的应用研究才罔益受到重视，尤其是在 多径密集环境中的无线通信( 比如室内无线通信) 和对保密性要求高的无线通 信( 比如战术无线通信) 领域备受关注。目前已有百余篇论文在i e e e 期刊和会 议文献上发表，内容涉及扩频、多址与数据调制方式。”“”，检测与解调。1 。，收发同步方法3 ，u w b 信道8 ”“”，频谱特性“”“，系统容量、性 能“3 ，具体应用“”。删，与其它系统共存时的干扰与抗干扰性能”“1 ， 等等。但除多址与调制方式有较为成熟且被广泛认同的研究成果，其余方面或 者研究较少，或者结论存在分歧，仍需继续深入研究，尤其是收发同步方法、 干扰与抗干扰性能、u w b 信道等方面。 超宽带技术近年升温的一条重要原因，是一些u w b 的支持者提出：u w b 信号 功率谱密度极低，可以与传统无线通信系统共享频率资源而互不造成破坏性干 扰。1 。这在当今无线频率资源日益紧张的状况下，无疑具有很大的吸引力。但 这个论点颇受争议，成为超宽带领域的一个焦点问题。 u v b 的支持者认为u w b 能与传统无线系统共享频率资源的理由是：u w b 信号 的功率极低地分布在很宽的频谱范围内，只会令距离较近的窄带系统接收机感 到背景噪声略有提高，而不会造成破坏性干扰：反过来，u w b 的极宽频带也令它 即使受到高功率窄带干扰，也能获得很高的处理增益，而不至受到破坏性影响。 u w b 的反对者们则认为u w b 会侵害传统窄带接收机，因为：( 1 ) u w b 信号的 功率并不是均匀地分布于其所占的整个频带，而会含有幅值较大的离散谱线， 如离散谱线正好落在窄带接收机频带内，则会带来较大干扰。( 2 ) u w b 信号虽然 在频域看有极低的功率谱密度，在时域看则是有较高瞬时峰值的极窄脉冲序列， 可看作是一连串的暂态信号。暂态信号对材料与电路的影响十分复杂，且尚未 得到充分研究。一连串暂态信号对传统接收机和电子设备的影响更为复杂，可 能是单个暂态信号所引起响应的非线性叠加，且会随各种材料、电路的弛豫时 间( r e l a x a t i o nt i m e ) 的不同而不同。1 。如大密度应用超宽带技术，这种累积 效应有可能会对其它接收机、电子设备造成破坏性影响。 目前，许多组织、科研机构、厂商等仍在就这个问题做着各种研究和测试， 其结论对超宽带技术的应用前景会有十分重要的影响。 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 现在在超宽带技术的研究与应用方面处于领先地位的是美国，美国联邦通 信委员会( f c c ) 已修订其规范，以允许u w b 产品的商用。在超宽带技术的研究 与应用上居主导地位的研究机构和厂商有：s c h o l t z 领导的南加州大学的u l t r a l a b ”“，加州大学b e r k e l e y 分校的u l t r a w i d eb a n dg r o u p ”，t i m ed o m a i n 公 司、x t r e m e s d e c t r u m 公司、 m u l t i s p e c t r a ls o l u t i o n s 公司( m s s i ) 、i n t e 公 司、a e t h e rw i r e 公司和p u l s e l i n k 公司等“”，另外还有一些军方的研究机构。 其中t i m ed o m a i n 公司已开发出用a s i c 实现的采用跳时多址和p p m 调制方式的 p u l s o n “芯片组1 ，x t r e m e s p e c t r u m 公司则有采用b p m 调制的t r i n i t y 芯片组。 美国联邦通信委员会( f c c ) ，欧洲电信标准组织( e t s i ) 等机构已经着手 或正在准备为u w b 的应用制订相应的规范。1 9 9 8 年9 月，f c c 就发布了对在f c c p a r t 1 5 规范( 针对非故意发射体的规范) 下应用超宽带产品的可能性进行调查 的文件。”2 0 0 0 年6 月发布了修订p a r t1 5 规范的建议，以便为d w b 的应用铺 平道路。”2 0 0 2 年4 月发布第一份修订方案，允许一些采用u w b 技术的新产品 商用，并为不问类型的u w b 设备订立了三种不同的标准：一是成像系统，包括 探地雷达、隔墙雷达、医学成像、监测系统；二是车载雷达系统；三是通信与 测量系统。对通信与测量系统的主要规定是必须工作在3 卜1 0 6g h z 频率范围 内，设备的作用范围不超出室内，或是由采用端到端方式的手持设备组成。 综上，与其它无线系统相比，超宽带技术具有功率谱密度低、抗多径干扰 能力强、穿透能力强、设备简单、能获得高数据传输率等诸多优势，能完成许 多其它技术难以实现的功能，因而在军用、民用领域都有非常光明的应用前景。 但由于u w b 带宽极宽，覆盖了许多传统窄带系统的频率范围，对传统窄带无线 系统存在着潜在的威胁，其应用时可能会被加上一些限制，它可能会被限制在 某一发射功率下，也可能会被搬至空闲的高频段，令其性能有所损失，如穿透 能力、设备复杂度、作用距离等受损。 1 3 超宽带通信中的关键技术 本文以对超宽带码分多址通信技术的研究为重点，下面即对超宽带通信中 的几项关键技术进行介绍。 电子科技大学硕士论文 1 3 1 扩频、多址与数据调制 超宽带信号是极窄脉冲序列，因而天生具有极宽频谱，通常为接近直流到 几g h z ，但其功率谱密度在带宽中并不是连续均匀分布，而是包含很多离散谱线。 比如等时间间隔( 乃) 发送的脉冲序列的频谱就是间隔为i t , 的梳状线。因此超宽 带信号仍需进行扩频，使其功率谱密度尽量平滑的分布于其带宽范围内。一则 可降低功率谱密度，使之不易被非目标接收机截获。- n 可减少对其频域覆盖 范围内传统窄带接收机的干扰。能否使超宽带信号具有类似自噪声的频谱，对 超宽带技术的应用前景十分重要。 在超宽带通信系统中，扩频和多址是同时完成的，完成的方式目前有两种： 跳时和直接序列调制。 跳时是用跳时码序列( 由伪噪声码控制产生) 去控制脉冲在脉冲序列中的 位置；直接序列调制是将伪噪声码控制极性的脉冲序列直接与数据相乘。它们 分别用控制脉冲位置的跳时码序列和控制脉冲极性的伪噪声序列来区分不同信 道，实现码分多址功能，并同时完成扩频功能。直接序列调制的扩频性能优于 跳删。 另外，对脉冲进行p p m 或p a m 数据调制，也可使频谱进一步平滑。 各种多址和数据调制的实现方法，将在第二章中详细论述。 1 32 检测与解调 最常用的检测接收u w b 信号的方法是相关接收，即将接收到的信号与本地 参考信号( 门脉冲序列) 相乘并在一定时间上积分，得到相关值。然后通过与 门限比较来判断u w b 信号所携带信息。 另一种方法是积分峰值检测法，将接收到的幅度较低的u w b 信号与幅值较 高的本地参考信号( 门脉冲序列) 相加后进行积分峰值检测“。 1 3 3 同步 同步是令接收端门脉冲序列与接收到的u w b 脉冲序列对齐，以诈确解调出 信息数据。 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 u w b 信号是纳秒级脉冲序列，所以u w b 系统对同步精度要求很高，尤其是采 用脉冲位置调制的超宽带系统。这一方面要求超宽带系统采用精度极高的时钟， 目前u w b 系统时钟精度可达3 p s 3 ，基本满足要求。另一方面要求采用快速、 精准的同步方法。 同步通常分两个阶段：捕获与跟踪。捕获是发端在未正式发送信息数据前， 先发送接收端已知的前导信号，接收端进行捕获，以达到粗略同步。捕获可用 串行滑动相关法或匹配滤波器法完成，但捕获时间较长，需采用改进方案以缩 短捕获时间。跟踪是发端开始发送信息数据后，收端通过跟踪达到并维持精确 同步，可用延时锁相环( d l l ) 实现。 1 3 项目研究的内容、目的、意义及具体工作内容 本项目的任务是对冲激式超宽带码分多址无线通信( i ru w b c d m a ) 技术 进行较全面的研究，包括冲激脉冲序列的产生、调制、发射、接收、同步、系 统性能等方面，以便将这种新的无线通信方式用于新一代战术无线通信系统。 信息保密、通信可靠、网络稳定是战术无线通信系统必须具备的品质。因 此战术无线通信要具有低功率谱、低截获率，抗多址干扰和多径干扰能力强， 并有尽可能大的系统容量，收发设备在网络中呈分布式配置，设备故障时网络 稳定等特性。 目前的战术无线通信系统一般采用跳频或直接序列扩频技术，这两种通信 技术都已发展得比较完善，同时针对这两种通信技术的侦收( 即截获) 技术也 在不断改进。比如针对跳频系统，可以利用信道化接收机和采用f f t 的数字接 收机快速搜索，再通过频域、时域和空域特征，把跳频网台的频率集分选出来， 并利用缓存和拼接技术实现解跳。对于直接序列扩频系统，也有能量检测法、 倒谱法、周期谱密度检测法等行之有效的侦收方法。”所以采用这两种技术的 通信系统的信息保密性正日益受到威胁，研制具有更强抗干扰、抗截获能力的 战术无线通信系统势在必然。 i ru w b c 晰a 有比直接序列扩频信号更低的功率谱密度、更强的抗多径干 扰能力，而且在国外尚未发展完善，在国内还未得到充分研究，无疑是新一代 战术无线通信系统的极佳选择，应予以跟踪及研究。 6 电子科技大学硕士论文 本项目对i ru w b - - c d m a 技术的具体研究工作包括：研究分析超宽带通信的 原理，特性，重点研究文献资料中较少涉及或没有涉及的跳时码产生、同步方 案等问题；设计一个具体的超宽带通信系统，并在c o s s a p 平台上进行仿真，分 析仿真结果，提出下一步设计建议。 1 4 本文结构 本文第一章介绍超宽带技术的概念、特性和发展状况及未来展望，介绍超 宽带通信中的关键技术，并说明本研究项目的具体内容和目的、意义所在。 第二章详细介绍两种不同的超宽带码分多址技术，即跳时和直接序列调制， 以及相应的数据调制方法。分析比较其特性、适用范围。 第三章选择基于跳时和脉冲位置调制的超宽带码分多址通信技术作为进一 步研究方向，并设计了一个具体的系统，详细给出收发信机结构，波形及系统 参数设计、跳时码产生方法、u w b 室内信道的统计模型、同步方案等。 第四章介绍在c o s s a p 仿真平台上对所设计的基于跳时和脉冲位置调制的超 宽带码分多址通信系统的仿真。仿真工作分为五个阶段，详细介绍了每阶段的 仿真任务、方法及结果，并根据仿真结果分析系统性能，不足之处提出下一步 改进方法。然后列出仿真中难点及解决办法，并总结仿真结果。 最后一章提出下步对系统进行改进和更深入研究所应做的工作，并对全 文进行总结。 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 第二章超宽带码分多址通信技术 自从码分多址的概念、方法被引入超宽带通信领域，超宽带码分多址通信 技术的研究就日益受到关注，尤其是在多径密集环境中的无线通信( 室内无线 通信) 和对保密性要求高的无线通信( 战术无线通信) 领域。 最初在1 9 9 3 年由美国南加州大学的s c h o l t z 教授提出的超宽带系统码分多 址方案是跳时，即通过用伪随机码控制脉冲在序列中的时间位置来实现多址， 可与p p m 或p a m 数据调制方式相结合，发送携带二进制或多进制数据信息的低 占空比脉冲序列。 后来又有人提出了- 9 十类似直接序列扩频的码分多址方案，称作直接序列 调制( d s c ) 或双相调制( b p m ) “”，是用伪随机码控制极性的脉冲序列直接与 数据相乘，形成携带二进制数据信息的高占空比脉冲序列，并可与p p m 相结合 形成携带多进制数据信息的高占空比脉冲序列。 下面分别详细介绍这两种方案。 2 1 跳时多址方案 跳时( t h ) 是将一帧的时间划分为多个时隙，每帧发送一个脉冲，脉冲在 帧中的位置( 时隙号) 由伪随机码控制。利用伪随机码的低互相关性，可以实 现码分多址。帧长通常为脉宽的i 0 0 i 0 0 0 倍，所以形成的脉冲序列占空比很 低。 采用跳时实现码分多址时，进行数据调制的方式有两种，一是脉冲位置调 制( p p m ) ，一是脉冲幅度调制( p a m ) 。根据信息数据速率不同，每个信息符号 ( s y m b 0 1 ) 可能由几十至几百个经p p m 或p a m 调制后的脉冲组成。 211t h - p p m 二进制p p m 是用正常位置的脉冲代表0 ，滞后一个时间偏移量的脉冲代表l ： 或分别用超前和滞后一个时间偏移量的脉冲代表l 。也可设置多个不同的时j 旬 偏移量以进行多进制p p m 调制。 电子科技大学硕士论文 一串经过跳时和二进制p p i f l 调制后的冲激脉冲序列可表示为 s ( u ，f ) = w ( t 一_ ，弓一q ( “) t 一8 1 ：) i ，m 1 ( “) ) ( 2 1 ) ，一 其中，u 表示s 亿砂是随机过程。w ( t ) 为脉冲波形。r ，为帧长( f r a m e t i m e ) ， w ( t 一乃) 是一串间隔为乃的脉冲序列。 c ， ) ) 是跳时序列，由伪随机序列控制产生，用来区分不同信道， c ，( “) o ，1 ，2 ，m 一1 。五为时隙宽度。 l 。 【d ，( “) 三。是信息数据，d i o ，1 ) 或 一1 ，+ 1 ) 。万为进行p p m 调制时所用的 时间偏移量，称作p p m 调制因子。每b i t 信息数据用几个脉冲传送， 7 彻表 示取整。若d l ，。】20 ，第j 个脉冲位置不变，d l 删，】2 l ，第，个脉冲脉冲后 移占。 采用t h p p m 的发射机原理框图如图2 一l 所示。经过跳时和p p b l 的超宽带 信号，可用图2 2 所示的时间关系图更直观的表示。 由于跳时和p p m 都是对脉冲的时间位置进行调整，同时采用这两种技术的 u w b 又称为t m - u w b 。跳时和p p m 也可以合为一步完成，就是将跳时所需时间偏 移量和p p m 所需时间偏移量相加后用于控制脉冲在脉冲序列中的时间位置。 图2 1t h p p m 发射机原理框图 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 b i t lill 。iilil 。 ? “i “_ “一_ ：_ 一 ili il i liijllliillltiilil m 一7 一+_n_ l 1 v j f r iii 。1 iiiiii ll iliil li ill i iii i i 而1 + ，+ l 2 12t h - p a m 图2 2t h p p mt , d 间关系图 以n 为周期 的脉冲序列 跳时后的 脉冲序列 p p m 后的脉冲 ( d = 1 ) p a m 最常见的形式是以极性相反的脉冲代表1 。经跳时和p a m 后的冲激脉 冲序列可表示为： s ( u ，r ) = d i ，。1 ) o 一乃一c ，( “) 瓦) ( 2 2 ) d f ，m j ( - 1 ，+ 1 ) 为信息数据，其余符号含义同( 2 1 ) 式。若d 【洲。】= 1 第j 个脉冲幅度为1 ，若d 【，。l = 一i ，第个脉冲脉冲幅度为一1 。 图2 3t h p a m 发射机原理框图 电子科技大学硕士论文 采用t h - p a m 的发射机原理如图2 3 所示。 2 1 3t h p p m 与t h p a m i 生能比 交 研究表明，t h p a m 系统的抗多径干扰能力优于t h p p m 系统”1 ，另外t i q - - p a m 对时间精度的要求低于t h - - p p m 。但采用p p m 可实现多进制数据调制”， 获得较高的数据传输率，且跳时与p p m 都是对脉冲时间位置的调整，可相加后 次完成，以简化发送与接收设备。所以目前对t h - - p p m 的研究与应用更多。 2 2 直接序列调制多址方案 这种方案类似于直接序列扩频，其实现方法是在发端将二进制数据信息( + 1 ，一1 ) 直接与一串由伪随机码控制极性的冲激序列相乘。用不同的伪随机序 列来区分不同信道以实现码分多址。脉冲发送间隔与p n 码的码片宽度相同，所 以形成的信号是高占空比的冲激脉冲序列。这种调制方法称作直接序列调制 ( d i r e c ts e q u e n c ec o d ed s c ) 或双相调制( b i p h a s em o d u l a t i o nb p m ) 。 收端将接收信号再次与相同的伪随机码控制的冲激脉冲序列相乘，然后通 过检测脉冲极性，即可解调出数据。 图2 4 是采用直接序列调制的发射机的原理框图”i 为i ， cr 是由p n 码控制极性的冲激序列 c ( f ) = c ，d ( 卜f 瓦) 。图中，信息数据d ( 2 3 ) f c ， 是周期为他的伪随机序列，c i 1 ，7 ：_ 为p n 码码片宽度( c h i pt i m e ) ， 也是脉冲发送间隔。 设每位数据调制m 个脉冲，则经过数据调制与脉冲成形后，发端输出 y o ) = d f i l q c ，w ( t 一暖) ( 2 - 4 ) 信息数据西卜l j1 ) 、p n 码o f l ，1 ) 、由c ，控制极性的冲激序c ( 0 ，以 及经过直接序列调制后的冲激序列“( t ) 的时序关系如图2 5 所示。 冲激式超宽带码分多址无线通信系统研究 图2 - 4d s c u w b 发射机原理框图 fl “ jlr 。卜 iiilo i i! io 广 c “ 广门l li li!lu i l f r，llli l i 。i 。i l o i 一r 砂 iiiiii l。l。l 。 。l l。lil 。 图2 - 5d s c u w b 时序关系图 另外，将直接序列调制与p p m 相结合，可以完成多进制数据调制。“7 1 直接序列调制u w b 发送的是高占空比脉冲序列，其时域波形近乎连续信号， 因而易受多径干扰的影响。但经过直接序列调制的超宽带信号，频谱中无离散 谱线，采用适宜的p n 码，可得到接近白噪声的超宽带信号，因而对传统窄带系 统造成破坏性干扰的可能性比经跳时产生的超宽带信号更小1 。采用d s c u w b 能得到很高的数据传输率，可达几百兆b i t s “。因此d s c u w b 适用于短距离高 速无线数据传输。( d s c - - u w b 也常缩写为d s - - c d m au w b ) 电子科技大学硕士论文 第三章基于跳时和脉冲位置调制的超宽带码分多址通信系统设 计方案 本章提出了一个基于跳时和脉冲位置调制的超宽带码分多址通信系统的较 完整设计，包括收发信机的基本结构，所采用的脉冲波形、参数，跳时码生成 方法及参数，室内信道模型和同步