（通信与信息系统专业论文）chirp超宽带通信的调制和时间同步技术研究.pdf

摘要 摘要 超宽带技术能实现高速通信，近年来正成为无线通信领域的研究热点。基于 c h i r p 扩频技术的超宽带系统还具有抗干扰能力强、抗频偏能力强、抗多径能力强 和发射功率低等优点，因此其应用前景十分广阔。2 0 0 7 年，c h i r p 扩频技术成为i e e e 8 0 2 15 4 a 物理层标准之一，就是对其发展潜力的最好证明。 本文对c h i r p 超宽带通信技术，特别是c h i r p 超宽带的调制方法和时间同步方 法，进行了深入研究，主要内容包括： 分别介绍了超宽带的概念、c h i r p 超宽带的发展与应用以及c h i r p 超宽带的研 究现状，并列出了c h i r p 超宽带研究中有待解决的一些问题，指出了本文研究的内 容。随后介绍了c h i r p 超宽带的核心c h 卸扩频技术和i e e e8 0 2 1 5 4 a 工作组 提出的超宽带信道模型。 研究了c h i r p 超宽带的现有的调制方式，包括二进制正交键控调制和直接调 制。从理论上分析了这两种调制信号的功率谱，并研究了不同解调方法下的误码 率，通过仿真对理论结果进行了验证。推导了二进制正交键控调制中相关系数的 表达式。跟直接调制相比，二进制正交键控调制不需要信道估计，但信息传输速 率较低，针对这点不足，在二进制正交键控调制的基础上提出了一种新的调制方 式及其带差分编码的模式，即四进制双正交键控调制和差分四进制双正交键控调 制。分析了四进制双正交键控调制信号的功率谱和误符号率，并仿真了差分四进 制双正交键控调制在超宽带信道中的误码率。 分析了同步误差对系统误码率的影响。随后介绍了常用时间同步算法，并证 明了该算法在高信噪比条件下是对信道时延的近似的最大似然估计。针对常用时 间同步算法在低信噪比条件下效果不好的问题，基于干扰抑制的思想提出了改进 型时间同步算法，并通过仿真对比了改进型时间同步算法相对于常用时间同步算 法的性能提高。最后针对高阶调制需要信道估计的问题，通过引入传输参考技术 提出了信道和时间联合估计算法，并通过仿真研究了该算法的性能。 对使用三种不同调制方式的c h i r p 超宽带系统，设计了易于实现的数字电路结 构。针对数字匹配滤波器消耗资源太大的问题，通过单比特量化滤波器系数和资 源复用降低了该滤波器的资源占用。在电路板上对三种系统进行了测试，测试结 果符合理论分析。 摘要 关键词：超宽带，c h i r p 扩频，调制，时间同步 i i a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) r a d i ow h i c h c a na c h i e v eh i g h s p e e d c o m m u n i c a t i o n si sw i d e l yr e s e a r c h e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d f u r t h e r m o r e ，t h e u w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do nc h i r ps p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yh a v em a n y m e r i t s ，i n c l u d i n gl o wp r o b a b i l i t yo fi n t e r c e p t ，i n s e n s i t i v i t yt of r e q u e n c yo f f s e t ，g o o d a n t i m u l t i p a t hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e r s oc h i r pu w bw i l lh a v e ab r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t i n2 0 0 7 ，c h i r ps p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g ya p p r o v e di n t oi e e e 8 0 2 1 5 4 ap h y s i c a ll a y e rs t a n d a r dp r o v e si t sd e v e l o p m e n tp o t e n t i a l w ed e e p l y i n v e s t i g a t ec h i r pu w bc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y m o d u l a t i o ns c h e m e sa n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s t h er e s e a r c hi n c l u d e st h e f o l l o w i n gt o p i c s ： w ef i r s t l ys u r v e yt h ec o n c e p to fu w b ，t h eh i s t o r y , t h ea p p l i c a t i o na n dt h er e s e a r e h s t a t u so fc h i r pu w b s o m ec o n c e n t r a t e dp r o b l e m si nt h er e s e a r c ho fc h i r pu w ba r e l i s t e d a n d0 1 1 1 m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ep o i n t e do u t t h e nw ei n t r o d u c et h ec h i r p s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yw h i c hi st h ec o r eo fc h i r pu w ba n dt h eu w b c h a n n e l m o d e lp r o p o s e db yi e e e8 0 2 1 5 4 at a s kg r o u p w es t u d yt h em o d u l a t i o ns c h e m e so fc 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 n ( d 峋t h ep o w e rs p e c t r u md e n s i t yo ft h e s et w o s c h e m e sa r ed e r i v e da n dv e r i f i e d ，a n dt h e i rb i te r r o rr a t e sa r ea l s os t u d y e d t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so fb o ka r ea n a l y z e d c o m p a r e dt od m ，t h ed e m o d u l a t i o no f b o kd o e s n tn e e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n ，b u ti t sr a t eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni sl o w s ow ep r o p o s ean e wm o d u l a t i o ns c h e m ea n di t sd i f f e r e n t i a lc o d i n gm o d e ，q u a t e r n a r y b i - - o r t h o g o n a lk e y i n g ( q b o k ) a n dd i f f e r e n t i a lq u a t e r n a r yb i - o r t h o g o n a lk e y i n g ( d q b o k ) 。t h ep o w e rs p e c t r u md e n s i t ya n ds y m b o le r r o rr a t eo fq b o k i sa n a l y z e d a n dt h eb i t6 w l o rr a t eo fd q b o ki nt h eu w bc h a n n e li si n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o n s w ea n a l y z e dt h ei m p a c to fs y n c h r o n i z a t i o no f f s e to ns y s t e mp e r f o r m a n c e a n d t h e nt h ec o m m o nt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi sa p p r o v e dt ob e t h ea p p r o x i m a t em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o no fc h a n n e ld e l a yi nt h ec o n d i t i o no f l o ws i g n a lt on o i s er a d i o ( s n r ) b e c a u s et h ec o l n l n o ns c h e m ei sv e r ys e n s i t i v et on o i s e ， h i 觚i r n p r o v e dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n s c h e m eb a s e d o ni n t e r f e r e n c em i f i g a t l o n m e c h a n i s mi sp r e s e n t t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds c h e m e 蚰p r o v e s t n e s v s t e i np e 怕m a n c e a tl a s t ，f o re s t i m a t i n gc h a n n e li nt l i 曲e l - o r d e rm o d u l a 乜o n a j 0 i n t c h a n n e la n d 缸l i n ge s t i m a t i o ns c h e m eb a s e do nt h et r a n s m i t t e dr e f e r e n c et e c h n o l o g y l s p r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo f j o i n te s t i m a t i o ns c h e m e i si n v e s t i g a t e db ys l m u l a t l o n s w ed e s i g nt h ed i g i t a lc i r c u i ta r c h i t e c t u r e sf o rc h i r pu w b s y s t e m su s i n g 恤e e d i f | c 旨e n t l o d u l a t i o ns c h e m e s d u et ob i gr e s o u r c e sc o n s u m p t i o no f t h ed i g i t a lm a r c h e d f i l t e r , o n e - b i tq u a n t i f i c a t i o n o fi t sc o e f f i c i e n t s i sc h o s et or e d u c ei t s s o u r c e s c o n s 啪p t i o n w et e s tt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n so ft h e s es y s t e m s o nt h ec l r 洲t b o a r d a n dt h et e s tr e s u l t sa g r e ew i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w 。r d s ：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 ，m 。d u l a t i o n ，t i m i n gs y i l c h r 。m z a t i o n i v 图目录 图目录 图2 1 跳频扩频的示意图7 图2 2 跳时扩频的示意图8 图2 3c h i r p 信号及其压缩后的波形1 0 图2 4c h i r p 信号的幅度谱1 3 图2 5 带噪声的c h i r p 信号及其匹配滤波后的波形。1 4 图2 - 6 有频偏的c h i r p 信号被压缩后的波形15 图3 1b o k 调制前后的波形2 1 图3 2b o k 调制解调框图2 2 图3 3c h i r p 信号通过匹配滤波器和非匹配滤波器的输出波形2 3 图3 4b o k 信号的功率谱2 5 图3 5b o k 解调在a w g n 信道中的误码率曲线3 0 图3 - 6 相关系数与t b 积的关系图3 0 图3 7b o k 非相干解调在超宽带信道中的误码率曲线3l 图3 - 8b p s k + d m 调制前后的波形3 2 图3 - 9d m 调制解调框图。3 2 图3 1 0b p s k + d m 信号的功率谱3 4 图3 1 1d m 调制解调的误码率曲线3 6 图3 1 2q b o k 调制前后的波形3 7 图3 1 3q b o k 调制框图一3 7 图3 1 4q b o k 调制框图二3 7 图3 15q b o k 解调框图3 8 图3 1 6q b o k 信号的功率谱4 1 图3 1 7q b o k 和d q b o k 调制解调的错误率曲线4 3 图4 1d mc h i r p 超宽带接收机结构图4 4 图4 2 不同同步误差下的系统误码率曲线4 7 图4 3 使用改进型时间同步算法的d m 接收机框图5 0 图4 4 信噪比增加单元的结构图5 0 图4 5 干扰抑制前后的窄脉冲波形5 1 i 图目录 图4 6 时间捕获单元的结构图5 1 图4 7 不同同步算法下的d m 接收机在a w g n 信道中的误码率曲线5 2 图4 8 不同同步算法下的d m 接收机在超宽带信道中的误码率曲线5 3 图4 9 使用信道和时间联合估计算法的d mc h i r p 接收机框图。5 4 图4 1 0 信道和时间联合估计算法的时间同步模块结构图5 5 图4 11 不同参考脉冲幅度和环路增益下的1 6 q a m + d m 系统误码率曲线5 6 图4 1 2 不同存储深度下的16 q a m + d m 系统误码率曲线5 7 图5 1b o k 发射机的实现结构图一5 9 图5 2b o k 发射机的实现结构图二6 0 图5 3b o k 接收机实现结构图6 0 图5 4 匹配滤波器实现结构图一6 1 图5 5 匹配滤波器实现结构图二6 2 图5 - 6 简化后的匹配滤波器实现结构图6 2 图5 7b o k 发射机输出的基带c h i r p 信号波形6 3 图5 8b o k 接收机收到的基带c h i r p 信号波形6 3 图5 - 9b o k 接收机中匹配滤波器输出信号的模平方的波形6 4 图5 1 0d b p s k + d m 发射机实现结构图6 4 图5 11d b p s k + d m 接收机结构图6 5 图5 1 2d b p s k + d m 发射机输出的基带c h i r p 信号波形6 5 图5 1 3d b p s k + d m 接收机中匹配滤波器输出的窄脉冲的模平方波形6 6 图5 。1 41 6 q a m + d m 发射机实现结构图6 6 图5 1 51 6 q a m + d m 接收机实现结构图6 7 图5 1 61 6 q a m + d m 接收机中匹配滤波器输出的窄脉冲的波形6 7 图5 1 71 6 q a m + d m 接收机中的星座图6 8 表目录 表目录 表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 a 信道测试数据及特征参数表1 9 表3 - 1g 端口和h 端口符号、匹配滤波器类型与c h i r p 信号的对应关系表3 9 i x 缩略语说明表 a d c n w q n b e r b f s k b o k b p s k c s s d b p s k d m d q b o k d s c d d s s s e 冲 f c c f h s s f p g a 破 l f m l o s m 旧o f d m n l o s p n q a m 缩略语说明表 a n a l o gt od i 西t a lc o n v e r t e r a d d i t i v e 删t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yf r e q u e n c y s h i f tk e y i n g b i n a r yo r t h o g o n a lk e y i n g b i n a r yp h a s es h i 最k e y i n g c h i r ps p r e a ds p e c t r u m d i f f e r e n t i a lb i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g d i r e c tm o d u l a t i o n d i f f e r e n t i a l q u a t e r n a r yb i o r t h o g o n a l k e y i n g d i r e c ts e q u e n c e c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 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 e q u i v a l e n ti s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r 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 f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t n m a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y i m p u l s er a d i o l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n l i n eo fs i g h t m u l t ib a n d - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x n o n l i g h to fs i g h t p s e u d on o i s e 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 模数转换器 加性高斯白噪声 误码率 二进制频移键控 二进制正交键控 二进制相移键控 c h i r p 扩频 差分二进制相移键 控 直接调制 差分四进制双正交 键控 直接序列码分多址 直接序列扩频 等效各向同性辐射 功率 联邦通信委员会 跳频扩频 现场可编程门阵列 冲激无线电 线性调频 视距 多带正交频分复用 非视距 伪随机 正交幅度调制 缩略语说明表 q b o k r o m s a w s e r s n r t h t h s s 豫 i 肿 慨n q u a t e r n a r yb i - o r t h o g o n a lk e y i n g r e a do n l ym e m o r y s u r f a c ea c o u s t i c 腑弘e s y m b o le r r o rr a t e s i g n a lt on o i s er a t i o t i m eh o p p i n g t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m t r a n s m i t t e dr e f e r e n c e u l t r aw 讯e b a n d w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s x i 四进制双正交键控 只读存储器 声表面波 误符号率 信噪比 跳时 跳时扩频 传输参考 超宽带 无线个域网 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：一_ 嘻 日期：。7 ，年圭月8 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：孟! 盔导师签名： e t 期：z o o ? 年岁月占日 第一章引言 第一章引言 超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 技术早在六、七十年代就已在雷达信号处理领 域引起人们的注意 1 】，只是受到当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛 的应用。近年来无线通信技术的迅猛发展及其在商业中的成功应用深深地影响了 人们的生活。随着人们对大容量、高速、高安全性、高可靠性的无线通信的需求 的不断增长，人们不得不在过度拥挤且十分有限的无线频谱上寻找新型技术。而 超宽带技术可以允许新的高速业务与当前的无线通信系统以最小或者没有干扰的 方式共存，正好可以满足人们的需求。并随着微电子技术和射频、天线技术等的 快速发展，特别是低成本高采样速率和高处理速率的超大规模集成电路的飞速发 展，使超宽带信号处理和超宽带无线通信的实用化成为了可能。如今，超宽带无 线通信已经成为了研究热点。 本章将先介绍超宽带的概念，随后针对本文研究的c h i r p 超宽带介绍其发展与 应用，然后介绍c h i r p 超宽带的研究现状，最后是本文的研究内容及结构安排。 1 1 超宽带的概念 超宽带的概念首先由美国军方于1 9 9 0 年提出【2 】，其定义的特征是信号的相对 带宽大于2 5 的电磁波。这里的相对带宽是指2 ( 厶一无) ( 厶+ 五) ，其中厶表示 信号高端频率，以表示信号低端频率，厶一无表示信号带宽，即有 信号的相对带宽= 警= 警 o 2 5 ( 1 - 1 ) 式中工= ( 厶+ 五) 2 ，为信号的中心频率。 2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c m i o n sc o m m i s s i o n ，f c c ) 给出了“超宽带刀的两种定义。第一种定义对军方的定义作了两处修改，一是信 号的相对带宽特指l o d b 带宽，即厶和分别表示低于信号最大发射功率( 包括天 线的影响) 1 0 d b 处的高端和低端频率，二是信号的相对带宽从大于2 5 改为大于或 等于2 0 ；第二种定义是信号的l o d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z ，而不管相对带宽 是多少。为避免对现存重要通信系统潜在的可能干扰，f c c 一方面将超宽带通信 电子科技大学硕士学位论文 系统限制在3 1 g h z 1 0 6 g h z 频带，同时对其辐射功率做出了严格的限制，将其等 效各向同性辐射功率( e q u i v a l e n ti s o t r o p i c r a d i a t e dp o w e r ，e i r p ) 限制在 4 1 3 d b m m h z 以下。 “超宽带 只是从信号带宽的角度来定义无线电信号，因此有多种不同的实 现方式。其中传统而且典型方法是利用纳秒级的窄脉冲的宽频谱特性来实现，直 接发射经过调制的窄脉冲，无需正弦载波，通常将其称为冲激无线电( i m p u l s e r a d i o ，m ) t 3 1 。当窄脉冲的带宽达到超宽带定义的要求时，称为超宽带冲激无线电 ( u l t r aw i d eb a n di m p u l s er a d i o ，i r v w b ) ，其信号调制主要是对脉冲的幅度和脉 冲在时间轴上的位置偏移进行调制。美国f r e e s c a l e 公司把直接序列扩频技术跟 i r u w b 想结合，提出了基于直接序列码分多址( d i r e c ts e q u e n c e - c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，d s c d m 舢的超宽带系统方案【4 j ，该方案己成为i e e e8 0 2 1 5 3 a 高速无线个域( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ，w p a n ) 的物理层提案之一。此 外，因为i r u w b 发射的是非连续的脉冲串，因此非常适合运用跳时( t i m e h o p p i n g ，t h ) 技术【5 】，i r u w b 的发展推动了近几年来跳时技术的进步。 另一类的超宽带无线技术仍然基于正弦波的概念发射连续波，其超宽带的实 现可以采用扩展频谱技术或者提高数据速率继而提高射频带宽。一个典型例子是 i e e e8 0 2 1 5 3 a 高速无线个域网的另一个物理层提案多带正交频分复用( m u l t i b a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ，m b o f d m ) 超宽带系统方案j ，它 的基本特点是将f c c 规定的3 1 g h z 1 0 6 g h z 带宽划分为多个满足超宽带定义子 带( 大于5 0 0 m n z ) ，在每个子带上采用正交频分复用技术。另一个典型的例子是使 用c h i r p 扩频( c h i r ps p r e a ds p e c t r u m ，c s s ) 技术的c h i r p 超宽带系统方案。在一个 c h i r p 信号周期内，c h i r p 信号的频率随着时间的变化而线性变化，从而表现出线 性调频的特性。因为在一个信号周期内c h i r p 信号的频率会“扫过 一定的带宽， 所以c h i r p 信号也为“扫频信号 。c h i r p 信号是一种扩频信号，所以在通信领域中， 可以用扫过较宽频段的c h i r p 信号来表达数据符号，达到给数据符号扩频的效果。 在工业界，德国的n a n o t r o n 公司一直力推c s s 技术在通信方面的应用。2 0 0 7 年3 月，该公司提出的基于c h i r p 扩频的超宽带方案成为i e e e8 0 2 1 5 4 a 低速无线个域 网物理层标准之一f 7 1 ，展示了其良好的发展前景。本文的研究对象为c h i r p 超宽带 通信。在后续章节中，除非特殊说明，所称“超宽带”均指这种基于c h i r p 扩频的 超宽带。 2 第一章引言 1 2c h i r p 超宽带的发展与应用【8 】 c h i r p 扩频技术是c h i r p 超宽带通信的核心技术。1 9 6 2 年，由w i m d 9 】提起， c h i r p 扩频技术才开始应用于通信领域。但是w i n k l e r 当时只提出了想法，而并没 有针对这一想法给出完整的系统实现方案。直到1 9 6 6 年，h a t a t l 0 】发现c h i r p 扩频 信号具有对多普勒频偏免疫的特性，提出了利用c h i r p 扩频信号进行数据传输的系 统方案，但由于当时还没有较好的产生c h i r p 信号的办法，所以该方案没能付诸实 现。直到1 9 7 3 年，b u s h 【1 1 】首次提出了使用声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，简称 s a w ) 器件产生c h i r p 信号的方法。自此以后，c h i r p 扩频通信的研究者们开始大量 采用了这种成本低廉的模拟设备来产生c h i r p 信号。 1 9 7 5 年以后，声表面波器件的制作工艺一直没有发展。由于无法制作出高性 能的声表面波器件，c h i r p 扩频技术的研究也停滞不前。九十年代初，室内无线通 信的研究逐渐兴起，c h i r p 扩频技术又t s a i 和c h a n g 重新关注【1 2 】。与此同时声表面 波器件有了一定发展，可以产生具有较宽带宽的c h i r p 信号，而宽带宽的c h i r p 信 号能较好地对抗室内的密集多径环境。1 9 9 8 年和1 9 9 9 年，p i n k l e y 连续发表了两 篇文章，提出了基于c h i r p 扩频技术的新的系统方案 1 3 】【1 4 】。 c h i r p 扩频技术类似于直接序列扩频、跳频扩频等传统扩频技术，能抗深度衰 落，发射信号的功率谱密度低，具有低截获概率，在接收机中可以得到高处理增 益。另外，c h i r p 扩频技术还有其特有的优点，即抗频偏能力强，传输距离远，扩 频容易。综合以上优点，c r o p 扩频技术可用于制作发射功率低、抗干扰能力强、 待机时间长的通信设备。 2 0 0 0 年以后，c h i r p 扩频技术受到越来越多的组织和厂商关注。在2 0 0 5 年3 月，经i e e e8 0 2 1 5t g 4 a ( ( 氐速率无线个域网标准化工作组) 投票，致通过将基于 c h i r p 的超宽带技术作为i e e e8 0 2 1 5 4 a 物理层标准的最后两个备选方案之一。 2 0 0 7 年3 月，在i e e e 委员会公布的正式的i e e e8 0 2 1 5 4 a 物理层标准中， c h i r p 扩频技术成为可选方案之一【_ 7 1 。在工业界，德国的n a n o t r o n 公司最早提出了基于 c h i r p 扩频技术的无线个域网解决方案。根据该公司网站的介绍，他们已经成功开 发出了基于c s s 扩频技术的两款低功耗通信芯片：n a n o l o c 和n a n o n e t ，其中 n a n o l o c 还具有精确定位功能。 1 3c h i r p 超宽带的研究现状 c s s 技术已经发展到一定水平，并逐渐在商业上得到应用；但c h i r p 超宽带技 3 电子科技大学硕士学位论文 术的研究还处于初始阶段。到目前为止，人们从抑制干扰、多址方案、s a w 器件、 调制解调、波形设计等几个方面对c h i r p 超宽带进行了研究，并取得了一定的成果： 文献 1 5 提出了一种利用k - l 正交分解降低c h i r p 信号噪声的方法；文献 1 6 1 提出 了一种通过设置不同的扫频参数以区分不同用户的多址方案，文献【1 7 提出了一种 基于c h i r p 码的多址方案；文献 1 8 提出了一种用于c h i r p 超宽带通信的编码方案； 文献 1 9 】介绍了用于超宽带的s a w 解决方案，文献 2 0 1 介绍了一种s a w 器件的制 作方法；文献 2 1 介绍了一种使用差分二进制键控调制的c h i r p 扩频系统，文献 2 2 介绍了一种使用州4 差分正交相移键控调制的c h i r p 系统，文献 2 3 针对使用二进 制正交键控调制的c h i r p 超宽带系统进行了研究，文献【2 4 研究了c h i r p 扩频通信 系统的非相干解调技术；文献 2 6 介绍了一种利用时间反转( t i m er e v e r s e d ) 技术的 c h i r p 超宽带通信系统，文献 2 7 更是把修改后的c h i r p 波形用于认知超宽带系统。 在此基础上，仍需要进一步的对c h i r p 超宽带进行理论研究。同时，在实现方 面，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相对带宽达到2 5 ， 绝对带宽可达5 0 0 m h z 以上的无载波s a w 设备【2 0 】，为c h i r p 超宽带系统的实现提 供了有力的依据。 1 4 本文的研究内容和结构安排 本文的研究目的在于对c h i r p 超宽带的关键技术进行理论分析和链路仿真，并 在硬件上验证所提的算法，为今后的c h i r p 超宽带通信系统进行前期的理论准备工 作，并提供经过验证的算法。本文的研究内容主要包括调制方式、同步方案和硬 件实现三个方面。 当前的c h 卸超宽带系统主要有两种调制方式：二进制正交键控( b i n a r y o r t h o g o n a lk e y i n g ，b o k ) 和直接调带1 ( d i r e c tm o d u l a t i o n ，d m ) 。b o k 方式的实现 简单，但传输速率并不太快。d m 方式能利用高阶数字调制提高传输速率，但在密 集多径环境下实现复杂。对两者的性能进行理论分析，以及提出能综合两者优势 的调制方式，是本文的研究重点。 在现有的c h i r p 超宽带接收机中，c h i r p 信号都需要经过匹配滤波，匹配滤波 后得到一个很窄的压缩脉冲，需要有很好的同步算法，才能在极短的时间捕获到 这个窄脉冲。同步算法的研究是本文研究的另一个重点。 c h i r p 信号的产生以及在接收机中的匹配滤波器，可以使用模拟器件也可以使 用数字器件。模拟器件的使用会带来较大的插入损耗，不符合超宽带低功耗的设 4 第一章引言 计思想。数字方式在8 0 年代有研究小组提出过，但是由于当时数字信号处理器件 性能的限制，使得数字c s s 不适合在宽带工作。而现在数字信号处理器件有了很 大发展，可以满足高带宽、大数据量的处理要求，同时数字处理精度高，没有插 入损耗，所以c h i r p 超宽带关键技术的数字实现方式也是本文的研究重点。 本文各个章节的内容安排如下： 第一章：先介绍了超宽带的概念，然后回顾了c h i r p 超宽带的发展与应用，并 分析了c h i r p 超宽带的研究现状，最后对本文的研究内容和结构安排作了介绍。 第二章：先介绍常用的扩频技术，包括直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频； 然后，详细介绍了c h i r p 超宽带技术，包括脉冲压缩技术、c h i r p 扩频的原理和c h i r p 超宽带的特点；最后，介绍了目前广泛采用的i e e e8 0 2 1 5 4 a 超宽带信道模型，该 信道模型将在后续章节的研究中被使用。 第三章：先介绍c h i r p 超宽带通信现有的两种调制方式，即b o k 和d m ，详 细分析这两种调制方式的功率谱和误码率，并给出仿真结果；然后在b o k 的基础 上提出了一种新的调制方式及其带差分编码的模式。 第四章：先分析同步误差对系统误码率的影响；然后提出常用时间同步算法， 并证明了该算法在高信噪比条件下是对信道时延的近似的最大似然估计；针对常 用时间同步算法在低信噪比条件下效果不好的问题，基于干扰抑制的思想提出了 改进型时间同步算法；最后针对高阶调制需要信道估计的问题，通过引入传输参 考技术提出了信道和时间联合估计算法。 第五章：对使用三种不同调制方式的c h i r p 超宽带系统，设计了适合数字电路 实现的硬件结构，并在电路板上对三种系统进行了测试。 第六章：对全文进行概括性总结，指出本文的主要工作及贡献，同时给出下 一步研究工作的建议。 1 5 本章小结 本章首先介绍了超宽带的概念，同时简要介绍了几种现有的超宽带实现方式， 然后回顾了c h i r p 超宽带的发展历史与应用情况，并分析了c h i r p 超宽带的研究现 状，最后对本文的研究内容和结构安排作了介绍。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章c h i 印超宽带的原理 c h i r p 超宽带的核心是c h i r p 扩频技术。c s s 技术不同于其它的扩频技术，有 其特有的优势。本章先对扩频技术作一个概述，包括直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) 、跳频扩频( 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 ，f h s s ) 和跳时扩频( t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，t h s s ) 的简单介绍。然后再详细介绍 c h i r p 扩频技术和c h i r p 超宽带技术。最后，介绍目前广泛采用的超宽带信道模型， 该信道模型将在后续章节的研究中被使用。 2 1 扩频技术概述 长期以来，所有的调制方案的一个主要设计思想是最小化传输带宽，其目的 是为了提高频带利用率。因为带宽是一个很珍贵并且有限的资源。随着窄带化调 制接近极限，最后只有压缩信息本身的带宽了。于是调制技术又向着相反的方向 发展采用扩频技术，即以信号带宽换取信噪比的改善。扩频技术的精确定义 为：“扩频是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式； 频带的扩展由独立于信息的码来实现；在接收端用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据。 瞄8 】 扩频技术通常有4 种类型：直接序列扩频、跳频扩频、跳时扩频和c h i r p 扩频。 下面先介绍前三种类型，下一节再详细介绍c h i r p 扩频。 2 1 1 直接序列扩频 d s s s 通过二进制的伪随机序y l j ( p s e u d on o i s es e q u e n c e ，简称p n 序列) 对信 息序列调制来扩展频谱。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 ，设为胁，设符号时长为z 。扩频时，将要传送的数据符号与 p n 序列进行模2 和运算，由于p n 序列的速率远大于信息的速率，通常， z = 咒蛔x n ，行n ，n 是正整数，表示一