（通信与信息系统专业论文）高斯单脉冲宽度及阶数对超宽带系统性能的影响.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作 者：三堕级研究生 彭会香指导教师堑蕉搓 题目：高斯单脉冲宽度及阶数对超宽带系统性能的影响 英文题目：t h ee f f e c t so fg a u s s i a nm o n o c y c l e s sw i d t ha n do r d e r o nt h ep e r f o r m a n c eo fu l t r a w i d eb a n ds y s t e m s 主题词：高斯单脉冲时间宽度导数阶数 t h p p m u w bt h b p s k u w bd s b p s k u w b k e y w o r d s ：g a u s s i a n m o n o c y c l e s w i d t l l0 r d e r t h p p m u w bt h b p s k u w bd s b p s k u w b 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 超宽带( u w b ) 无线通信利用纳秒及亚纳秒级的极窄脉冲来进行通讯，它具有低成 本、低功耗、高性能等特点，从而成为通信领域近年来广泛研究的课题。本文研究的是高 斯单脉冲的时间宽度和导数阶数对u w b 系统性能的影响。 本文首先介绍了超宽带无线通信系统的发展概况、技术特点、应用趋势、研究方向以 及和其它短距离无线通信技术的区别。然后分析比较了超宽带系统的几种基本调制方法和 多址技术：接着分析了在a w g n 信道情况下p a m u w b 和p p m u w b 的接收机结构及 这两种结构的系统性能，描述了i e e e 8 0 2 1 5 3 a 所推荐的u w b 信道模型，着重介绍了多 径传播情况下的r a k e 接收机原理和结构。在前面所介绍的技术基础上，我们分析比较 了a w g n 信道下t h p p m 和t h 。b p s k 系统性能及多径信道下t h - p p m 和d s b p s k 系 统性能。 最后，本文通过仿真比较了高斯单脉冲时间宽度及导数阶数对u w b 系统性能的影 响。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a - w i d eb 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 m su t i l i z en a n o s e c o n dp u l s e so r s u b n a n o s e c o n dp u l s e s i nr e c e n ty e a r s ，u w bh a sb e e nt h es u b j e c to fe x t e n s i v er e s e a r c hi n c o m m u n i c a t i o na r e a sd u et oi t sl o wc o s t ，l o wp o w e ra n dh i g hp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h ee f f e c t so f g a u s s i a nm o n o c y c l e s l sw i d t ha n do r d e ro nt h ep e r f o r m a n c eo f u w b s y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h e g e n e r a ls i t u a t i o n ，t h e t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h e a p p l i c a t i o nt e n d e n c ya n d t h er e s e 8 r c hd i r e c t i o no fu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n d a l s oc o m p a r e sw i t ho t h e rs h o r td i s t a n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e ni ta n a l y z e ss o m eb a s i c m o d u l a t i o nm e t h o d sa n dm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g i e sf o rt h eu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e x t t h i st h e s i sa n a l y z e sm es t r u c t u r e so ft h ep a m u w bs y s t e m sr e c e i v e ra n dp p m u w b s y s t e m sr e c e i v e ri nt h ea w g nc h a n n e l ，d e s c r i b e st h eu w b c h a n n e lw h i c hi sr e c o m m e n d e d b yt h ei e e e 8 0 2 1 5 3 ag r o u p ，a n dk e e p st h ek e yp o i n t so nt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f t h e r a k er e c e i v e r b a s e d0 1 1t h ei n t r o d u c e dt e c h n o l o g i e s ，a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c e b e t w e e nt h et h - p p m u w bs y s t e ma n dt h b p s k u w bs y s t e mi nt h ea w g n c h a n n e l ，a n d t h ep e r f o r m a n c e sb e t w e e nt h et h - p p m - u w bs y s t e ma n dd s b p s k - u w bs y s t e mi nt h eu w b m u l t i - p a t hc h a n n e l a tl a s t ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h e e f f e c t so fg a u s s i a nm o n o c y c l e s sw i d t ha n do r d e ro nt h e p e r f o r m a n c eo f u w b s y s t e mb yu s i n g m a t l a be m l u a t o r i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 超宽带无线通信技术概述 第一章绪论 无线通信由于它的灵活性和方便性，在过去的几十年里得到了快速的发展。然而随着 多媒体通信业务的不断发展，通信网络需要实现高速的短距离无线接入，同时需要能够实 现无线终端设备在任何地点的数据交互。目前正在使用的无线通信技术已不能很好的满足 这些要求，因此各国学者、专家提出了不同的解决方案，其中超宽带( u w b ：u l t r a w i d e b a n d ) 无线通信技术由于其具有低成本、低功耗、高性能等优点，成为短距离无线通信 研究的热点技术。超宽带技术的研究最早应用于军事雷达和定位设备中，其概念起源于脉 冲无线电( i m p u l s er a d i q ，i r ) 技术，随着短距离无线通信的发展和市场的需求，超宽带 技术逐渐成为一种受到广泛重视的无线通信技术。2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦通信委员 会( f c c ：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 ) 将从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 的频带向u w b 开放，f c c 规定 1 l ： 相对带宽：墨骂掣 2 0 的信号称为u w b 信号。其中，相对带宽为信号功率诺 ) h jl 密度在一1 0 d b 处测量的值，厶、五分别为功率较峰值下降1 0 d b 时对应的上限频率和下限 频率。或者还可定义为在信号功率谱密度在一1 0 d b 处的带宽大于或等于5 0 0 m h z 的信号为 u w b 信号。显然，定义中没有界定信号的时域波形特征，因此，可以有多种方式产生超 宽带信号。常用的脉冲是极窄高斯单脉冲。 在u w b 技术的竞争发展中出现了两个提议，即1 2 ：( 1 ) 采用直接序列码分多址方 式( d s c d m a ：d i r e c t s 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 ) 的超宽带，即最 初的脉冲无线电技术。这种方式是基于m o t o r o l a 获得的x t r e m es p e c t r u m 所创建的技术， 被称为直接序列扩频的技术，可以使很多传输共享相同的频率范围，这使很多小批量( 被 称为p i c o n e t s ) u w b 设备互相连接更为方便。( 2 ) 采用正交频分复用调制方式( o f d m ： 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 i n g ) 的超宽带，这是由多频带o f d m 联盟 m b o a ( m u l f i b a n do f d ma l l i a n c e ，m b o a ) 提出的，此实现方式将3 1 g h z 一1 0 6 g h z 频段分为多个子频段，使用载波将信号调制到各个子频段上去，该物理层方案的优点是可 以利用现有o f d m 技术较为成熟的理论以及设备实现超宽带无线通信。本论文主要讨论 的是d s c d m a 方式。 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 超宽带无线技术特点 ( 1 ) 处理增益高。超宽带处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的 脉冲数，可以做到比目前实际使用的扩频系统高得多的处理增益。 ( 2 ) 多径分辨能力强，定位精度高。常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其 持续时间远大于多径扩展时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。而超宽带 发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，因此u w b 信号的多径分辨率极高， 极高的多径分辨能力赋予u w b 信号高精度的测距、定位能力。 ( 3 ) 传输速率高，系统容量大。数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信 发展的主要趋势。确保提供高质量多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低于5 0 m b p s 。 从信号传播的角度考虑，超宽带由于多径影响的消除而使之可传输高速率数据，超宽带传 输速率可以达到几十m b p s 到几百m b p s 。另外，超宽带发送占空比极低的冲激脉冲，可 以采用跳时( t h ) 扩频调制，便于组成类似于d s - - c d m a 系统的移动网络。由于超宽 带系统具有很高的处理增益，并且具有很强的多径分辨能力，因此超宽带系统用户数量大 大高于3 g 系统。 ( 4 ) 穿透能力强。实验系统证明，超宽带具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有 希望填补常规超短波信号丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用于窄带系统的丛林 通信系统模型同样可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像等。 ( 5 ) 发射功率小，隐蔽性好。超宽带发射功率严格小于0 5 6m w ，功耗只有5 0 7 0 uw ，这相当于蜂窝手机的千分之一，对人体健康影响较小，并且可以大大延长电池的使 用寿命。且由于u w b 系统辐射谱密度极低( 小于一4 1 3d b m m h z ) ，对传统的窄带系统来 讲，u w b 信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，信号被隐蔽在环境噪声和其它信号中， 难以被敌方检测。 ( 6 ) 体积小、功耗低。传统的u w b 技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚 纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的 载频调制解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功 耗。 ( 7 ) 便于多功能一体化。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信， 很容易将定位与通信合，而常规无线电难以做到这一点。超宽带具有极强的穿透能力， 可在室内和地下进行精确的定位，而g p s 系统只能工作在g p s 定位卫星的可视范围之 2 壹室坚皇盔兰雯主堑壅皇兰垡丝兰 墨二兰堕堡 内；与g p s 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。此外，超宽带定位器更为便宜。 正是由于u w b 具有上述特点，且由于其发射功率小，可以与其它的通信系统共享频 率资源，u w b 通信技术得到广泛的关注，在短距离和超短距离无线通信等领域拥有着庞 大的潜在市场。 1 3 与其它短距离无线通信技术比较 现在已经存在的短距离无线通信有很多种，从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输 距离只有l o m 左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与u w b 作一对比i ”，从中更能 显示出u w b 的杰出的优点。 1 3 1i e e e 8 0 2 1l a 与u w b i e e e 8 0 2 1l a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，它主要用来解决办公室局域网 和校园网中用户与用户终端的无线接入，工作在5 g h z u - n i l 频带，物理层速率在5 4 m b p s ， 传输层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。 在短距离的范围( 如l o m 以内) ，i e e e s 0 2 1 1 a 的通信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 ，l1 a 的几十倍；超过这个距离范围( 即大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性能就差很多。因此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 1 a 无法与u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 l a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 1 a 的功耗 相当大。 1 3 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) - 与u w b 蓝牙技术是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。蓝牙 的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。 从技术参数上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多。但 u w b 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优 越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就不会再是优 势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。 3 壹塞些皇查兰堡主堑塑竺堂堡堡苎 苎二童堕竺 内；与g p s 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。此外，超宽带定位器更为便宜。 正是由于u w b 具有上述特点，且由于其发射功率小，可以与其它的通信系统共享频 率资源，u w b 通信技术得到广泛的关注，在短距离和超短距离无线通信等领域拥有着庞 人的潜在市场。 1 3 与其它短距离无线通信技术比较 现在已经存在的短距离无线通信有很多种，从u w b 的技术参数来看，u w b 的传输 距离只有1 0 m 左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与u w b 作一对比 3 】，从中更能 显示出u w b 的杰出的优点。 1 _ 31i e e e 8 0 2 1 l a 与u w b i e e e 8 0 21l a 是由i e e e 制定的无线局域网标准之一，它主要用来解决办公事局域网 和校园网中用户与用户终端的无线接入，工作在5 g h z u - n i l 频带，物理层速率在5 4 m b p s ， 传输层速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可达到1 0 0 m ，而u w l 3 的通信距离在1 0 m 左右。 在短距离的范围( 如1 0 m 毗内) ，i e e e 8 0 2 1 1 a 的通信速率与u w b 相比却相差太大，u w b 可以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1l a 的几十倍；超过这个距离范围( 即大于l o m l ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性能就差很多。因此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 l a 无法与u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 l a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 1 a 的功耗 相当大。 1 3 2 蓝牙( b l u e t o o t h ) 与u w b 蓝牙技术是爱立信、m m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一项无线网络技术。蓝牙 的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它采用2 4 0 h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率为1 m b p s 。 从技术参数上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但 u w b 的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比u w b 优 越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着u w b 的发展，这种优势就不会再是优 势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手不是没有道理的。 势，因此有人在u w b 刚出现时，把u w b 看成是蓝芽的杀手不是没有道理的。 塑塞墅皇查兰堡主竺塞生兰堡堕兰 1 3 3 家庭射频( h o m e r f ) 与i7 w b 第一章绪论 家庭射频( h o m e r f ) 标准是由h o m e r f 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机 与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。h o m e r f 借用了8 0 2 1 1 规范中支 持t c p i p 传输的协议；而其语音传输性能则来自d e c t ( 无绳电话) 标准。h o m e r f 定义 的工作频段为2 4 g h z ，这是不需许可证的公用无线频段。h o m e r f 使用了跳频空中接口， 每秒跳频5 0 次，即每秒钟信道改换5 0 次。收发信机最大功率为1 0 0 m w ，有效范围约5 0 m ， 其速率为1 m b p s 至2 m b p s 。h o m e r f 是专门为家庭无线互连提出的，它可以很好的实现 计算机、打印机、m p 3 以及其它家用电器之间语音和数据的通信和互连，与u w b 相比， 各有优势：h o m e r f 的传输距离远，但速率太低；u w b 传输距离只有h o m e r f 的五分之 一，但速度却是h o m e r f 的几百倍甚至上千倍。 总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。 1 4 超宽带的应用趋势 u w b 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，由于u w b 具有巨大的数据 传输速率优势等特点，得到众多人的关注，但由于它发射功率小，是一功率受限系统，因 此在短距离范围内提供高速无线数据传输将是u w b 的重要应用领域1 4 。 ( 1 ) 无线u s b 和无线1 3 9 4 ：u w b 可能成为无线u s b 的传输物理层标准。u w b 提 供的数据数率从几十m b i t s 到1 gb i f f s ，完全满足u s b 的数据传输数率要求。 ( 2 ) 无线个人空间网络( w p a n s ) ：也被称作家庭网络。用于连接各种家用电器， 如：电脑、p d a 、电视及音响等。w p a n s 致力于可移动的通信装置和消费电子产品间的 短距离a d h o c 连接，可提供高质量的视频和音频发送，存储设备间的数据交换，并取代 家庭娱乐系统中的有线网络。这是目前超宽带应用最看好的潜在开发价值。 ( 3 ) 传感网络：传感网络由某地理区域内散布的大量节点构成。这些节点可部署为 静态的，用于环境监控或传输管理等：也可是动态的，例如军事作战中，成为士兵的随身 装备等。对于传感网络而言，其最核心的要求是低功耗、低成本和多动能性，这正好是 u w b 所具有的特点。此外，由于u w b 的精确定位性能，可提高无线传感网络的位置精 确度。 4 堕室堕皇查兰堡圭婴塞竺兰竺笙苎蔓二兰丝嬖 ( 4 ) 成像系统：与传统的雷达系统不同的是，超宽带雷达脉冲比目标尺寸短。目标 的超宽带发射脉冲的变化不仅体现在振幅和时间位移上，也体现在脉冲形状上。因此，超 宽带波形呈现出有别于传统雷达信号的对于散射的敏感性。 ( 5 ) 车载雷达系统：基于超宽带技术的传感系统可提高传统短距离移动传感器的分 辨率。依靠超宽带的高质量准确性和区分目标的功能，相信智能碰撞避免和巡航控制系统 已为时不远了。这些还能有助于道路交通管理。超宽带技术还可用于从加油站、路边、机 场等公共设施下载高速数据，提供给车载娱乐和导航系统。 1 5 超宽带无线通信系统的研究方向 超宽带在极大的吸引力背后，隐藏着许多极具挑战性的研究课题。超宽带无线通信系 统的研究方向主要集中在下述几个方面【5 】： ( 1 ) 频带方案设计( 单频带或多子带方案) ； ( 2 ) 纳秒级和亚纳秒级冲击脉冲的产生；冲击脉冲的参数设计、脉冲参数与系统性 能之间的关系； ( 3 ) 编码与调制方案( 幅度调制p a m 、脉冲位置调制p p m 、极性调制b p s k 和波 形调制p s m 等) 、调制方案与系统性能的关系： ( 4 ) 接收方案( 传统的接收机、r a k e 接收机和多用户接收机) 、接收与检测方案 与系统性能的关系； ( 5 ) 信道建模、信道模型与系统性能和接收方案之间的关系： ( 6 ) 多址技术( 跳时t h ，直接序列扩频d s 和o f d m 等) ，多址技术与系统性能 之间的关系： ( 7 ) 系统同步方案、同步方案与系统性能之间的关系： ( 8 ) u w b 天线理论与实现技术： ( 9 ) 与现有系统的电磁兼容与频谱共享； ( 1 0 ) 通信网域协议( 重点是m a c 层控制协议) 等等。 同所有的无线通信系统样，信号设计、调制、多址和接收是u w b 通信系统最为关 键的技术之一，因此大量的研究对这些技术进行了较为深入的分析 6 10 1 。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 6 论文架构 本论文主要研究在物理层实现方式为t h 和d s 方式下，高斯单脉冲时间宽度及导数 阶数对u w b 系统性能的影响。因此本论文结构安排如下：第一章绪论，概述了超宽带技 术以及本论文所研究课题的出发点：第二章简介u w b 调制与多址技术，详细介绍了 t h p p m 模型、t h b p s k 模型及d s b p s k 等模型；第三章综述了超宽带的几种接收方案， 主要为相关接收和r a k e 接收；第四章是本论文的重点，通过计算方式分析比较了不同 环境不同系统中i r u w b 的系统性能；第五章通过仿真比较了不同环境不同系统中高斯 单脉冲时间宽度及导数阶数对i r - u w b 系统性能的影响：最后一章是结论和进一步的研 究建议。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章超宽带的调制与多址技术 第二章超宽带的调制与多址技术 超宽带信号具有非常宽的带宽，但是它并不象其它扩频系统依赖扩频序列或跳时序列 来产生宽带信号，它是使用了纳秒级脉冲从而占据了从直流到几个g h z 的频谱宽度。如 此宽的带宽，使u w b 系统不同于窄带无线通信系统，即u w b 系统是功率受限系统，而 传统的窄带系统是带宽受限系统，这个根本区别使得u w b 调制方案有着自己的特点。 调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性， 同时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。对于多址技术解决多个用户共享信道的问题， 合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多用户容量。在u w b 系统中采 用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于o f d m 的正交多载波调制。 多址技术包括：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址等。系统设计中，可以对调制方式与 多址方式进行合理的组合。 2 1u w b 的调制方法 2 1 1u w b 信号模型 u w b 系统发送的是纳秒级或亚纳秒级脉冲串，脉冲宽度l 远小于脉冲之间的平均间 隔( 帧) 弓，两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常u w b 信号模型为1 1 3 1 ： & ( f ) = 乃w ( 卜0 ) ( 2 1 ) 其中，w ( f ) 表示发送的单周期脉冲，t 、0 分别表示单脉冲的幅度与时延。 2 1 2p a m - u w b 信号模型 p a m 是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。在p a m 调 制系统中，一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。任何形状的脉冲都是通过其幅 度调制使传输数据在 一l ，+ 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p a m ) 。增加传输脉冲所占的带宽或减少脉冲重复频率，都可以增加一个固定平均 功率谱密度的u w b 系统所能达到的吞吐量和传输距离，可以看出这一效果与增加传输功 7 塑室塑皇茎兰堡主至塞皇兰垒笙壅 篁三皇塑重堂塑塑塑羔童竺望查 率的峰值的效果是相似的。在m p a mu w b 通信系统中，有着高脉冲重复率的2 - p a m 得到的吞吐量要高于更高阶p a m 系统所得到的。p a m 信号可以通过非相干技术来解调。 脉冲幅度调制p a m 是u w b 信号的一种典型波形，其模型为： s ，( ) = d ，w ( f 一玛) ( 2 - 2 ) j = 哪 其中，t 是信息序列，弓是脉冲重复周期。根据嘭的不同取值，又可将p a m 调制 方式分为以下几种1 4 】： ( 1 ) o o k ： 发送数据为1 时，u w b 信号的幅度为：d = l ， 发送数据为0 时，u w b 信号的幅度为：d = o 。 o o k 是p a m u w b 的一种特殊情况，在这种调制方式中，脉冲的存在与否分别代表 着传输的是1 还是0 。o o k 由于其使用简单使得它极受大家喜欢，但由于它数据传输速 率不高是其使用受到限制。o o k 信号可以通过非相干技术来解调。 ( 2 ) p p a m ： 发送数据为1 时，u w b 信号的幅度为：d = f l , ， 发送数据为0 时，u w b 信号的幅度为：d ，= 红。 ( 3 ) b p s k ： 发送数据为1 时，u w b 信号的幅度为：d 。= l ， 发送数据为0 时，u w b 信号的幅度为：d = 一1 。 在这三种方式中，u w b 的p a m 调制方式多采用b p s k 方式。 2 1 3p p m u w b 信号模型 脉冲位置调制( p p m ) 又称时间调制( t m ) ，是用每个脉冲出现的位置落后或超前 某一标准或特定时刻来表示某个特定信息的。二迸制p p m 是超宽带无线通信系统经常使 用的一种调制方法，相对其它调制方法来说也是较早使用的一种方法。采用p p m 的一个 重要原因是它能够使用零相差的相关接收机来接收检测信号，而这种接收机有着非常好的 性能。然而，p p m 会产生离散的且不携带任何信息的频谱，这样一来就可能产生干扰。 8 堕塞堂皇查兰堡主堕壅皇兰垡笙苎 墨= 里望壅堂堕塑型兰兰竺垫查 有两种方法来减少这种干扰：一是使脉冲重复频率随机化，这可以使频谱宽度增加到定 程度：另一种方法是增加脉冲序列的周期。 典型的超宽带无线电采用p p m 调制，信号波形如下【1 3 】： & ( o = w ( t 一巧一跚，) ( 2 3 ) 一 其中，d j3 o ，1 ) ，6 为调制因子，与脉冲宽度l 一个数量级。当发送数据为0 时， 脉冲没有附加的时间偏移6 ，若数据为1 ，则脉冲相应滞后一个时延6 。表2 1 显示了超 宽带几种调制方法在不同的误比特率( b e r ) 下的调制效率( e b n 0 ) 。 表2 1 超宽带几种调制方法在不同的误比特率( b e r ) 下的调制效率( e 以) 调制效率( e b ，n o ) ，单位d b 调制方法b e r = 1 0 2b e r = 1 0 0b e r = 1 0 4 2 一b o k ，2 p a m b p s k 4 3 6 8 9 6 p p m ，o o k7 39 81 2 ，6 4 p a m8 | 3l o ，81 3 5 1 6 - q a m 8 91 1 21 3 8 8 p a m1 2 8 1 5 2 1 8 o 6 4 一q a m 1 3 51 5 71 8 3 1 6 - p a m1 7 62 0 12 2 9 2 5 6 一q a m 1 8 4 2 0 62 3 2 2 2 u w b 的多址技术 2 2 1 跳时多址 跳时多址( t h m a ) 是最早应用于u w b 通信系统的多址技术，它可以方便地与p p m 调制、b p s k 调制相结合形成跳时一脉位调f 制( t h p p m ) 、跳时- 二进制相移键控( t h b p s k ) 系统方案a 这种多址技术利用了u w b 信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期( t ，又 称帧周期) 划分成m 个持续时间为瓦的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章超宽带的调制与多址技术 机跳时序列在眠个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以 采用p p m 调制或b p s k 调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。 由于用户跳时码之问具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了 多用户干扰。将跳时技术与p p m 结合可以有效地抑制p p m 信号中的离散谱线，达到平滑 信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然产生多 用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题【1 4 】。 ( 1 ) 跳时二进制移相键控t h b p s k 在t h b p s k 方式中，发送的数据采用b p s k 调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控 制。第k 个用户的第i 个数据比特的信号波形为”】： 蹦，) 2 v i m z b 氲 争 d z c k ) w ( r 一巧一学瓦) 2 - 4 其中，上标k 为用户索引，表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据符号周期 瓦2 m 弓。c 7 为第k 个用户p n 码的第j 个码元，其值为o c s n h i 中的整数，伪码 周期为n p 。由( 2 4 ) 式知，每m 个脉冲传送个二进制数据符号的信息，p a m 调制就 是用数据来控制此波形的幅度。 ( 2 ) 跳时脉位调制( t h p p m ) 跳时脉位调制( t h p p m ) 的信号波形为【”】： 砸 f ) = 悟笺w ”即卜 ( 2 - s ) t h p p m 是用、个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，所有脉冲极性都相同，各 脉冲的发送时刻由跳时与待传送的数据信息共同控制，这是t h p p m 与t h b p s k 的区别。 图2 1 给出了t h p p m u w b 发射机结构： 图2 1t h p p m u w b 发射机结构 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章超宽带的调制与多址技术 2 2 2 直扩码分多址 直扩码分多址( d s c d m a ) 是i s 一9 5 和3 g 移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这 种多址方式同样可以应用于u w b 系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪 随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即使用户信号间发生冲突， 解扩后互干扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是限制其性能的 重要因素。因此，在d s c d m a 系统中需要进行功率控制。在u w b 系统中，d s c d m a 通常与b p s k 结合。 在d s b p s k 方式中，发送的数据经伪随机序列扩频后再用b p s k 调制，其信号波形 为【1 5 ： 一1 s d s ( k ) ( f ) = 厄r g c w ( f - i t + 一t ) ( 2 - 6 ) 一”1 = 0 这种情况下码片持续时间r 等于帧持续时间0 。由( 2 6 ) 式知，d s b p s k 调制方式 下，仍然是每；个脉冲传送一个二进制信息符号，只是同一数据对应的m 个脉冲的极性 不再相同，这与t h b p s k 方式不同：另一不同之处是这些脉冲的时延都相同，即脉冲均 匀分布在时间轴上，而t h b p s k 方式中各个脉冲的时延都受到跳时序列的控制。 2 2 3 跳频多址 跳频多：t j k ( f h m a ) 是结合多个频分子信道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的 随机跳频码控制射频频率合成器，以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传输数 据，数据调制在基带完成。若用户跳频码之间无冲突或冲突概率极小，则多用户信号之间 在频域正交，可以很好地消除用户间于扰。原理上讲，子信道数量越多则容纳的用户数量 越大，但这是以牺牲设备复杂度和功耗为代价的。在u w b 系统中，将3 1 g h z t o 6 g h z 频段分成若干个带宽大于5 0 0m h z 的子信道，根据用户数量和设备复杂度要求选择一定 数量的子信道和跳频码解决多址问题。f h m a 通常与多带脉冲调制或o f d m 相结合，调 制方式采用b p s k 或正交移相键控( q p s k ) 。 o f d m 有很多优点：能提供较大的系统容量，具有较强的抗多径干扰、抗频率选择 性衰落和频率扩散能力，能适应多径和移动信道传播条件，能够适应不同设计需求，灵活 分配数据容量和功率。而且o f d m 调制方式实现简单，即可以采用离散傅立叶变换 堕塞塑皇查堂塑圭竺塞生笺垡兰奎 塑三兰塑童堂箜塑型兰童些垄查 ( d f t ) 。o f d m - u w b 是基于一系列的频域编码的短脉冲序列，这些短脉冲时域宽度为 纳秒级。定义短脉冲序列为： n lf 2 x c ( ) t p ( ，) = w ( t n t ) e 。 ( 2 7 ) n = 0 其中w ( t ) 为单位脉冲能量的短脉冲，周期为i ：p ( t ) 由n 个w ( o 组成，周期为r ， 且ls t 。每个短脉冲被调制在不同的频率c ( , o t o ， c ( 竹) ) 是一个随机序列，取值范围 为 o 1 ，n - l 。正的选择与f ( 甩) 有关，似的不同载波的频率尽量达到优化。 假设系统有帆个用户，第k 个用户发送的信号表示为： n l 一，! 竺虫! ! 磷( ，) = p ( r ) p 2 碱= w ( 卜n t ) e 。e j 2 蝴 ( 2 - 8 ) h = 0 式中k 1 ，2 ，k 。基于o f d m 的方案，不同用户的信息调制到不同的载波频率砜上， 于是产生了不同的频段。 2 3 本章小结 本章对目前常用的u w b 调制技术和多址技术进行分析比较。在u w b 系统中采用的 调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于o f d m 的正交多载波调制，本 章主要介绍了基于超宽带脉冲的调制，包括p a m 调制及p p m 调制。对于多址技术详细 介绍了跳时多址、直扩码分多址，简单分析t s h 频多址技术。在系统设计中，我们可以根 据需要对调制方式与多址方式进行合理的组合，以达到我们期望的系统性能。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章超宽带通信系统的接收机 第三章超宽带通信系统的接收机 一个通信系统的质量优劣在很大程度上取决于接收系统的性能。这是因为，影响信息 可靠传输的不利因素( 信道特性不理想及信道中存在噪声等) 将直接作用到接收端，对信 号接收产生影响。在前面我们分析了超宽带信号，本章的目的是分析在超宽带冲激无线电 ( i r u w b ) ( 多址方式为跳时多址和直扩码分多址) 的通信系统中如何的选择最佳的接 收机。 我们所有的分析都是在假设发射机和接收机完全同步的基础上进行的。i r u w b 发射 信号是由理想的、时间上互不重叠的脉冲串组成的。每个脉冲都被限定在某个具体的时间 间隔之内并且脉冲本身的持续时间是有限的。在理想情况下，发射信号中完全没有符号间 ( i s i ) 干扰，但经过时间信道传输之后，情况就并非如此了。在实际信道中，由于障碍 物的存在，电磁波通常会发生发射、衍射、散射等，使得脉冲可能经历各种不同的时延， 经过时延之后的脉冲可能引起符号间( i s i ) 。而且，在多用户情况下，来源于其他传输 链路的脉冲可能与参考传输链路的脉冲发生碰撞，从而产生多用户干扰( m u i ) 。 3 1 理想信道( 无多径a w g n 信道) 下的u w b 接收机 最佳接收的准则为最小平均错误概率。下面我们在此准则上讨论u w b 的最佳接收 机。 假设发射信号为s ( f ) ，则经过信道衰减时延及噪声的污染后，接收机接收到的信号可 表示为： r ( t ) = a s ( t f ) + h ( r ) ( 3 1 ) 其中，n ( f ) 为一双边功率谱密度为氓1 2 的高颠随机变量；a 为信道增益，f 为信道 时延。 将接收机化为两个部分信号解调器和检测器是很方便的，如图3 1 所示。信号解 调器的作用是将式( 3 - 1 ) 所示的接收信号变为一缰判决交量 z 。检测器的作用是根据观 测值 z ) 决定发送的是哪一个波形。信号解调器有两种实现方法，一种是基于信号相关器 的应用，另一种是基于匹配滤波器的应用。本文只介绍基于信号相关器的应用。检测器跟 随在信号解调器之后，它应使错副概率最小。 堕室塑皇奎兰堡主堑塞兰兰垒笙奎一笺三童丝重堕望堕墨堕塑堡! ! r 旦 接收信号r 一广 一 信号解i , l l 器l 一，一一 检测嚣 卜一 输出扣j 决 图3 1 接收机的基本结构 假定发射机以数字形式发送信息，使用了m 个不同的波t g s 。( f ) ，m = 0 ，1 ，k ，m 一1 ， 在时间间隔t ( 称为符号间隔) 内，发送其中一个波形。波形s ，( f ) 属于n 个标准正交基 函数 ( r ) ) 构成的集合，k = 0 ，1 ，k ，n - i ，因此( ，) 可以写成 一l ( f ) = ( f 慨( f ) ， o ，t i 女= o 其中，s m ( f ) = r o ) v 。( t ) d t ，女= 0 ，1 ，k ，j v 一1 。 根据式( 3 2 ) ，算出时间r 内s 。( f ) 的能量e 。为： ( 3 - 2 ) 露= r c c 嘞2 出= r ( 篙以耽c ， 2 西= 薹s k 2 , v m = 0 , 1 , k , 肘一 c s s ， 将式( 3 2 ) 代入式( 3 1 ) 中，在 o ，r 】时间内，与发射信号s i n ( t ) 对应的接收信号可 重写为： n i r ( f ) = 口5 。k o 耽( 卜f ) + 竹( ，) ( 3 - 4 ) 对式( 3 4 ) ，( f ) 的相关接收机由n 个相关器组成，从而可以产生| v 个判决变量五： =+r r ( f 澎0 0 r ) a t =+体，kzki z s m k k = o ，l ，k ，一l ( 3 - 5 )= ( f 澎0 0 r = + 体， = o ，l ，k ，一l ( 5 ) 其中，怫= 广十7 九。肌( 卜f ) a t 。 检测器根据集合( z ) = z 0 ，z l ，l ，z n i ) 估计发送的是哪个波形。可以