（电路与系统专业论文）超宽带冲激无线电相关接收技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 超宽带冲激无线电已成为无线通信研究领域的热点之一，而其接收机的研制 则是整个超宽带系统中的重点，要能充分发挥超宽带脉冲信号传输速率高，功耗 低，安全性好，抗多径能力强等特点，就必须拥有合适的信号检测接收设备，本 文通过对多种无线通信接收技术进行分析研究，设计出适用于超宽带冲激无线电 系统的相关接收机。 与传统无线通信技术相比，超宽带系统具有其不同的特点，本文第一、二、 三章对超宽带系统作了较为全面的回顾，比较系统地分析了超宽带冲激无线电系 统的原理、结构以及目前发射机和接收机的研究现状，描述了超宽带信道模型。 为后续章节研究超宽带冲激无线电接收枫技术奠定基础。 针对超宽带冲激脉冲的特点，相关接收技术是设计的重点，本文第四章详细 的分析了相关接收技术，对不同的相关检测方式进行了比较，针对超宽带接收机 适合采用的自相关接收和互相关接收作了仔细的分析，并进行了性能仿真。 在完成相关接收技术的对比分析后，第五章给出了基本相关接收机方案和 r a k e 接收机方案，对超宽带冲激无线电接收机的设计进行了具体的考虑，针对超 宽带多径信道的特点，提出了一种新的二次相关r a k e 接收机架构，并通过性能仿 真验证了此新架构的有效性。 第六章研究了超宽带接收机的工程实现方案，完成了超宽带相关接收机实际 电路的设计，并对关键电路和同步控制程序进行了具体分析。本设计改进了迟早 门同步控制方案，编写了新的同步控制程序，新方案使同步系统工作更加可靠和 稳定。 关键词：冲激无线电，相关接收机，超宽带信道，r a k e 接收机，二次相关 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n di m p u l s er a d i oh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tf i e l d so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h ，a n dt h er e c e i v e ri nt h ew h o l ed e s i g no fu l t r a - w i d e b a n d s y s t e m si st h ef o c u s i no r d e rt od e v e l o pf u l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - w i d e b a n d p u l s es i g n a l ，s u c ha st h eh i g ht r a n s m i s s i o ns p e e d ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n , s a f e t y , a n t i m u l t i - p a t hc a p a b i l i t i e s s oi ti si m p o r t a n tf o ru s i n gt h ea p p r o p r i a t es i g n a ld e t e c t i o n e q u i p m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i so faw i d er a n g eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g yf o rr e c e i v i n g , o n ec o r r e l a t i o nr e c e i v e ri sd e s i g n e df o ru l t r aw i d e b a n d i m p u l s er a d i os y s t e m c o m p a r e dw i i l lt r a d i t i o n a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , u l t r a - w i d e b a n d s y s t e mh a si t sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r ，u l t r a - w i d e b a n ds y s t e m si s p r e l i m i n a r ye x p a t i a t e di nc h a p t e r1 、c h a p t e r2a n dc h a p t e r3 i t i sm o r e c o m p r e h e n s i v ea b o u t1 l l 订aw i d e b a n ds y s t e m st h e o r y , s t r u c t u r ea n dt h ec u r r e n tr e s e a r c h s t a t u sf o rt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , a n dt h eu l t r a - w i d e b a n dc h a n n e lm o d e li s d e s c r i b e d t h ef o u n d a t i o ni sl a i df o rt h es t u d yo fu l t r a - w i d e b a n di m p u l s er a d i oi nt h e f o l l o w i n gc h a p t e r s t h ec o r r e l a t i o nr e c e i v et e c h n o l o g i e si st h ek e yo fu l t r a - w i d e b a n ds y s t e md e s i g n ， b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - w i d e b a n dp u l s e i nc h a p t e r4o ft h i sp a p e r , t h e c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e dd e t a i l e d l y i no t h e rh a n d ，s o m ed i f f e r e n tc o r r e l a t i o n d e t e c t i o nw a y sa r ec o m p a r e d t h et e c h n o l o g yo fa u t o - c o r r e l a t i o nr e c e p t i o na n d c o r r e l a t i o nr e c e p t i o ni sa n a l y z e dc a r e f u l l yt of i n dt h eb e s ts c h e m ef o ru l t r a - w i d e b a n d r e c e i v e r , a n dt h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sc o m p l e t e d a st h ec o r r e l a t i o nr e c e p t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d , i nt h i sp a p e r , t h e d e s i g ns c h e m e so f u l t r a - w i d e b a n di m p u l s er a d i or e c e i v e ra r ec o n s i d e r e dp r a c t i c a l l y , t h e b a s ec o r r e l a t i o nr e c e i v e rs c h e i l l e sa n dt h er a k er e c e i v e rs c h e m e 8a r ep r o p o s e di n c h a p t e r5 i na d d i t i o n , b a s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fu l t r a - w i d e b a n dm u l t i p a t hc h a n n e l ， an e wq u a d r a t i cc o r r e l a t i o nf r a m eo fr a k er e c e i v e ri sp r e s e n t e d t h es t r u c t u r ei s t e s t i f i e de f f e c t i v eb yp e r f o r m a n c es i m u l a t i o n i nc h a p t e r6 ，a c c o r d i n gt ot h ea p p r o p r i a t ed e s i g ns c h e m eo fu l t r a w i d e b a n d i m p u l s er a d i or e c e i v e r , t h ed e m a n d so fu l t r a - w i d e b a n dc i r c u i td e s i g na r ec o n s i d e r e d 如l l y , a n da c t u a lc i r c u i to fu l t r a - w i d e b a n dr e c e i v e ri sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ei m p o r t a n t c i r c u i t sa l ee x p l a i n e da n dt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lp r o c e d u r ei se x p a t i a t e dd e t a i l e d l y 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t h ee a r l y - l a t e rg a t es y n c h r o n o u ss c h e m ei si m p r o v e d ，a n dt h ei l e wc o d ei sw r i t t e nf o r t h es y n c h r o n o u ss y s t e m ，s oi tw o r k sm o r er e l i a b l ea n ds t a b l e k e y w o r d s ：i m p u l s er a d i o ，c o r r e l a t i o nr e c e i v e r ，u l t r a - w i d eb a n dc h a n n e l ，r a k e r e c e i v e r ，q u a d r a t i cc o r r e l a t i o n i 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，也不包含为获得重麽太堂 或其他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。 学位论文作者签名：计冶峨 f 签字日期：炒7 年瑚即日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、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。本人授权重庆太堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：叫凄畛、 导师签名： 签字日期：加7 年堂月) p 日签字日期： 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 超宽带无线通信系统的收发信机的结构方案相对较为简单，但可实现的接收 机和理论上的最佳接收机存在不小的差距。由于超宽带的信号传输受到大尺度路 径损耗、阴影效应、小尺度多径衰落等因素的影响，到达接收机的信号存在严重 的失真；同时，信号还可能受到多址干扰、窄带干扰和背景噪声的影响。因此， 对于超宽带无线接收机的研究有很多问题需要解决。 超宽带( u w b ) 无线接收机面临的问题主要还有时钟频率高、占用带宽宽、 发射功率低等，如果使用传统的接收机将难以实现接收，使用数字相关接收机虽 然能够完成接收，但因工作频率过高对元器件的要求则非常苛刻，而采用模拟相 关接收的方式很好的的解决了这些问题，利用超宽带模拟相关器将u w b 信号与本 地模板信号进行相关运算后，能够有效的将过高的工作频率降下来，同时把信号 从噪声中提取出来，不仅能够达到设计要求，还可以简化设计结构。 1 2 超宽带无线通信技术研究现状 目前的超宽带无线通信系统分为两大阵营，一是采用单频带传输的超宽带冲 激无线电，二是采用多频带传输的m b u w b 系统，其中超宽带冲激无线电采用的 是完整频带进行传输；m b u w b 是基于多载波的u w b 方案，将频带划分为多个 子带，采用o f d m 技术传输子带信息。 1 2 1 超宽带冲激无线电 从2 0 世纪6 0 年代起就有学者开始尝试用短脉冲而不是正弦波传播无线电信 号，这曾被称为“脉冲无线电”、“非正弦系统”、“时域通信”等。由于技术发展 水平的限制，自2 0 世纪末以来，这类技术才开始得到实质性的关注。1 9 9 0 年，美 国国防部首先定义了“超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) ”概念，超宽带无线通信 开始得到美国军方和政府部门的重视。2 0 0 2 年4 月，美国f c c 通过了超宽带技术 的商用许可，超宽带无线通信在民用领域开始受到普遍关注。目前“超宽带”的 定义只是针对信号频谱的相对带宽( 或绝对带宽) 而言，没有界定信号的时域波 形特征，因此，有多种方式产生超宽带信号。其中，最典型的方法是利用纳秒级 的窄脉冲( 3 z 称为冲激脉冲，i m p u l s e ) 的频谱特性来实现。通常，将基于发射窄 脉冲的超宽带无线电称为超宽带冲激无线电( u w b i r ，u l t r aw i d eb a n di m p u l s e r a d i o ) 。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 多频带超宽带无线电 为了提高频谱利用率，人们又提出了采用多带调制的超宽带方案。一个u w b 信号仅需占用5 0 0 m h z 的带宽，而不必是一个脉冲，这就提供了一个将传统无线 通信系统设计理论与u w b 的优势相结合的机遇。目前，很多公司都开始独立地开 发多频带超宽带传输系统，从而可更有效提高频谱利用率。多频带超宽带无线电 是将可用的u w b 频谱划分成若干个子带，每个子带的宽度不小于5 0 0 m h z 。通信 时，可以根据信息速率、系统功率的要求以及与其他系统共存的要求等，动态的 使用部分或全部的子带，通过同时发送多个不同频带的u w b 信号来提高频谱的利 用率。这些信号不会相互干扰，因为它们的频率不同。 多带调制的一个优势就是具有很强的灵活性，低比特率的系统可以采用很少 的子带，而高比特率的系统可以采用更多的子带。另外，它还可以灵活的适应不 同的无线频谱使用规律，而不必协调世界各地的频谱分配。 1 2 3d s u w b 与m b o f d m 的比较 在标准制定过程中，超宽带无线通信的多种方案逐渐融合成两个标准草案： 单频带的d s - u w b 和多频带的m b o f d m 。本节从技术的角度，按多径、复杂性、 覆盖范围、干扰与抗干扰等几个方面对这两个系统进行简单的比较。 抗多径特性 在室内环境中，两种系统都回受到多径影响，但两种系统都具有天然的抗多 径特性。d s u w b 通过极高的多径解析度，利用r a k e 接收抗多径；m b o f d m 则 是利用循环前缀和保护时隙来抗多径干扰。但是这两种抗多径干扰的效果是有差 别的。d s - u w b 使用r a k e 接收机可以充分利用能量，有一定增益存在，而 m b o f d m 只是把多径能量简单混合，这样使得m b o f d m 系统的每个子载波仍 然可能有严重的瑞利衰落。 实现复杂性 在实现复杂度上，由于m b o f d m 增加了对频带的划分，因此d s u w b 方案 明显比m b o f d m 方案简单。 覆盖范围 在不同数据速率和不同信道模型下，当可通率不小于9 0 ，误包率不大于8 的时候，两种方案的实验系统覆盖的范围如下表所示。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 表1 1 两种方案的覆盖范围比较【3 】 c m 1c m 一2c m 一3c m _ 4 m b 一0 f d m ( 1 1 0 m b 彬s )1 1 5 m1 0 9 m1 1 6 m1 1 0 m d s u w b ( 11 2 m b i t s ) 1 2 4 m1 1 5 m1 2 5 m1 2 7 m m b 。0 f d m ( 2 0 0 f b i t s ) 6 9 m6 3 m6 8 m5 0 m d s u w b ( 2 2 4 m b i t s ) 8 4 m7 9 m8 5 m8 5 m 由上表可见，在覆盖范围上，d s - u w b 方案比m b o f d m 方案要优越。 干扰与抗干扰 关于干扰与抗干扰，由于超宽带信号覆盖的频段有很多已有的其他无线电设 备的无线电频谱存在，根据f c c 的规定，需要在信号发射时候采用相应的措施避 免干扰其他无线电设备，在接收的时候也需要去除那些设备产生的窄带干扰。对 于d s u w b 方案，它使用中心频率可变和加陷波器的方法来防止外界干扰。 m b 。o f d m 方案则一般使用子载波扣除的方法来消除干扰。相对而言，m b o f d m 方案比d s - u w b 方案在抗干扰方面有更大的灵活性，可以方便的适应全球的不同 地区的频谱规范。 1 2 4 中国u w b 技术的研究 中国在u w b 技术方面的研究与世界先进水平还存在相当的差距。国内对 u w b 技术的研究主要集中于u w b 信号产生与有效辐射等方面，主要是针对大功 率u w b 雷达的军事应用，而对于u w b 技术在微功率无线通信、定位跟踪、无线 局域网等领域的理论和应用则处于起步阶段。由于近年来美国在u w b 通信技术上 取得的进展，我国也非常重视这项革命性的技术，在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五” 国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，首次将超宽带无线通信演示系统设计、 超宽带无线传输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发工作。2 0 0 3 年7 月国家自然基金开 始资助“超宽带高速无线接入理论与关键技术”这一重点项目的研究。目前，我 国在超宽带无线传输技术领域的研究已取得了很大进步。国内一些家电生产厂商 也开始关注超宽带技术在消费类电子产品中的应用。 1 3 本文的研究内容 本文的主要工作内容如下： 分析超宽带冲激无线电接收系统的设计 超宽带冲激无线电具有高带宽、低功率的特点，其接收机的研究方向主要集 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 中在对超宽带冲激脉冲的检测上，如何准确的检测到信号脉冲是问题的关键，目 前的设计方案有多种，各有优缺点，怎样选取合适的方案，需要进行详细的分析。 提出适用的超宽带冲激无线电接收系统的方案 超宽带冲激无线电接收系统的设计，不同于传统的无线通信接收设备，目前 的方案主要采用相关接收的方式，可分为模拟和数字相关两种，针对国内的实际 情况，需提出相应的解决方案，在达到设计要求的同时，还要易于工程实现。 分析r a k e 接收机的设计方案，提出新的r a k e 接收机架构 针对超宽带信道环境特点，要能更好的利用多径信息，采用r a k e 接收方式是 最合适的选择，通过详细分析各种r a k e 接收机的特点，提出一种更适合超宽带冲 激脉冲接收的r a k e 接收机架构。 完成超宽带冲激无线电接收机的电路设计 经过全面的设计分析，选择一种合适的超宽带冲激无线电接收机方案，完成 其电路设计。在设计中要充分考虑超宽带接收机的特殊要求，注意信号完整性问 题和电磁兼容性问题，设计一种更适合超宽带系统同步的方案。 4 重庆大学硕士学位论文2 超宽带冲激无线电系统 2 超宽带冲激无线电系统 2 1 引言 超宽带冲激无线电系统不同于传统的无线通信系统，本章从超宽带冲激无线 电系统的原理、系统结构，以及当前超宽带发射机和接收机的研究现状几个方面， 对超宽带冲激无线电系统进行了比较系统的分析。 2 2 超宽带冲激无线电系统原理 超宽带冲激无线电系统直接发射冲激脉冲串，不再具有传统无线电系统的中 频和射频的概念，此时发射的信号既可看成基带信号，也可以看成射频( r f ) 信 号( 从信号的频谱特性而言) 。超宽带信号的带宽主要由脉冲波形决定，一个信息 符号可映射为数百个这样的脉冲。超宽带冲激无线电系统中窄脉冲是信息载体， 通过窄脉冲承载要传输的信息。因此超宽带冲激无线电系统中窄脉冲的作用，就 与常规无线通信系统中的正弦载波类似。 根据香农信道容限公式c = b l o g ：( i + p b n o ) ( 式中曰为信道带宽，0 为高斯 白噪声功率谱密度，p 为信号功率) 。可见，超宽带冲激无线电系统就是通过增大 传输带宽来获得非常高的传输速率。 2 3 超宽带冲激无线电系统的基本结构 超宽带冲激无线电直接将经过频谱成形之后的超宽带窄脉冲发射出去，信道 上传输的是基带信号，接收机主要是一个相关检测器，结构上比传统窄带通信系 统要简单。 图2 1 和图2 2 分别为采用t h s sp p m 、d s s sb p m 多脉冲调制技术的超宽 带冲激无线电系统的示意图，从图中可以看出超宽带系统与传统无线通信系统在 结构上的差异。 5 重庆大学硕士学位论文 2 超宽带冲激无线电系统 图2 1 t h s s p p m 系统框图 f i g2 1t h s sp p ms y s t e md i a g r a m 图2 2 d s s s b p m 系统框图 f i g2 2d s - s sb p ms y s t e md i a 斟a m 2 4 超宽带冲激无线电发射机 在超宽带冲激无线电系统中，窄脉冲是信息的载体，通过对窄脉冲的调制寄 载要传输的信息。为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零，即对于 脉冲p o ) ，有f=。_v(oat 0 2 4 1 超宽带信号产生 根据超宽带基带脉冲的频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类：第一类是基 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；第二类是特殊脉 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 6 重庆大学硕士学位论文2 超宽带冲激无线电系统 带干扰而设计的特殊脉冲，一般通过特殊设计或滤波获得。经典的超宽带系统采 用基带脉冲波形。 在超宽带技术研究中，常见的超宽带基带脉冲包括：矩形脉冲、高斯脉冲、 高斯单脉冲( g a u s s i a nm o n o c y c l e ) 和瑞利单脉冲( r a y l e i g hm o n o c y c l e ) 等。矩形脉冲 和高斯脉冲具有很大的直流分量，工程应用价值不大，一般仅用于学术研究。工 程上常用的超宽带脉冲应该没有直流分量，一般通过对高斯脉冲进行求导获得， 例如，对高斯脉冲求一阶导数可以获得瑞利单脉冲，对高斯脉冲求二阶导数可以 获得高斯单脉冲。比较而言，高斯单脉冲更适合作为传递信息的超宽带脉冲。 2 4 2 超宽带冲激无线电信号调制 超宽带冲激无线电通信的调制方式被分为传统的方式和非传统的基于频域处 理的方式。传统的基于冲激无线电的方式包括采用跳时方式的t h p p m 和 t h - p a m 、采用非跳时方式的直接序列调制( d s ，u w b ，d i r e c ts e q u e n c eu w b ) 、 伪混沌调制( p c - u w b ，p s e u d o c h a o t i ci m 喝) 、o o k ( o n - o f f k e y ) 调制和混合 调制等；非传统的基于频域处理的方式包括一种基于载波干涉( c i ，c a r r i e r i n t e r f e r o m e t r y ) 脉冲波形的方式、基于脉冲的正交频分复用方式和基于脉冲的子带 方式等等。 在超宽带冲激无线电系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉 冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。 单脉冲调制 对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典的 单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调铹i j ( p a m ) 、脉冲位置调制( p p m ) 、二相调制( b p m ) 和开关键控( o o k ) 等。图2 - 3 是这四种脉冲调制技术的示意图。 嗍i 卜# h 州- ：2 卜卜件 州。卜十l 斗l 卜卜 il w - ：2 卜+ h “。卜十l _ l 卜牛 i ”鼍卜p 图2 3 四种脉冲调制技术的示意 f i 9 2 3 t h es h o w o f f o u r i m p u l s e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y 7 重庆大学硕士学位论文2 超宽带冲激无线电系统 p a m 是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。p a m 既可 以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的p a m 只改变脉冲幅度的绝对值。b p m 和o o k 是p a m 的两种简化形式。b p m 通过改 变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。0 0 k 通过脉冲 的有和无来传递信息。在p a m 、b p m 和o o k 调制中，发射脉冲的时间间隔是固 定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于 基准时间的位置来传递信息，这就是p p m 的基本原理。在p p m 中，脉冲的极性 和幅度都不改变。 p a m 、o o k 和p p m 共同的优点是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或多个位置调制提高信息传输速率。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，例如，f c c 关于超宽带信 号频谱的规定，而且会降低功率的利用率。而b p m 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 m 是一种比较理想的 脉冲调制技术。 另外，我们也可以在超宽带冲激无线电系统中综合使用上述调制技术。 多脉冲调制 实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在超宽带冲激无线电 系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。 当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多 脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制，第二步为每 组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用p p m 或 b p m 调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用p a m ，p p m 或b p m 调 制。一般把第一步称为扩谱( s p r e a ds p e c t r u m ) ，而把第二步称为信息调制。因而在 第一步中，把p p m 称为跳时( t i m i n gh o p p i n g ) 扩谱( t h s s ) ，即每组脉冲内部的每 一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置；把b p m 称为直接序列 ( d i r e c ts e q u e n c e ) 扩谱( d s s s ) ，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔 和相同的幅度，但具有不同的极性。在第二步中，根据需要传输的信息比特，p a m 同时改变每组脉冲的幅度，p p m 同时调节每组脉冲的时间位置，b p m 同时改变每 组脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技术： t h s sp p m 、d s s s p p m 、t h s sp a m 、d s s sp a m 、t h s sb p m 和d s s sb p m 等。 多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功 8 重庆大学硕士学位论文2 超宽带冲激无线电系统 率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的s s 序列之间的正交性或准 正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用s s 序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。 在多脉冲调制中，利用不同s s 序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路 多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用 ( c d m ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。 2 4 3 超宽带天线 用于超宽带通信的天线与窄带通信的宽带天线有所不同，对于后者，任何一 个时刻，激励天线的信号是窄带信号，其相对带宽比远小于超宽带定义的相对带 宽比。由于脉宽极窄的脉冲具有很宽的频谱，因此天线应具有较宽的瞬时频率响 应范围，以使天线的效率尽可能高，天线本身的损耗尽可能小。其次，脉冲信号 经过天线辐射后，要保证在接收端具有所要求的波形，这对相关接收非常重要。 半波偶极子是基于载波的通信系统中常用的天线，当它用于发射和接收超宽 带信号时，会出现严重的色散等问题，导致波形严重畸变。对数周期天线是窄带 系统常用的宽带天线，然而，在辐射脉冲波形时，会带来拖尾振荡( 增加脉冲的 过零点) ，同时，对于小体积、低成本的超宽带通信并不适合。相比之下，面天线 比较适合超宽带通信的应用。 2 5 超宽带冲激无线电接收机 2 5 1 超宽带冲激无线电时域相关接收机 在超宽带无线通信系统中常用的接收机包括门限检测器、互相关或r a k e 接收 机和自相关接收机等，门限检测器对u w b 雷达系统简单而适用；自相关接收机将 接收波形与前一个接收波形进行相关，它适合于慢变信道，能捕捉到整个接收波 形的能量，而不需要借助于信道估计。针对超宽带多径分集接收的特点，冲激无 线电接收机系统目前的研究一般集中在r a k e 接收机和自相关接收机上。 超宽带冲激无线电接收机主要由解调器和检测器构成。解调器的功能是将接收 波形变换成n 维向量r ，n 为发送波形的维数。检测器的功能根据r 判断是哪一个 波形的发送。 尽管u w b 信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个 接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的u w b 接收机结构很简单，只是一 个等效于匹配滤波的相关器而已。同时为了降低对器件模数变换器( a d c ) 变换速率 的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的。但是当对传输速率的要 求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来。 接收信号幅度上的衰落需要通过r a k e 接收机收集足够丰富的多径分量来克服； 另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间 9 重庆大学硕士学位论文2 超宽带冲激无线电系统 干扰( i s i ) 问题也必须在系统设计中加以考虑。一种比较理想的解决方案应该是 r a k e + 均衡，通过r a k e 接收捕捉各条径的能量以抵抗衰落，同时利用均衡来消 除符号间干扰。 2 5 2 超宽带冲激无线电频域相关接收机 极窄的超宽带脉冲信号，其功率散布于凡吉赫兹的频谱上，采用传统的时域 方法处理极窄脉冲会遇到相当大的挑战，如对极窄脉冲采样，要求a d c 的速率极 高，若利用并行采样，接收机结构会复杂化，同时在大搜索周期内捕获极窄脉冲 很耗时，针对这些问题，人们又提出频域超宽带接收机p 】的概念。频域方法能以适 度的复杂性和功耗实现数字c m o s 。 频域超宽带接收机的基本原理如图2 4 所剥3 1 ，接收机由多个窄带低噪声放大 器( l n a ) 、滤波器、a d c 组、能量捕获和判决单元组成。接收机通过一组滤波器 实现频域采样，每个滤波器捕获的频率分量就是其中心频率五，五= k a f ，4 厂是 基准频率，它等于接收信号时域观察周期瓦的倒数，一般取脉冲重复频率。滤波 器的数量取决于l ，l 的值越大，捕获的谱分量越多，但鲈降低，滤波器的数量 增加。每个滤波器要求两个a d c ，a d c 的采样速率为， ，降低a d c 速率有利于 其c m o s 实现。由于宽带低噪声放大器c m o s 实现较难，频率接收机用多个窄带 l n a 代替它。能量捕获单元实现同步、信道估计、均衡等功能。样本信号由可分 辨的多径信号产生，用来与接收信号做频域相关，最后做判决运算，提取有效信 息。频谱样本代表时间窗口内的所有多径能量。频域方法可为u w b 网络提供一种 实用的信道侦听接入( c c a ) 服务以迸行分布式及随机媒质接入访问。c c a 电路 检查接收到的频谱能量，以避免在时域中耗时地搜寻窄脉冲。 图2 4 频域接收机结构图 f i g2 4s t r u c t u r ed r a w i n go f f r e q u e n c yf i e l d “x 两v e r 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 超宽带冲激无线电系统 2 6 超宽带冲激无线电信号同步 在数字通信系统中，信号的同步是非常重要的，超宽带接收机也是如此，接 收机只有清楚地知道信号的传输时延，将本地“模板”信号与其同步，才能实现 对期望信号的解扩和解调。这种传输时延的不定性来自许多方面，有伪随机码的 相位偏移、脉冲发射时相对其重复周期的时延以及多径带来的时延。与普通接收 机一样，超宽带信号的同步通常也分为粗同步( 即捕获) 和精同步( 即跟踪) 两 部分。捕获是使本地参考信号与接收信号的相位差小于一定范围，使接收机能在 一定程度上解调信号；而跟踪是使这种相位差进一步减小，或者实时保持这种相 位差，不因环境的影响而偏离正常相位。跟踪的好坏直接影响到信息数据解调的 误比特率，特别是在超宽带冲激无线电通信中，脉冲宽度窄、占空比极低，对信 号的跟踪精度要求更高。 2 7 本章小结 本章对超宽带冲激无线电系统进行了较为全面的了解，对系统的原理、结构， 以及目前超宽带发射机和超宽带接收机的研究状况作了初步的阐述，给出了超宽 带无线通信系统的概貌。 重庆大学硕士学位论文3 超宽带信道模型 3 超宽带信道模型 3 1 引言 由于超宽带冲激无线电系统的特点，传统无线通信信道模型已经不再适用。 本章针对超宽带信道的要求，分析了超宽带室内外信道模型的特点，阐述了 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 建议的信道模型。 3 2 室内信道模型 在一个随机时交室内无线信道中，三维空间的任何个点的信道冲激响应都 可以表示为一个时变线性滤波器，其表达式如下： ( o - i h ( t ，f ) = a i ( t ) a r - r k ( t ) e 旭 ( 3 1 ) k - - o 其中，t 和f 分别是观测时间和冲激相应的持续时间，( f ) 是多径分量的数日， a a o 、 瑶 、 最) 分别是随机的多径分量的时变幅度、到达时刻以及相位 序列。一个时变的多径信道的特征可以完全又由这些参数确定。对于平稳( 时不 变) 信道，可简化为： - i | j i ( f = a k s t - r 。p t ；0 ( 3 2 ) 对于超宽带信道，通过实验和测试表明它是慢变化的，因此，可以认为在相 对较短的时间内，例如一个数据帧内，超宽带信道是不变的。并且，在超宽带冲 激无线电中，相位的概念比较模糊，从已有的文献来看，对超宽带室内多径信道 的研究大都集中在对多径幅度和到达时间的分布上，特别是对多径幅度的小尺度 衰落特性的研究非常广泛，这主要是由于在多径信道中，若两条多径分量的时延 差小于信号传输带宽的倒数( 称为b i n ) 那么这两条多径分量不能在时域上被分辨， 这些不能分辨的子多径矢量相加，从而造成了传输信号包络的随机波动。在超宽 带系统中，由于其传输信号有极高的带宽，系统具有很高的多径分辨率，超宽带 系统的b i n 很小。这样，落入个b i n 中的子多径数目相对较少，不能满足中心极 限定律的假设条件，因此路径增益的小尺度衰落分布不再满足传统的r a y l e i 曲分 布或是r i c i a n 分布。 迄今为止，人们基于各自不同的测量数据，已提出了许多u w b 的室内信道模 型，包括i n t e l 的s - v 模型、- k 模型、p o c a - n a z a 模型、d a j a n ac a s s i o l i 模型 等。 1 2 重庆大学硕士学位论文3 超宽带信道模型 3 3 室外信道模型 对于超宽带信道的测量和建模，主要集中于室内传播环境，而对室外传播环境 而言，涉及的较少，文献 4 】采用时域测量方法，在农村环境下进行了超宽带信号 传播实验，采用的信号带宽大于i g h z 。根据测量的冲激响应，确定了信道平均时 延、时延扩展、传播损耗和树木损耗等。 假设基带传输脉冲为p ( f ) ，多径信道的每一条路径分量的增益为( 仉) ，传播 时延为( r k ) ，其中k 是路径指标。则信道冲激响应为 1 l ( f ) = z a i , ，( t - r a ( 3 3 ) 式中：艿( ) 为狄拉克函数。则接收信号为 工( f ) = 以p ( t - r k ) ( 3 4 ) 为了提高接收信噪比，对接收信号进行匹配滤波，则滤波后的输出信号为 ) ，( f ) - - z 以r ( t - f d ( 3 5 ) 式中：，( f ) 是p ( f ) 与p ( f ) 的卷积。 于是，经过平方包络检波以后，得到的接收信号功率剖面为 s ( f ) 皇i y ( f ) j 2 = a ：一气) j 2 ( 3 6 ) g m s 时延扩展与平均超量时延 描述多径剖面( m u l t i - p a t hp r o f i l e ) h 2 ( f ) 整体特性的两个简单参数是r m s 时 延扩展t 和平均超量时延f 。其中 吒皇正2 一( - ) 2 ( 3 7 ) 7 皇謦舻啦 s ， 功率衰落 描述多径剖面特征的另一个比较有用的简单参数是总体多径功率增益 g = o ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) a = p k j 磊孱 ( 3 1 6 ) 式中：磊反映第f 簇的衰落；展。对应于第埔中第七束的衰落。 2 0 1 0 9 l o ( 与展) o c n o r m a l ( a k j ，砰+ z ) ( 3 1 7 ) 或者 l 岛反，扣l o 尥，2 0 ( 3 1 8 ) 式中： tn o r m a l ( o ，砰) ，n 2 n o r m a l ( o , 匠) 是相互独立的，而且分别对应于每 一簇和每一束的衰落； 慨1 2 = q e l ，r e 唧一 ( 3 1 9 ) 式中：f f 是第，个频率仓的超量时延；q 是第一簇中第一条路径的平均能量：见j 是 等概率的+ l 或一i ，以说明由于发射导致的信号倒置。以。为 =tmln(oo-lor,r-mrjr一学 ( 3 2 。) 阴影项置由下式表征： 2 0 1 0 9 i o ( 置) n o r m a l ( o , 一) ( 3 2 1 ) 3 5 本章小节 本章针对超宽带信号无线传播的特点，参考目前学术界和工业界对超宽带信 道建模的研究成果，重点描述了超宽带室内信道模型、超宽带室外信道模型和 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 建议的超宽带信道模型。由于超宽带系统工作环境所带来的各种挑 战，目前超宽带信道的建模还不够成熟，现在的测量工作主要集中在室内传播环 重庆大学硕士学位论文