（计算机应用技术专业论文）超宽带脉冲发生器设计与脉冲波形特性分析.pdf

摘要 超宽带( u w b ) 无线通信是近年来无线通信学术研究和实用化丌发的技术热点，超宽带 无线通信信号具有频谱很宽、功率谱密度极低、传输速率高、多址容量大等特点。在频谱 资源日益紧张、传输速率要求不断提高的今天，超宽带无线通信为共享频谱、高速率无线 通信提出一种新的解决方式，尤其适用于密集多径环境中的短距离无线通信。 本文以超宽带无线通信的一种实现方式一脉冲无线电通信系统作为研究对象，致力于 研究一种低成本的极窄脉冲发生器的设计方法，这种脉冲发生器利用阶跃恢复二极管来产 生极窄脉冲，并对这种脉冲发生器电路的原理和调试做了具体的分析。实验结果表明这种 脉冲发生器能够产生脉冲宽度约为1 5 n s ，幅度( 峰峰值) 约为2 3 伏的窄脉冲。在超宽带通 信中，这种脉冲发生器在对功耗和成本要求比较严格的应用场合下是一种非常适合的选 择。 超宽带通信系统中，脉冲波形的设计是解决与现有通信系统频谱共存和相互干扰问题 的研究重点之一。本文推导了m 元t h p p m 方式下超宽带多用户接入系统的信噪比和误 码率性能，分析了不同脉冲波形对超宽带系统的影响程度，比较了4 种脉冲波形在a w g n 信道下使用m 元t h p p m 方式对系统信噪比和误码率性能的影响。结果表明，脉冲波形 对多用户接八方式下系统s n r 和b e r 性能影响很大。 关缮庄巩超宽带脉冲波形脉位调制h e r m i t ep o l y n o m i a l 极窄脉冲阶跃恢复二极管 i v a b s t r a c t i nt h e s ey e a r s ，u l t r a w i d eb a n d ( u w b ) c o m m u n i c a t i o nb e c o m e sak e yt e c h n o l o g yo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni na c a d e m i cr e s e a r c ha n dp r a c t i c a ld e v e l o p m e n t u w bc o m m u n i c a t i o n h a sv i r t u e so fv e r yw i d es p e c t r u m ，l o wp o w e rs p e c t r u md e n s i t y ，h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，h i g h m u l t i a c c e s sc a p a c i t ya n ds oo n t o d a yw h e nw ea r ei nd e f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s ss p e c t r u m r e s o u r c ea n da r er e q u e s t i n gh i g h e ra n dh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e i ti su l t r a w i d e b a n d c o m m u n i c a i i o i lt h a tg i v e su s an e ww a yt os h a r es p e c t r u ma n dc o m m u n i c a t ei nh i g hr a t e ， e s p e c i a l l yi nt h ei n d o o re n v i r o n m e n to fd e n s em u l t i p a t h i n t h i st h e s i s ，al o w c o s t ，u l t r a s h o r tp u l s eg e n e r a t o r sh a v eb e e nd e v e l o p e du s i n gs t e p r e c o v e r yd i o d e t h ep r i n c i p l e a n d d e b u g g i n go ft h i sp u l s eg e n e r a t o rc i r c u i t i s g r e a t l y d i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a to u rp u l s eg e n e r a t o rp r o d u c e sh i g hf i d e l i t y g a u s s i a nm o n o c y c l ep u l s e sw i t l lap u l s ew i d t ho fa p p r o x i m a t e l y i 5 n sa n dw h o s ea m p l i t u d e ( p e a kt op e a k ) i s2 3 v o u rd e s i g no fap u l s eg e n e r a t o rf o ru w bs y s t e m si saf e a s i b l eo p t i o nf o r m a n ya p p l i c a t i o n si nw h i c hp o w e r a n dc o s ta r em o s ti m p o r t a n t t h ed e s i g no fp u l s es h a p ei sa ne m p h a s i st os o l v et h es p e c t r u m - c o e x i s ta n di n t e r f e r e n c e p r o b l e mi nu w bs y s t e m w ed e r i v eab e ra n dm u l t i p l ea c c e s sm e c h a n i s mf o rm r a yt h p p m u w bs y s t e m ，a n a l y z et h ee f f e c to fp u l s es h a p eo nu w bs y s t e m ，a n dc o m p a r ef o u rk i n d so f p u l s es h a p e si na w g n t h er e s u l ts h o wt h a tt h ei n f l u e n c eo fp u l s es h a p eo nt h eab e ra n d m u l t i p l ea c c e s sm e c h a n i s mf o rm - r a yt h - p p mu w bs y s t e mi ss i g n i f i c a n t k e yw o r d s ：u w b ，p u l s es h a p e ， p u l s e ，m o n o e y e l e ， p p m ，h e r m i t ep o l y n o m i a l ，u l t r a s h o r t s t e pr e c o v e r yd i o d e v 南京| | | f l n 人学硼1 刖f 宄生学位论史 第一章绪论 帮一幸绪论 1 1 引言 由于超宽带独特的通。f - g 力以及潜在的应用，尤其是短距离多址无线通信，使得超宽 带已经成为近年来研究的热点。超宽带技术起源于2 0 世纪5 0 年代木，此前主要作为军事 技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更 高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。超宽带是指信号带宽大于5 0 0 m h z 或 者是信号带宽与中心频率之比大予2 5 。通常，超宽带系统发送的是极窄脉冲，并且占用 非常宽的频带。因此，超宽带信号相对其他传统窄带信号而言，具有传送更大的数据流的 能力。超宽带信号不仅包括无载波的基带信号，例如冲激无线电和非f 弦脉冲；也包括具 有载波的宽带信号，例如多频带正交频分多路复用技术( m b o f d m ) 。 近几年来，无线通信技术应用的增长速度远远超过有线技术。根据e a r n s t & y o u n g 咨 询公司的报告【“，到2 0 0 8 年，无线通信的应用将超过有线通信而成为通信领域里的主导。 用手机进行语音通信已经成为应用最普及的无线技术，另外，由于技术上的先进性无线 局域庵j ( w l a n ) 也得到了越来越多的消费者的采纳。据a l l i e db u s i n e s si n t e l l i g e n c e 机构预 测，到2 0 0 8 年，超宽带技术将在世界范围内产生】3 9 亿美元的市场收入【j 】。 由于超宽带技术巨大的潜在市场，许多重量级的跨国公司，例如i n t e l ，t e x a s i n s t r u m e n t ( t i ) ，m o t o r o l a ，a n ds a m s u n g ，纷纷加大对超宽带技术及其相关设备进行资金投入。随着越 来越多的采纳超宽带技术的设备正在研发当中，一个统一的工业标准需要制定。现在，一 个新的高速的无线标准，i e e e 8 0 2 1 5 3 a ，正在制定当中，其规定的信息传输速率达到 4 8 0 m b p s 。物理层标准则主要是多带正交频分复用( o f d m ) 与基于脉冲的超宽带提案之间 的竞争，支持前一提案的公司以英特尔、德州仪器( t t ) 等公司为主，成立了多带o f d m 联 盟( m b o f d m ) ；摩托罗拉、x t r e m e s p e c t r u m 等公司则主张脉冲方式的d s c 一超宽带。f c c 已经同意将频率为3 1 g h z l o 6 0 h z 的频带分配给发射功率极低的超宽带系统使用，这一 许可巩固了超宽带技术的合法地位。总而言之，超宽带是一项令人期待、激动人心的高速 无线通信技术，必将在未来的p c 外设及消费类电子市场上占有重要份额1 1 】【”。 1 2 超宽带技术的应用 由于超宽带信号为极窄脉冲的序列，具有很高的定位精度和很强的穿透能力，所以在 l 南京邮l 乜人学帧 。州究生学位论史 第一乖绪论 透视成像和雷达等方面也得到了越来越多的应用；在雷达跟踪、测距和精确定位、武器控 制系统、穿透障碍物成像、以及无线通信( 特别是军事无线通信、w l a n 、室内移动通信 及w p a n 等) 等领域具有广阔的应用前景。超宽带技术被认为是无线通信技术的革命性进 展，是一种为无线局域网( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) 的接入技术带来低功耗、高带 宽并且相对简单的全新无线通信技术，是无线通信领域的一次重大突破。 超宽带潜在的优势在于其使用了极宽的发射带宽，超宽带带束的好处包括：当多径分 辨率接近纳秒时，由于精细的时间分辨率而实现信号的精确时问定位和范围定位，并且大 大改善了多径衰落特性，降低发射功率；由于极宽的传输带宽而带来的多路接入能力：出 于极低的发射功率而带来的隐蔽通信能力；由于具有极低的频率分量而带来很强的材料穿 透能力；超宽带信号的独有优势表现在抗干扰保密军事通信、雷达、定位、导航和电子对 抗、大型军械防撞、液面感应和高度测量等诸多领域。与扩频系统相比，超宽带系统占用 更宽的信号带宽，具有更低的平均功率谱和极高的瞬时功率，在扩频处理增益和抗截获 探测概率两项重要性能指标上均远高于目前的常规扩频通信系统；另外超宽带系统采用窄 脉冲实现通信，其内在的抗多径衰落能力远优越于扩频系统。 1 3 超宽带技术的优势和劣势 近年来，蓝牙，i e e e 8 0 2 1 l a ，i e e e 8 0 2 1 1 b 以及i e e e 8 0 2 1 1 9 等四种无线技术标准在 北美得到了普遍的应用。而在欧洲和f 1 本，h i p e r l a ni i 比较普及，其物理层相似于 i e e e 8 0 2 1 la 。 与窄带信号相比，超宽带信号主要具有以下四个优势f 4 】： i 超宽带信号具有传送高速数掘的能力。根据香农通信理论f 5 1 f6 1 ，信息容量与频 率带宽呈线性萨比关系，并与信噪比的对数成反比。由于超宽带具有很宽的 频带，因此它非常适合高速通信。i e e e 8 0 2 1 53 a 规定的信息传输速率达到 4 8 0 m b p s 。这一速率远远超过蓝牙技术( 1 m b p s ) ，8 0 2 1 l b ( 1 1 m b p s ) # l l8 0 2 1 l a g ( 5 4 m b p s ) 。 2 超宽带信号具有不错的距离分辨能力。利用超宽带信号极窄的时域脉冲，将 大大降低信号传输的路径损失及多径衰落程度。极窄脉冲对多径的分辨能力， 首先使相互叠加的多径信号减少，从而减小了每条可分辨多径的衰落程度； 其次，使可分辨的多径数目增加，通过相干合并将进一步抑制衰落。这使得 超宽带系统可以采用r a k e 接受技术。r a k e 接受机可以在多径信道环境下 南京| | | | 5 l u 人学f 咖h d 宄生学位论殳 鹕一节绪论 改善系统性能，尤其是室内环境。由于具有较强的距离分辨能力，这使得超 宽带系统在完成通信的同时还能实现准确定位跟踪。 3 超宽带通信系统具有天生的安全保密性能。由于超宽带信号的功率谱密度通 常低于环境噪声，因此只有事先知道发射机的发射时间表的接受机才能将这 组随机脉冲序列破译成有用信息。超宽带的这个特性非常适合保密要求高的 通信系统。 4 传统超宽带通信系统是采用无载波的冲激无线电，因此它仅需要进行基带处 理而不需要中频处理。这使得冲激无线电设备的成本明显比其他通信设备要 低。几乎所有的通信系统都采用超外差架构，即将基带信号与本振信号相乘 得到中频信号，再进一步上变频成射频信号。超外差技术能够有效地改善窄 。带接受机的灵敏度。然而，在冲激无线电设计中，中频不是必需的，也不需 要上变频和下变频。因此冲激无线电的设备比较简单，成本也较低。 超宽带技术也同样存在四个主要的劣势： 超宽带信号占用了宽广的射频带宽，因此它与现有其他窄带信号的互相干扰就 成为一个关键问题。一方面，这些窄带信号会对超宽带接受机产生干扰，例如 8 0 2 1 l a 就与超宽带信号共享5 g h z 的频带；另一方面，超宽带信号同样也会 对其他窄带接受机产生干扰，g p s 信号的功率谱密度通常非常低，因此它极易 受到超宽带干扰。但是，在降低一些系统性能的情况下超宽带系统与现有其 他系统的干扰程度是可以通过脉冲波形滤波器和不同的调制方案得到降低的。 由于超宽带脉冲在时域上非常窄，因此数字化和处理这些脉冲需要高速的 a d c 和d s p s 。 波形失真。即使相继到达接收端的多径脉冲能够被完全分开，也会由于收发天 线的理想特性等原因导致脉冲波形的严重失真，从而使接收端相干合并多径的 分集技术难于获得期望的性能。 超宽带通信系统的通信距离非常有限。为了使超宽带系统与其他无线电系统共 存，它的发射功率谱密度可以非常低，甚至低于f c c 规定的电磁兼容背景噪 声电平。低的发射功率限制它的通信距离。通常，采用高增益的天线，可以使 得超宽带信号的传送距离达到i 千米：雨采用普通天线，传送距离只有1 0 到 2 0 米。 南京b 人学坝h i j _ 筑生学位论义第一乖绪论 1 4f c c 对超宽带的定义 1 9 9 8 年，f c c 注意到超宽带技术的重要性并开始对其制定规范。 1 j 2 0 0 2 年2 月，f c c 制定了f 式规范，为避免对现存重要通信系统( 尤其是g p s 和飞行控制系统) 潜在的口j 能干 扰，f c c 一方面将超宽带通信系统限制在311 06 g h z 频带，同时对其辐射功率作出1 ， 比f c ( 、p a r t152 0 9 更为严格的限制，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 ，f t r p ) 限制在一4 1 3 d b m m h z 以下。对室内通信系统( i n d o o rs y s t e m s ) 的辐别 限制如图1 所示，对在室外使用的手持超宽带通信设n ( h n n d h e l dd e v i c e s ) 的限制如图2 所示。 在f c c 工作的影响f ，欧洲制定丁相应的频谱标准，亚洲部分国家也在考虑为超宽带 技术分配频谱资源，这些举措进一步加速r 超宽带技术商业化、标准化的进程。 技术分配频谱资源，这些举措进一步加速了超宽带技术商业化、标准化的进程。 型 芏 吾 羔 面 亘 喜 量 岂 墨 参 i = ，i n 。d o o 。ru m 。l li f t e a u e n c yi ng h t ( 图11 室内超宽带通信系统辐射限制) 郴 娟 书 ：卒 斯 ；宰 南京| f f f f j 邑大学顾f 研究生学位论盅= 芏 j 琶 号 兰 堂 三 量 罄 量 丧 面 耋 第一章绪论 f n o q u e n c y g h z ( 图1 1 室外超宽带通信系统辐射限制) 1 5 论文的主要内容和完成的工作 这篇论文是结合国家自然科学基金的重点项目超宽带高速无线接入理论与关键技术 项目( 项目批准号：6 0 4 3 2 0 4 0 ) 而同步进行的。深入研究利用新型高速丌关器件产生极 窄脉冲的技术。传统窄脉冲产生的基本原理是通过器件所存储能量经由高速开关器件快速 放电而得到窄脉冲输出的。提高输出脉冲性能的途径有二：增加器件存储的能量，加快器 件放电速度，这两种方法都依赖于高速丌关器件，因此高速丌关器件是超宽带脉冲信号产 生的关键。随着半导体技术的发展，高速丌关器件的性能逐渐提高，利用新型高速开关器 件产生极窄脉冲的技术仍然是值得深入研究的课题。 超宽带无线电基本脉冲发射波形优化设计研究。作为一项新的迫切需要先期研究解决 的超宽带无线电关键技术，优化设计超宽带无线电基本脉冲发射波形不但能够大大提高超 宽带无线电系统性能，而且还可以优化超宽带无线电系统设计并使得超宽带无线电系统与 共存的其它数字通信系统能够更好地实现兼容共存。 本论文的各章节安排如下：由于超宽带无线接入系统的辐射信号具有超宽频带和极低 功率谱密度两大特点，这对超宽带无线系统接收系统性能要求非常高、第二章主要介绍了 超宽带高性能接收的关键技术：脉冲信号的波形与功率谱、调n 解调与多址技术、超宽 e 南京| | | | j l 也人学 i ! ii j 州究生学位论史笫一乖绪论 带通信系统与现有重要系统之间的频谱共存和电磁兼容。第三章首先介绍了如何利用阶跃 恢复二极管产生极窄脉冲的原理，接着对脉冲产生电路进行了设计和分析，最后给出了具 体的实验结果，并总结了不足之处和下一步需要改进的地方。第四章选择了矩形脉冲，高 斯单周期脉冲，瑞利单周期脉冲，修币h e r m i t ep o l y n o m i a lb a s e dp u l s e s 四种脉冲波形，对 它们的s n r 性能和误码率性能的数学表达式进行了详细的推导，并用m a t l a b 软件对四种 脉冲波_ 形及它们的s n r 性能和误码率性能作了仿真和比较，最后总结了不足之处和下一步 需要继续进行研究的工作。第 章对全文进行小结，并提出了下一步研究工作。附录给出 了本论文出现的缩略词解释。 南京邮电人学坝l 川究生学位论丘： 销一审脉冲尤线i u 通缩的璀奉膛论 第二章超宽带脉冲无线电通信的基本理论 本章将主要阐述脉冲无线电通信的一些基本理论，包括基本原 里，脉冲波形，超宽带 脉冲的功率谱密度，调制技术以及多址接入技术，并阐述了超宽带与其他通信系统的频谱 共存、兼容技术。 2 1 超宽带通信系统概述 脉冲无线电通信是超宽带通信最早出现的通信方式1 8 】，它直接使用基带脉冲进行通 信。其信号波形上是由重复出现相同的基带脉冲构成序列串构成。脉冲的持续时间非常短， 典型的脉冲宽度从亚纳秒到纳秒级。当一个宽度为t 。的基带脉冲变换到频域，其能量从 直流( d c ) 扩展到大约2 t 。h z 的位置1 9 1 。因此无线电信号的能量扩展到一个很宽的频带上 ( 从接近直流到儿个g h z ) ，且具有很低的功率密度谱。在这样一个宽的频带上还有许多其 他无线通信系统，要求它和其它现有的通信系统兼容，互不干扰，因此采用跳时技术和低 占空比的周期脉冲。 脉冲其信号波形上是由重复出现的相同脉冲构成的序列串，脉冲无线电通信调制方式 有低占空比的脉冲位置调制( p p m ) ，b p s k 调制以及b p s k 和p p m 的混合调制f 1 0 1 ，采用多 进制的p p m ( m p p m ) “】的跳时脉冲无线电技术可以增加单个用户的数据传输率，保持一 定性能的情况下提高系统的多用户容量，还可以提高通信的抗多径能力。此外还有一些 新的研究致力于研究使用伪混沌跳时码的p p m 调制的性能【l “。 【2 6 1 【27 1 1 28 儿29 1 掘香农( c e s h a r u l o n ) 信道容量公式 c c = b l 0 9 2 ( 1 + 景) ( 2 1 ) v 在高斯信道中当传输系统的信号噪声比s n 下降时，可用增加系统传输带宽b 的办法 来保持信道容量c 不变，以实现信道内无差错通信。从通信技术的发展来看正是一步步 由点频通信到调频通信，到扩频通信，再发展到超宽带通信的。当前通信领域正在研究发 展的扩频通信技术就是利用这一原理的。扩频通信系统得带宽比常规通信体制大几百倍甚 至几千倍。与超宽带通信相比，扩频通信又是一种窄带通信体制，所以超宽带通信比扩频 通信的信道容量更大。香农还指出，在高斯噪声干扰下。有限平均功率得信道上，实现有 效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，因为高斯白噪声信号具有理想的 自相关特性。高斯白噪声信号功率谱为 r 南京| | | | j 1 u 人学彻i 付 究生学位论文 它的自相关函数为 肌) = 去k ) e j m r d ( o = 等m ) ( 2 3 ) 其中u 是角频率，f 为时延，8 ( r ) 是占函数。白噪声的自相关函数是占函数，说明它具有 尖锐的自相关特性。 超宽带通信就是通过发射和接收具有纳秒( n s ，1 0 一s ) 量级的脉冲信号，它以每秒数十 兆的速率发射和接收脉宽小于1 i q s 的窄脉冲信号，信息通过脉冲定位调制( p p m ，p u l s e p o s i t i o n m o d u l a t i o n ) 或脉冲键控n 伟1 ( o n o f f k e y ) 等方式条知道精确定时的脉冲串中去。图 2 1 和2 2 是典型的超宽带通信的收发信机结构。它包括超宽带天线、脉冲源、相关器、 编程延时器、数字基带和控制及其它附件。 ( 图2 1 发射机框图) 9 论 ， 埋 0 料 g 的府通u线 尤 冲脉争 第 (甜一 笪： i ms 南京肼 u 火学坝i 研究生学位论文 第一市脉冲无线l u 通信的基本理论 、 相关器 信息解调 解调输出 低通滤波器 i 解码源卜斗 解码时间 可调时钟 延时 ( 图2 2 接收机框图) 发射时，通过可编程延时器对系统时钟进行精确的延时，输出触发信号来触发脉冲源。 脉冲源产生一定脉宽和功率的极窄脉冲信号，当脉冲功率达到一定值时直接激励超宽带天 线发射出去。 接收时，接收信号经由天线进入相关器输入端。相关器根据来自编程延时器的触发脉 冲产生模版脉冲，与接收信号进行模拟相关，输出的直流电压信号经a d 变换后送数字 基带处理进行数字相关和判决处理。 扩频通信系统中处理增益定义为传输带宽和信息带宽的比率 g ，= 芋 ( 2 4 ) 式中，b 。是传输带宽，b f 信息承载信号带宽。 在常用的直接序列扩频系统中，采用高速率的伪随机码序列和低速率的信息数据进行 相关运算来实现扩频，扩展后的频谱一般为几十兆赫兹。超宽带通信系统采用的跳时扩频 方式，是利用窄脉冲信号本身的频谱特性进行扩频，扩展后的频谱为几千兆赫兹，是一般 扩频通信的一百倍，因此同等码速率情况下，超宽带通信系统比一般扩频系统的处理增益 大2 0 d b 左右，具有更强的抗干扰特性。 南京邮屯人学坝 删究生学位论文 笫一辛脉冲无线i u 通信的皋奉理论 2 2 脉冲信号的波形和功率谱 根据超硫带技术的定义，超宽带系统的发送功率覆盖了一段非常宽广的频带，因而它 的功率谱密度非常低。在超宽带通信中，通常采用高斯波形( o a u s s i a nw a v e f o r m s ) 作为 脉冲波形，因为它非常容易被生成，数字表达式也很简洁。由于其表达式相似于高斯函数， 所阻称这种波形为高斯波形。形如图2 】的高斯波形的表达式如下式： 一r ! 、2 p 。= a e 7 ( 2 1 ) 其中a 为脉冲幅度( 伏) ，f 为脉冲宽度参数( 秒) ，t 为时间( 秒) 。 图21 中另一个波形的表达式是高斯脉冲的一阶导，这种脉冲称为瑞利单周期脉冲。 它有一个零点表达式如下式： 肿) ：爿二e 掣( 2 2 ) r 它的频域表达式为： p l ( f ) = 一f 2 p 一7 2 2 ( 2 3 ) 如图2 1 和2 2 所示，随着脉冲导数的阶数越高，脉冲的零点数增加，带宽降低，如 果f 保持不变，中心频率也就越高。 j j 一 一一1 攥o d o r d i ff q ”r e n t i a l 0 j i| 。i 一2 n do r d e r “f f s r s n t i a l ， l !， ， 、 、 。步 1 t o f i ! ! j7 ； 爷 一 ot? - ：一 0 ，“、 ( 图2 1 超宽带脉冲的时域波形) 星jlc呈pe岜l= 南京| | j f j i u 人学坝l 刈b c 生学位论义 笫一市脉冲无缱】b 通信的皋奉删论 ( 图2 2 超宽带脉冲的功率谱) 由于超宽带脉冲的功率谱密度非常低，这使得它对相应频带内的窄带信号的干扰极其 有限。超宽带系统对工作在相同频带内的其他窄带接收机的干扰仅仅相当于增加了它们的 底部噪声。因此，我们认为，少量的超宽带信号是完全可以与现有其他通信信号在相同频 带内共存的。 2 3 超宽带的调制技术 目前比较常用的调制方法是：二进制振幅键控调制( 0 0 k ) ，脉冲幅度调$ t j ( p a m ) ，二进 制移相键控( b p s k ) 和脉冲脉位调$ 1 j ( p p m ) 。另外还有比如伪混沌跳时调制( p c t h ) 以及m 状态w a l s h 码调制等。 2 3 1 二进制振幅键控调n ( o o k ) o o k 是一种幅度调制的特例，分别以脉冲的“有”和“无”代表二进制信息的“l ” 和“0 ”。式( 2 4 ) 为o o k 调制的超宽带发送信号的表达式，波形如图2 3 ： s ( f ) = 6 ，p ( 卜h 弓)( 2 4 ) 其中s ( t ) 为超宽带信号，b 。为数据0 或“l ”，p ( t ) 为超宽带脉冲，t f 为脉冲重复周期。 o o k 调制相对于其他幅度调制的最主要的优势就在于它非常容易在物理上实现。 o o k 调制系统只需要一个脉冲发生器，利用一个r f 丌关来控制脉冲发生器的开和关， 1 2 南京l f | f l u 大学删l 一训究生学位论文 鹅一_ 审= 脉冲_ 尢线f u 通精的雉本删论 实现0 和“1 ”的发送。而它的劣势则在于它的b e r - i ：f - 自h 8 v 。f 1 8 1 明显不如其他幅度调制技 术( 例如b p s k ) ，如图2 4 所示。假设用匹配滤波器接收，o o k 系统的b e r 性能则为： 嘲( 据 ( 2 5 ) 其中，p 。为错误概率，e b 为平均每比特能量，n o 为噪声功率谱密度，q 函数1 9 】定义为： q ( 曲。皓。 ( 2 6 ) 2 , 3 2 脉冲位置调制( p p m ) p p m 又称时i 、日j 调制( t m ) ，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某标准或特定 的时刻来表示某个特定信息的。对于二进制p p m 方式下，当发送比特为“1 ”时，就给这 个脉冲增加一个额外的时间偏移量6 ：当发送比特为“0 ”时，这个脉冲在时域上就保持 不变，图2 3 给出了一个均匀间隔的脉冲序列。二进制p p m 技术的表达式为： s ( f ) = p ( t - n r , 一弧) ( 2 7 ) 其中b 。为数据“0 ”或“1 ”，6 为时间偏移量。 p p m 方式最主要的缺点同样是它的b e r 性能在平均能量相同的情况下明显不如 b p s k ，而仅仅与o o k 方式相近。图2 4 给出了p p m 方式的b e r 性能，从中可以看出， 在匹配滤波器接收的情况下，它的b e r 性能相似于o o k 方式，其数学表达式为： =( 2 - 8 ) p p m 方式的优点是它是一种i f 交调制方式，每个脉冲都独立于其他脉冲。因此，每 个符号的脉冲都只在相同的时隙发送。m 进制p p m 方式的b e r 性能优于b p s k ，传输效 率也高于b p s k 。 在m 进制p p m 方式下，要得到高的数据传输速率，就需要多个脉冲发送位置，这就 必然会引起符号问干扰( i s i ) 的问题。因此，为减少i s i 的影响，有必要降低脉冲数据速 率。如果在密集多径环境下，即使降低数据速率，p p m 接收机的性能也不够理想，因为 不同脉冲的互相叠加会增加接收机的误比特率。 2 3 3 二进制移相键控( b p s k ) 对于超宽带通信而言，b p s k 是一种利用脉冲的极性柬进行调制的技术。例如，发送 一个丁f 向的脉冲代表“1 ”，发送一个反向的脉冲代表“0 ”，如图2 5 所示。b p s k 的数学 表达式如下： 13 南京| | | | i l u 人学坝卅究生学位论义 s ( f ) = 6 j ，p ( t 第一帝脉冲无线l u 通信的螭奉理论 ( 2 9 ) 其中b 。为数据0 或“1 ”。 b p s k 相对于o o k 和p p m 的一个主要优势就在于它的b e r 性能卅比较理想，图2 4 给出了b p s k 方式的b e r 性能，从中可以看出，在匹配滤波器接收的情况下，它的数学 表达式为： = q c j 焉， f 2 1 0 ) 而其主要劣势就是它在物理上不太容易实现。采用b p s k 方式的系统需要两个分别产 生相反极性脉冲的脉冲发生器。虽然这种系统比较复杂，但在超宽带系统中，b p s k 仍然 是被广为采用。 ( 图2 3 超宽带的调制方式，( a ) o n - o f f k e y i n g ( o o k ) ( b ) p u l s ep o s i t i o nm o d u a l t i o n ( p p m ) ，( c ) b i p h a s e m o d u l a t i o n ( b p s k ) ) 害毒鼍，t星 南京f i s t b 大学颂t 研究生学位论文 笫一章脉冲无线i u 通信的壮本删论 ( 图2 4 用匹配滤波器接收情况下，不同调制方式的b e r 性能) 2 3 4 伪混沌跳时调锖i j ( p c t h ) p c t h 根据调制的数据，产生非周期的混沌编码，用它替代t h p p m 中的伪随机序 列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化，p c t h 调制一方面能 减少对现有的无线通信系统的影响，同时更不易被检测到。p c t h 的原理图如图( 2 5 ) 所示。 输入数据 输出数据 ( 图2 5p c t h 原理图) l5 a w g n 噪声 删蜢口li墨 南京邮i u 人学坝l f j | e 生学位论义 第一串= 脉冲光线i u 通信的璀奉理论 图中，p p m 为脉位调制，p p d 为脉位检测，信道噪声为a w g n ，解调数据可用门限 硬判决，也可用v i t e r b i 软判决，输入数据送伪混沌编码器，p c 编码器是长度为m 位的 移位寄存器，它有n = 2 ”种状态，可以表示为： x = 0 b 。b 2 = 2 6 ， ( 2 1 1 ) b l 和b m 分别为最高位和最低位，每输入新的l b i t ，移位寄存器左移一位，舍弃移出的最 高位，将新的1 b i t 作为最低位，为保持系统抗噪声的鲁帮性，x 的移位关系可写为： + 1 = 1 2 l h o 5 l( 2 1 2 ) 由于输入数据为i i d 的随机变量，在每帧内，信号可以表示为： w = w ( t i t ) ，i = 0 ，l ，( 一1 )( 2 1 3 ) 其中，t 。为每位占据的时隙大小。 不失一般性，设信号波形为高斯函数w ( ，) = 2 4 t e a 万坑e x p 一2 ( 石矿) 2 ，a 为峰值，f c 为确定信号的中心频率，信号n 种状态中，每一种等概出现，且概率为p ，它的p s d 函 数由( f ) 除包含连续分量外，还包括式( 2 1 4 ) 的离散分量巾m 。( f ) ： u 舻剖w c 耕薹w 一，i n ， 伍均 假设系统的t f l o o n s ，移位寄存器长m = 1 2 位，则信号w ( t ) 的第一根离散谱线位于 4 0 g h z 左右，远远超过超宽带的1 3 g h z 的频率区i ，同时也位于现有的基于币弦波的无 线通信的频率区问。 2 3 5 m 状态w a l s h 码调制 超宽带短脉冲对现有无线系统造成的影响可归结为两点，一是它发送的脉冲的功率， 二是单位时间内发送的脉冲数。所以如果减少单位时间内发送的脉冲数，在不降低系统的 b e r 和发送的脉冲功率情况下，可减少超宽带对其他无线系统的干扰。m 状态w a l s h 码 调制就是利用m 状态w a l s h 码调制就是利用m 状态w a l s h 码取代1 b i t 单脉冲信号，实现 跳时脉位调制的。理论分析和计算机模拟表明，在总功率相等条件下，m 状态w a l s h 码 调制的b e r 优于二进制t h p p m 调制方式。 m 状态w a l s h 码调制仍采用伪随机序列，它也存在离散谱线，且谱线问隔与t h p p m 调制方式相同。 南京邮i u 人学碗i 究生学位论义 笫二帝j 脉冲无线i u 通信的基本理论 2 4 多址接入技术 超宽带系统通常采用跳时技术( t i m e - h o p p i n g ) , d 直接序y 0 ( d i r e c ts e q u e n c e ) 来作为多 址接入技术，跳时技术是由s c h o l t z 提出来的【2 0 】【引1 。本章第2 3 小节所提到的几种调制技 术都可以采用它柬作为多址接入技术。下面是一。个典型的在p p m 调制方式下，用户数为 k “、的跳时信号的表达式： 坼( f ) = p ( 卜n 一一c ：i 一国i i n , ) ( 2 1 5 ) 其中p ( t ) 为发送脉冲，t f 为脉冲重复周期， c 。) 是第k 个用户的跳时序列，对每个用户分 配不同的跳时序列 c 。) 来使发射脉冲获得不同的附加时移，以区分不同用户和减少用户 间的碰撞。t 。为跳时码对每个脉冲的附加时移，b 。为数据0 或“1 ”，6 为所发射脉冲 的附加时移。n 。为每个信息符号所发送脉冲的数量，因此信息的传输速率为： 弘毒= 古 直接序列是另一种在超宽带通信中应用十分普遍的的多址接入技术。它通常把时间划 分为以t 。为间隔的时隙，这里t 。为码片持续时阳j ，用户发送每一帧的时间为t f ，占用 n h 个时隙，即t t = n h + t c ，每一帧t t - i j 寸间发射脉冲的数目取决于系统采用的扩频码( p n 码) 的周期。 假设 口r 。n , 。- 1 ， 1 为第k 个用户对应的扩频序列( p n 码) ，d s 超宽带信号1 2 2 1 可 定义为： s 似( ，) = 6 d y x ( 卜，乃一i 1 ) ( 2 1 7 ) 其中b j 。为第k 个用户发送的第j 个信息，n h 个脉冲表示一个信息，则其码元传输速率为 r b = ( t f ) 。 2 5 超宽带与其他通信系统的频谱共存、兼容技术 超宽带信号能量所占用的带宽覆盖了其他窄带无线通信系统，例如u m t s w c d m a 、 w l a n 、g p s 以及广播系统等通信系统的工作频段，从而造成了相互干扰。除了超宽带信 号对其他窄带系统产生干扰影响外，超宽带系统也受到位于同一频段的其他窄带( n b ) 射 频系统的严重干扰 2 3 】【2 “。研究消除现有窄带系统对超宽带无线系统的干扰和实现超宽带 系统与其它系统之间的电磁兼容成为超宽带技术应用急需解决的重要问题。 南京邮【也人学坝j ：0 1 究生学位论史 第一_ 亭= 儿永冲尤线 b 通俯的桀奉螋论 m s i a c o b u c c i 等人指出为消除出其他窄带数字通信系统引起的射频干扰，需要获得 并利用准确的干扰信号的频谱估计。b e b a c c a r e l l i 等人提出了一种新的算法来评估并抑 制超宽带无线系统所受到的外部干扰进而提高超宽带系统的性能。与其他文献中采用的评 估并抑制窄带干扰的方法不同，该方法是通过频域处理和时域抑制相结合的技术来消除窄 带干扰。i b e r g e l 等人提出了一种新的算法来抑制超宽带无线系统中的窄带干扰，并在假设 超宽带无线电系统使用最小均方多径分集接收机的前提下对这些算法进行了理论分析。研 究结果表明：采用这些算法后，在共存的频谱范围内窄带通信系统对超宽带无线系统的干 扰几乎完全消失。r y u j ik o h n o 等人于近期首先提出软频谱自适应s s a ( s o f t s p e c t r u m a d a p t a t i o n ) 技术的思想和概念，通过设计合适的脉冲波形来解决超宽带系统与同频段共存 的其它窄带通信系统间的相互干扰问题。s s a 的时频特性对应关系示意图如图( 2 6 ) 所示。 ( 图2 6s s a 的时频特性对应关系示意图) 2 6 结论 本章讨论了脉冲无线电的基本原理和主要的关键技术，首先介绍了最常见的脉冲波形 及其功率谱的特性；接下来列举了超宽带通信中常用的一些调制方式，分别写出了各种调 制方式数学表达式，并比较了它们的b e r 性能；最后对两种多址接入技术和频谱共存电 磁兼容做了一些介绍。 南京邮电人学坝l 研究生学位论文 第三章檄窄脉冲发生器的设计与实现 第三章超宽带系统中极窄脉冲 发生器的设计与实现 3 1 引言 从本质上讲，产生纳秒级宽度短脉冲的信号源是超宽带技术的自u 提条件。单个无载波 窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励 信号包括从直流到微波的很宽的频谱目前产生脉冲源的两类方法为：( 1 ) 光电方法基本原理 是利用光导丌关的陡峭上升下降沿获得脉冲信号，是最有发展前景的一种方法。( 2 ) 电子方 法基本原理是利用晶体管p n 结反向加电，在雪崩状念的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形 后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只 能产生几十伏到上百伏的脉冲，1 0 d b 脉冲的宽度可以达到l n s 以下。 阶跃恢复二极管( s r d ) 也是一种p n 结二极管，但它在管芯设计和结构工艺上采取 了一些特殊的措旖，能够获得电流的“阶跃”，所以可以用来产生很窄的脉冲。下文就着 重讨论使用阶跃恢复二极管产生窄脉冲的方法。 3 2 阶跃二极管产生极窄脉冲的原理 f 2 8 垤统窄脉冲产生的基本原理是通过器件所存储能量经由高速开关器件快速放电而 得到窄脉冲输出的。提高输出脉冲性能途径有二：增加器件存储的能量，加快器件放电速 度，这两种方法都依赖于高速开关器件，因此高速开关器件是超宽带脉冲信号产生的关键。 阶跃恢复二极管是一种充分利用少子储存效应的器件，作为- - # p n 结二极管，普通整 流管要求正向时管子导通，反向裁至，因此少子储存效应对整流器件显然是不利的，而对 阶跃二极管，当加上正向电压时，大量少数载流子注入i 层并储存起来，反向时由于少予 基本上被反向电场提取完毕，器件在极短的阶跃时间内关断，关断瞬间产生了电流跳变， 形成一个很窄的脉冲。 理想的阶跃恢复二极管在正向和反向偏置时，具有两种阻抗状态。j 下向： c 正m = c j m ，相当于低阻抗短路状态；反向：c 反目= c 。，为高阻抗状态。简化的脉 冲串发生器电路如图3 1 所示。频率f l 的激励信号使阶跃管j 下向导通，直至二极管的储存电 荷释放完为止，脉冲发生器的等效电路如图3 2 所示。此时输出电压维持在阶跃管的接触电 1 9 南京| l i | f b 人学坝l 训究生学位论义弟二审= 枨带脉冲发生器的砹汁y 实现 势审。与此同时，激励电感l 中储存输入信号的能量。当输入信号电压与阶跃管的偏压大 小相等，符号相反，而储存电荷又降为零时，阶跃恢复二极管自低阻抗状态转为高阻抗状 态，脉冲发生器的等效电路成为图3 3 所示，激励电感释放其储存能量，在r f 上造成如下形 式的阻尼振荡电压： 一 f。 v ( t ) = ( 。丽乏i 1 一f2 ) p 瓜“s i n f l t ( 3