（信号与信息处理专业论文）基于线性调频信号的超宽带通信系统研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：万数 日期：砷，口年f 月1 ：2 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 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 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密函f 学位论文作者签名：忍焱 日期：纠矿年j 月，上日 指导教师签名：降札 日期：2 9 f d 年厂月12 日 皋十线件训频衍i ，的超宽带通信系统的研究 基于线性调频信号的超宽带通信系统的研究 摘要 无线通信技术发展的过程中，由于宽带信号的出现而导致通信技 术产生了重大意义的进步，超宽带( u l t r a w i d e b a n d ) 技术的出现是无 线通信发展进程中一个不可避免的阶段。超宽带以其传输速率高、能 耗低、抗衰落、不易被截获以及对障碍物穿透能力强等特点，在家庭、 医疗、工业等领域有着广泛的应用前景。线性调频信号( c h i r p s i g n a l ) 长期以来被用于雷达系统中，它以其抗干扰、抗多普勒频移、 抗多径衰落、低功耗和系统结构简单等优势，越来越受到人们的重视。 将线性调频信号信号用于超宽带，是最近几年出现的一种研究方向， 是继i r - u w b 、d s c d m a 和m b - o f d m 之后一种全新的超宽带系统。 本文主要从以下几个方面对线性调频超宽带系统进行了研究： 1 在介绍了c h i r p 信号和基于c h i r p 信号的超宽带系统的理论的基 础上，提出了基于c h i r p 信号的超宽带波形设计的方法，利用线性调 频信号匹配滤波的压缩特性和傅里1 1 f 变换的线性特性，以及h e r m it e 矩阵分解特征向量的正交性，将不l 刊频段j - 的线性调频信号加以替 加，一定程度l ：提高了超宽带系统的频谱利川1 率。 2 硼f 究j 7c h i r p u w b 的多利, f - 高- 弓训制力，包括一_ 进制i r 交键控、 四进制双正交键控、一二进制相移键控以及7 _ 筹分相移键控等，j i ： 对其误码率和频谱特性经行j - 详细的分析。捉；了，种基丁二窗函数的 信号旁瓣抑制机制，r i j 。以进一步提高系统f j ，j 几j 嚣性。 甚十线性i j , ：j 频信0 的超宽带通信系统的研究 3 研究了c h i r p u w b 的多址接入方式。其中主要包括多调制斜率多 址方式和基于线性调频信号的码分多址方式，并提出了一种采用伪随 机序列对用户的使用频带和调制斜率进行分配的多址方式。 4 研究了c h i r p f o u r i e r 的基本原理，针对m b o f d m 标准建议中的 系统参数，提出了基于1 0 0 t _ 作周期的m c ms a wc h i r p f o u r i e r 变换的m b o f d m 系统方案，这种方案具有低功耗、低成本的特点，并 使用a d s 对这种方案进行了仿真，仿真结果显示出基于 c h i r p f o u r i e r 的o f d m 系统与数字式o f d m 具有相同的性能。 5 设计并实现基于直接数字频率合成器结合锁相环的c h i r p - u w b 信 号源。该方案把频率稳定度好，输出频率分辨率高，频率转换速度快， 相位噪声低的d d s 与模拟p l l 结合，可以获得高频率分辨率、快的信 号建立时间、低相位噪声和宽输出频率范围的高质量c h i r p u w b 信 号。由于d d s 输出频率和带宽可以编程控制，因此这种方式产生的 c h i r p u w b 净宽是可控的，在设计上具有很大的灵活性。 关键字：超宽带、线件调频信弓、多址接入、c h i r p f o u r i e r 、直接 数字频率合成 桀十线r t 溯频信i j 的超宽带通f 矗系统的研究 二一 t h er e s e a r c ho fu l t r aw i d e b a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e d o nc h i r ps i g n a l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ew i d eb a n ds i g n a lm a d ea g r e a ts i g n i f i c a n c ei nc o m m u n i c a t i o nh i s t o r y t h ee m e r g e n c eo f u l t r aw i d e b a n dw a sa ni n e v i t a b l e p h a s eo ft h ep r o g r e s s b e c a u s eo fh i g hd a t ar a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，u n f a d a b l e ，d i f f i c u l t t o c a p t u r ea n dp e n e t r a t i n ge f f e c t ，t h eu w bs y s t e mh a sab a t t e rp r o p e r t yi nd w e l l i n gh o u s e ，m e d i c a l a n di n d u s t r ye n v i r o n m e n t t h ec h i r ps i g n a lh a sb e e nu s e di nr a d a rs y s t e mw i t hi t sr e s i s t a n c eo f i n t e r f e r e n c e ，d o p p l e re f f e c ta n dm u l t i p a t hf a d i n g s h i f tt h ec h i r ps i g n a li nu w bs y s t e m w a s a i r e a d yb e e na na s p e c ti nt h er e s e a r c h i n gf i e l d t h ec h i r ps i g n a lw i l lb et h en e wc a n d i d a t eo f t h e u w bs y s t e mw i t ht h ee x c e p t i o no fi r u w b d s c d m a & m b o f d m t h en o v e lw o r k sa r ea s f o l l o w s ： 1 an e wm e t h o db a s e do nt h ec h i r ps i g n a l sc o m p r e s s i o ni sp r o p o s e df o rt h ed e s i g no ft h e i m p u l s er a d i ou w bp u l s ew a v e f o r m b a s e do nt h ec o m p r e s s i b i l i t yo ft h ec h i r ps i g n a l sp a s s e d m a t c h e df i l t e ra n dt h el i n e a r i t yo ft h ef o u r i e rt r a n s f o t 1 1 1 an e wu w bp u l s e i so b t a i n e d b y s u p e r p o s i t i o no f t h ec o m p r e s s e dp u l s e sf i o md i f f e r e n tc e n t l a lf i - e q u e n c yc h i r ps i g n a l s 2 r e s e a r c ht 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 lk e y i n g ( b o k ) 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 ( q b o k ) ，b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ( b p s k ) a n d n 4d i f f e r e n t i a l q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ( n 4 d q p s k ) t h ep o w e rs p e c t r m nd e n s i t yo ft h e s es c h e m e s a r e d 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 i e d p i o p o s e dan e ws c h e m et h a tt h e s i g n a le n v e l o p sc o u l db er e s h a p e db yw i n d o wf i m c t i o n 1 h es c l l e m ew o u l dd e p r e s ss i g n a l s i d e i o b ew h i c hc o u l da f f e c tt h eb i te r r o r1 a t e 3 m u l t i a c c e s ss c h e m et 0 1 c h i r pu w bw a sd i s c u s s e d f r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i a c c e s sb y p s e u d or a n d o ms e q u e n c e m u l t i s l o p ea c c e s sa n dc h i r pc o d ed i v i d em u l t i - a c c e s s 4 r e a lt i m ea n a l o gs a wc h i r p f o u r i e j 。t r a n s f o l n ld e v i c e sa t ea d o p t e dt oj e p l a c et h ed s pp a r t a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r so ft h em b o f d mu w bs y s t e m ，am b o f d mu w b r e c e i v e r s c h e m eb a s e d0 1 1t h e10 0 d u t yc y c l em - c ms a wc h i r p f o t n i e l i r a n s f o r l l li sp r o p o s e da n dt h e s t e po l s i g n a lt r a n s f o r m a t i o nf r o mi n p u ts i g n a l si sa l s od e p i c t e d 5 t h ec h i r p u w bs i g n a ls o u r c eh a db e e nd e s i g n e da n di e a l i z e db ) 7u s i n gd d sp l u sp p ! ，b 3 u s i n gs t a b l ea n dh i g ha dc o n v e r t i n gs p e e dd d sc h i p 、cc a no b t a i nt h eh i g hq u a l i t 3s i g n a l b ) u s i n gd d s j l hp l l t h es i g n a li su t l yf l e x i b l eb yt i l ep r o g r a m m a b l eo l d d sc h i p k e yw o r d s ：u w b 、c h i r ps i g n a l 、c f t 、d d s 搪十线降训频信l j 的超宽带通信系统的究 目录 第一章绪论1 1 1 超宽带技术背景介纠1 1 2 基丁- 线性调频信号的超宽带3 1 3 国内外研究现状4 1 4 论文的研究内容雨i 章节安排5 第二章c h i r p 超宽带概述7 2 1 线性调频信号简述与性能分析7 2 2 基丁线性调频信号的超宽带2 0 2 3 声表面波器件一3 1 2 4 本章小结3 3 第三章c h i r p - u w b 信号的调制3 4 3 i 二进制止交键控( b i n a r yo r t h o g o n a lk e y i n g ) 3 4 3 2 四进制舣止交键控( q u a d r u p l eb i o r t h o g o n a lk e y i n g ) 4 3 3 3 直接调制( d i r e c tm o d u l a t i o n ) 4 8 3 4 加窗信号对系统性能的影响5 7 3 5 本章小结6 1 第四章多址接入6 2 4 1 基丁i ) n 序列跳频多：h i ：接入6 2 4 2 多调制袋i _ 率多士| ：( m u l t i s 1 0 p em h lt i p l ea c c e s s ) 6 6 4 3 基y - c h i r p 码的多址方案6 7 4 4 本章小结7 i 第五章基于c h i r p - f o u r ie f 变换的m b o f d m 系统7 2 5 1 基ts a w 的c hir p f o u r ie l 变换7 2 5 2s a wc h jr p f o r e ie l - 变换往m b o f d mu w b 接收机中的麻刚7 7 5 3 本章小2 卉8 ：j 第入章c h i l p u w b 信弓+ 源的设计与实现8 4 6 1 ! = j ! ：接数亨：频率合成介 “8 4 6 2 本文7 听采h j 的i ) i ) s * ； 什介? m 9 ( ) 茂： 塔j 二a 1 ) f 1 3 6 02 的例州i 环i u 踏没汁9 1 h 。tc hil 。pf 膏i r j l 溅 i 。门实 见，9 6 6 5 小章小纳9 9 第匕章总纡i 展雪! 10 0 7 1 沦文i 容总2 i i 。，1 0 0 7 2j 再续l ：f l j 腱q ! ，1 ( ) l 作齐。在硼i ：究，l i 期i 、 j 参o 负| i 及发表沦义1 ( ) ：j 致毗1 ( ) ，l 参考+ 文献1 ( ) 5 ljft1j k i 1l l 缺十线件涮频信i 的超宽带通信系统的f i j l = 究 1 1 超宽带技术背景介绍 第一章绪论 超宽带优异的传输特性决定了其在军事与安全领域的地位，当前人们所了解 的超宽带技术来源于军用雷达，其主要特点是具有极宽的信号带宽和很高的距 离分辨率。这种技术是一种与常规的无线通信技术相比具有显著差异的新兴的无 线通信技术。超宽带信号在科学研究、仪器和检测方面的应用始于上个世纪6 0 年代，并在之后的十年罩受到了雷达信号处理领域的研究人员的关注。直到上世 纪8 0 年代，通信领域的研究人员才丌始研究超宽带冲击无线电通信系统，但由 于受当时条件的限制，未能得到快速的发展和广泛的应用。1 9 9 3 年，r a s c h o l t z 在国际军事通信会议上发表的论文论证了采用冲击无线电进行时跳调制的多址 技术1 ，从而丌辟了将u w b 脉冲作为无线电信息载体的新途径。 在1 9 9 4 年之前，超宽带领域的早期研究中，特别是冲击无线电领域的研究 内容，是属于美国政府及其军方的机密计划，在1 9 9 4 年之后许多相关的研究计 划取消了保密限制，从而加速了超宽带技术的发展步伐【2 j 。1 9 8 9 年美困军方首次 使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在2 0 d b 处的截止带宽大于1 5 g h z 或 相对带宽大于2 5 ，则这个信号就是超宽带信 予。2 0 0 2 年，美国联邦电信委员 会( f c c ) 颁布了u w b 的频潜规划，规定个信号使刖频段处于3 1 g h z 1 0 6 g h z 之内，在一1 0 d b 处的截i ：带宽不小于5 0 0 m l - l z 或栩对带宽大于2 0 ，许i l _ 上信号 的令向发射功率要低一i ；j ：4 1 3 d b m m h z ，l l j f 二便携式终端之f i i j 的无线数据传输 或实时定位系统( r t l s ) ，以及穿墙雷i & ( p e n e t r a t i o nr a d a r ) f h ；气1 i 防碰撞雷达 ( v e h i c l ea n t i c o l l i s i o nr a d a r ) 系统l i l 。从此，超宽带丌始成为学术界、企业界 私i 有关标准化组织所关心j 铲个技术热点，包十，li n t e l 、i b m 、摩托罗拟、德州仪 器等企业都) i ：始涉足j 匝宽带技术的研发i2 i 。 超宽带作为种新兴i | ，j j ! 】1 信技术几仃以| 、j 支术特，州3 1 1 4 i i j l ： 数据传输速率i 商。楸j l i 香浓公式，极宽1 1 ，j 刊j 。赶川时意味荇极- 岛的信道容量， 如果使用全部7 5 g h z 的谢i i - i 宽，l l j 使信噪比化一l0 d b 以卜，列沦信道容肾也町以 达到1 g b p s 以卜。 皋十线性调频信l 的超宽带通信系统的研究 通信距离短。根据f r i i s 方程，随着传输距离的增加，高频信号具有更高 的衰减速率，因此具有较高中心频率的超宽带系统更适合短距离通信，理论分析 表明，当超宽带收发机之问的距离大于1 2 米的时候，其信道容量低于传统窄带 系统。 低功耗。基于f c c 所给出了超宽带系统全向辐射功率的限制，假设一个 超宽带信号占据了全部7 5 g h z 的带宽也只能产生2 5 5 d b m 即0 5 5 6 毫瓦的发射 功率，并且基于高斯脉冲的超宽带系统的频谱利用率较低，最高不到4 0 。 抗干扰能力强。因为使用超大的带宽，u w b 技术处理增益很强。传输8 k h z 信息，若使用的信道带宽为2 g h z ，则处理增益将达到5 4 d b 心1 。 多径分辨率极高。由于超宽带使用的是时宽极短的窄脉冲，具有极高的时 空分辨率，因此也具有了很高的多径分辨率，例如1 纳秒脉冲的多径分辨率为 3 0 厘米，通过r a k e 接收机可以获得很强的多径抗衰能力，在定位、测距等对 分辨率要求高的应用上有着广泛的前景。 安全性高。超宽带的功率频普密度很低，接近窄带系统的白噪声，一般的 接收机很难感知其存在，并且在传输信号时使用的是占空比很小的短脉冲，未与 发射机同步的接收机很难将信号截获。 超宽带具有广阔的应用阿景1 4 1 1 5 1 ： 组建无线个人局域网与家庭无线网络。超宽带在通信领域的应用主要是组 建无线个人局域例和家庭无线恻络，作为各种没备之间的通信接口，满足家庭中 4 i m 的娱乐和计算机砹矫，例如i ) v i ) 、机顶盒、f 乜视机、p c 等设备之问的无线数 。，内容传输。在p a nh 络厅i ( i n ，jj 遁用由于与包括8 0 2 11b 、蓝牙等技术有一定的 秉叠，其关键问题花j ：超宽带足行能够真俨达到最低的成本来组建系统。 甫达探测也足超觉带技术的一个主要i # 1 1 j 。现存很多企业i 卜在开发更多的 新，弘探测成像i 父箭，从i f i ji j 以使警察、消防员干救援人员在紧急情况f 能够迅速 找剑；贼舀： 崛- , h z i 后或齐址做川! 住废址1 f j n i ，j 人。2 0 0 2q - ：2 川f c c 在一些通信j 务公司 i ，1 ，j 反对n 勺十肯况f ，仍然川恋【：w b 技术商川化，、i 盼州午遍认为，2 0 0 1 年的91l 事 什址c 最人的原之。l ：w i ji 殳矫j 有很强的穿透能力，如墙壁等，t , l j 使在i 旦：贸 人眨断! 壁残垣内，也i i j 以仃效地m 助救援人员迅述寻找存活者。u w b 探测设备还 j 以m 助公共安个部i 、j 化攻l i 拳之f _ j i ，侦测q i ! 犯的动向，在反恐战争一- 1 1 发挥彳i 可估 暴于线性测频信i j 的超宽带通信系统的研究 量的作用。 超宽带技术还可以用来测量距离和位置。超宽带定位系统具备为实时的室 内外精确跟踪能力。比如为紧急服务提供的定位器指示，出于安全的目的而进行 的人和物品的跟踪，汽车、工农业设备的精密导航等。因此说g p s 可以与超宽带 在室内精确定位方面将会对g p s 起到一个很好的补充作用。 在超宽带标准方面存在着两大对立阵营，一个是以摩托罗拉、p u l s el i n k 和飞思卡尔等公司倡导的以d s c d m a 作为底层技术的超宽带论坛( u w bf o r u m ) ， 另一个则是英特尔、诺基亚、t i 等公司支持的以m b - o f d m 作为底层技术的m b o a ( m u l t i - b a n do f d ma s s o c i a t i o n ) 。2 0 0 6 年1 月1 5 日，历时四年标准之争终于 打破僵局，i e e e 8 0 2 委员会宣布解散i e e e 8 0 2 1 5 t g 3 a 工作组，有关超宽带标准 制定方面的争论无果而终。然而i e e e 8 0 2 15 t g 3 a 工作组的解散并不意味着两大 阵营的u w b 标准之i 自j 的竞争减弱。相反，两种u w b 标准在无线u s b 市场主导权的 争夺上，仍反映了丌发d s c d m a 和o f d m 版本u w b 标准的早期努力。 1 ，2 基于线性调频信号的超宽带 从实际应用的角度考虑，d s c d m a 和m b o f d m 都存在着一些不足之处，基于 高斯脉冲的直扩系统频谱利用率低、系统同步复杂、容易被窄带信号干扰，而 o f d m 则存在着峰均功率比较高，以及接收机功耗较高等问题。而基于线性调频 信号的超宽带系统，山于采用模拟器件，其硬件结构简单并且功耗较低，在单用 户的情况下完全不会存在峰均功率l - l f l 0 时信号频率线性升高，为正向脉冲( u p c h i r p ) ，当 1 ，线性调频信号同时具有扩频和扩时两种特性，不 需要压缩发射信号的时问宽度也依然可以获得很大的带宽，只有在接收端经过脉 冲压缩后，信号的能量才会被集中在一个很短的时间内被用于抽样判决。相比较 i r 超宽带，基于线性调频信号的超宽带的平均发射功率更低，虽然f c c 对超宽 带系统的功率做出了比较严格的规定，即便是将超宽带7 5 g h z 的带宽全部用来 传输信号，其平均发射功率也只有0 5 5 6 m w ，但由于发射脉冲的占空比很小， 且脉冲宽度极窄，因此i r u w b 在发射信号时的瞬时峰值功率可以达到o 8 w 。 相比于传统的i r - u w b 系统，c h i r p u w b 具有以下几个方面的优势： 1 结构简单，成本低廉。由于使用声表面波滤波器这类模拟器件，使得系统 的发送和接受结构更加简单，从而降低了硬件的成本。 2 峰均功率比低。由于信号的扩时性，信号的能量平均的分布在整个信号周 期上，使得信号的峰值功率很低，从而不会产生峰均功率比过高的问题。 3 具有更高的频谱利用率。如本章丌篇所述，5 阶以下的高斯脉冲很难符合 f c c 的功率谱模板，但即便使用5 阶或5 阶以上的高斯脉冲也依然很难充分利用 f c c 所规定的发射功率，如图2 2 0 和图2 2 l 所示。 璀十线+ 喇i j l | j 频信i j 的超宽带通信系统的研究 图2 2 1c h i r p u w b 信号的p s d 4 抗干扰能力更强。山j 玎文所述可知，由于线性调频信号自身的特性决定了 其具有更强的抗噪声神i 窄带干扰的能力。 5 对其他系统干扰更小。山于瞬时峰值发射功率很低，所以对周边其他的无 线通信设备的r 扰也 i 低。 6 志有较高的空川分辨率。经过压缩后的s i n c 脉冲的主瓣宽度高斯脉冲相 仿，带觉5 0 0 m t i z 的c h ir p 超宽带信号依然可以达到数厘米精度的空问分辨率。 7 系统i 司步易实现。传统的i 一u w b ，由于其信号l j l - 空比很低，接受机只有住 信号快嘤剑达的时候4 会打列1 ，以避免接收到多余的噪声而降低信号的信噪比， 所以系统征收发 j ! i “l l “l 。i ；要严格的同步，i n j 线性调频信弓的l i | - 于其一身具有很强的抗 噪声陀能，发射信l 如j 以采用较高的- ! i 空比丛至连续信号来发送，如图2 2 2 利劁 2 ： 所_ ：，凶此亿c h i r p - u w b 信号发刺不1 1 j 妾受的过程中不需要非常严格的 1 1 1 步，j 确磷j j l i 绗 | 神| i 进行采样的洲突进行川步即i _ j 。 皋十线件训频信l j 的超宽带通f 青系统的i j | = 究 妻蠢 喜： ( a ) 非连续发送的c h i r p 信号 一锄! 薯= _ 篡篡测 旷7 ” 。矿 ( b ) 经匹配接收的c h i r p 信号 图2 2 2j l 空比为5 0 的c h i r p 信号 ( a ) 连续发送的c h i r p 信_ 弓 ( b ) 经过匹眦接收n 勺c 1 1 r p 信弓 2 2 1 多频带叠加超宽带c hir p 信号 l l i 傅t t ：_ 1 i i f j 变换的线性特。肚，将多个子频段的脉冲棚叠加，可以得到宽频短时 脉冲信号： = ( ，( ，) c o s ( 2 丌，+ 刃，二+ 织，) ( 2 2j ) ，= l 力! f 。、i - - i _ j ij 、一i in 勺过 j j l ! ti ，j j l l j 丛i l , q 咨j j 永；i i , j | i 约fj 9 i 1 苦f i ii ，。i 。( 内it 一巴、步贞啐j 、脉7 【l j - 个数、 带宽、以及f 隔度，f j 以1 z 订l i 到 - 符合阿c 频潜模板要求的l ：w rf l , ；t q , 波形，信号的g i 成 舜：法以及佯i j 波) 眵l 冬| 血i j i 冬j22 ，1 平u l 圣l2 2 5 i i j ：。 2 3 綦十线性训频信l j 的超宽带通f 弃系统的研究 1 o 8 0 6 0 4 o 2 二0 二一0 ，2 0 4 一o 6 0 8 1 图2 2 4 符合超宽带频谱模板的脉冲产生流程 隆l2 2 5 叠加后的信弓波形 2 4 綦十线忡i j i i j 频信 的超宽带通信系统的l i | = 究 霄 工 至 e 已 o ( 力 n 4 0 - - - - - - - - 一f c cp s dm a s k 。u w b c h i r pp s d 口2 4 68 1 01 2 频率( e h z ) 图2 2 6 替加后的c h i r p u w b 信号的功率谱 由图2 - 2 1 可知，这种基于脉冲压缩的波形设计方法得到的脉冲频谱满足f c c 对超宽带功率谱密度的限制，并且频谱利用率极高，由于采用多个子频带叠加的 方法，脉冲的频谱分布具有较强的灵活性，易于产生陷波以抑制来自其他无线设 备的二f 扰。 。 2 2 2 基于h e r m it e 矩阵的c hir p 超宽带脉冲 度要求，并卜l t 还要尽可能充分地使川频潜资源。假设形成的脉冲信号为妒( ，) ，经 过冲f 击响应为向( ，) ，删l - r 牛；7 响应为h ( 厂) 的系统后，使其频普尽可能大地分布在f 、c c 所规定的频谱模板内。发所求脉冲为l ，( ，) ，持续时i 、f , j t , j 瓦，l j ! , j 川：卜孚孚 2 2 ， 0 ， 乓他 、1 1f ( ，) 通过j ：述滤波器的时候，会产生+ 定的波形失真。这种失真越小， 蜕f 刿l ( ，) 在频域上1 - jf 、c c 所给出f 1 9 # i 谱模板越接近。滤波器的输f l j 为( ，) 和 卯 加 叩 培十线降测频信i j 的超宽带通仃i 系统的研究 向( r ) 的卷积： a ( f ) = ( r ) 办( 卜f 胁( 2 - 2 3 ) 其中五为衰减因子，由于妙( f ) 只在有限的时间内非0 ，所以： 五y ( ，) _ t ( r ) 向( ，一f 矽r 将上式进行( + 1 ) 点的离散抽样之后得到： 兄【门】：n 2 聊】办 门一聊】，门：一了n ，等兄【门】= 聊】办 门一聊】，门= 一了，等 # 1 = - - 2 厶l- 将其写为矩阵形式： 矗【o 】硝一1 “一 h i l 】h o 】h i n + i 】 ； 订盟一1 l2j h n 一1 】 h y 降 ； | 0 】 陶 = 五 y h y 降 i 少| o 】 陶 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 通过上式可以看出，h e r m it e 矩阵所要求的成型脉冲妙与衰减医l 子五可【 = i i l e r m i t 0 矩阵的特征向鞋和特征值天l - r - 获得。1 | l 于该矩阵为h e r m i t e 甜! 阵，因此 所求得的特征向量组为线性无关的j f 交向量组，并且特征值为实数，由此成形- i 【1 t 0 脉冲之l j i 不4 l i 关，所以我们以认为基于h e r i n it 0 矩阵算法所j 、啪勺c h i r p 脉冲 是完令i f 交的，其算法流程如图2 2 7 ，信号的功率谱密度如i 图22 8 所示。 2 6 基十线性测频信号的超宽带通信系统的研究 图2 2 7 基丁h e r m it e 矩阵的脉冲形成算法 皋于h e r m i t e 矩阼的c h i r l m u w b 的功率黹密度 频二年，g h z 刘22 8 基丁l t e r l l l it e 矩阵的c h ir p u w b 信号的功率谱 2 2 3c h ir p u w b 系统的同步实现 在c ir p u w b 通信系统中，时问同步仍然是一个主要的难点“| _ j 于匹配滤波 器将接收到的信号压缩成很短的脉冲信号，接收机的性能是和精确的时问同步紧 皋于线性测频信i j 的越宽带通信系统的研究 密相关的。接收机在接收到c h i r p u w b 信号后通过匹配滤波器被压缩成一个极短 的s i n c 脉冲，在解调的过程中需要对这种短脉冲进行精确的采样。但脉冲信号的 幅度和相位是随时间快速变化的，任何采样点位置的偏差都会导致系统性能的下 降。因此，提高系统的同步性能是十分重要的一个环节，在理想同步的情况下， 即使接收机处在一个充满噪声和干扰的环境下，依然能够准确的提取信息。 对现有的方法进行研究后，发现只有通过对脉冲的幅度的最大值的出现时间 的准确估计，才能使接收机可以获得精确的采样时间。但是信道中存在的干扰都 会对信号的波形产生一定影响。只有有效的降低干扰，提高被采样信号的信噪比， 才能使系统获得更好的性能。c h i r p u w b 系统包含了5 个重要部分：调制器、 发射滤波器、匹配滤波器、系统同步模块和解调器，如图2 2 9 所示。 i 一蕊话强甄 隆 2 2 9 信号同步系统框架 假设信号包络是个常量，从发射机发射出来的信号表达式： s ( t ) = 瓯+ 。“( ，一露丁) ( 2 _ 2 7 ) 矗= 0 其中口( ) 是c h ir p 信号的时域表达式：( ，( ，) = c o s ( 2 ；, c ? + 万l l 11 ，吼+ 。表示第 七+ 1 个符号，为了力便分析，我们认为这个多径信道是可以分解的，并且使川抽 头延迟线( l 、a p p e di ) e l n y i ，in e ) 术描述这个倍道模型： k ，一i c ( 1 ) = 局万( ，- r ，) ( 2 2 8 ) ，= 0 其中，n ，是可分解的路径数，局和7 是第，条路径的衰减和延迟。 綦于线忡调频信0 的超宽带通信系统的研究 信道输出x ( ) 是s ( ) 和c ( ，) 的卷积加上高斯白噪声聆( ，) ： x ( ，) = s ( ，) 半c ( ，) + 胛( r ) ( 2 2 9 ) 在接收端，经过匹配滤波器c h i r p u w b 信号被压缩成短脉冲。在米样滤波器 中准确地捕捉到脉冲信号，再通过解码器解调，将采样信号还原成原始数据。匹 配滤波器输出的y ( ，) 是压缩过的脉冲信号和噪声聍( f ) 之和： y ( ，) = x ( f ) 幸办( f ) = s ( 矿c ( ，) + ，z ( f ) 木办( ，) ( 2 - 3 0 ) = b k + 。p , g ( t 一一- k t ) + n ( f ) 其中，g ( ，) 是c h i r p 信号的自相关函数。玎( ，) 是噪声和匹配滤波器冲击响应的 卷积：，? ( f ) = ，z ( ，) 木办( ，) 。0 是最强信号到达时问。当f = _ 时，y ( ，) 将达到最大 值。如果忽略掉噪声的影响，y ( ，) 的所有幅度值将同时到达最大值。一般在理想 同步的情况下，将匹配滤波器输出最大值的时间最为最佳采样时间。因此，系统 同步的两个重要部分是提高信噪比和精准的时i 日j 校对。 每个符号周期中的最佳采样时问可以描述为： ，、( ，f ) x ( 心) ) ，一i t 三 ( 2 - 3 ) 图2 3 0 为系统中的同步模块，在系统同步模块中对于信噪比的提高实际一l 是对其他窄带信号干扰进行抑制的过程，其主要过程通过一个坏路反馈来提高滤 波输出少( ，) 的信噪比。 2 9 缺十线性训频信i j 的超宽带通f 斋系统的研究 信噪比提高模块中的反馈环路如图2 3 1 所示，其反馈环路的平均时延t 等于 符号的重复周期，环路增益口 o 且_ 超过川- - i 门：j 的概率。 m 圳例) 2 丽1 j ie - v l , 出2 去e 篇p “咖出2 2 ， 则萨确的判决概率为 = f 去f j ，i 景p 。_ 帅“小 心2 3 ， 其中1 j 是高斯随机变量，其概率密度函数为 将一l j x f i 盯t - 入，得至0 生眠毕南 皋十线性调频信号的超宽带通信系统的研究 k 怯乓蒹广斗孚 k 一q ( v + 皿两) 卜v 2 咖 ( 3 2 5 ) q b o k 信号在a w g n 信道下的误码率为只= 1 一只。在a d s 中对q b o k 调制方式 进行仿真，仿真参数设定b a n d w i d t h = 1 g h z ，d a t a r a t e = 1 0 0 m b p s ， p u l s e w i d e = 1 0 n s e c ，在i e e e 推荐的信道模型下进行仿真。仿真结构如图3 一1 4 所 不。 图3 1 4q b o k 调制的仿真框图 b e ro nl e e el v bc h a n n e it r i o d e i 图3 1 5 不同信道模型卜的仿真结果 4 7 上压。 = 苯十线性洲频信l ，的超宽带通信系统的圳究 仿真结果如图3 一】5 所示，q b o k 调制的本质是在f 交键控中加入了对相位的 调制，相比较b o k 调制，虽然在传输速率上有了提高，但在衰落信道和相位噪声 等因素的影响下，使这种调制方式的误码率有了一定程度的上升。 3 3 直接调制( d ir e c tm o d uia tio n ) 在正交键控的调制方式中，发射机在选择u p c h i r p 或d o w n c h i r p 信号同时 实现了调制和扩频的双重功能，接收机在匹配滤波抽样判决的过程中同时实现了 解扩和解调的功能，而d m 调制方式下系统将调制与解调、扩频与解扩完全独立 开，其调制方式多种多样，包括了o o k 、b p s k 、d q p s k 等等。 蚓3 1 6d m 方式的原理图 3 3 1 开关键控( o no f fk e y i n g ) 开关键控是传统无线通信中常用的一种调制方式，在这种调制方式中，当调 制数据为“l ”时，发送信号；当渊制数据为“0 ”时，不发送信号。开关键控的 数学表达式可以描述如下： s ( t ) = b , 1 4 ，( ，_ k t ) ( 3 2 6 ) 膏= z 其中，瓯 o ，1 是涮制信号，心) 是脉冲i 波形，住这小叫。以是u p c h i r p 也 可以是d o w n c h i r p ，t 是脉冲剧期