（通信与信息系统专业论文）基于脉冲成形的uwb对tdscdma干扰消除研究.pdf

中文摘要 摘要：超宽带t u w b ) 技术以其在近距无线通信方面的巨大优势而受到广泛关注， 但因其所占频带极宽，u w b 与其它通信系统存在频带重叠，使得相互之间的干扰 问题成为制约u w b 技术发展的瓶颈。本文利用c h i r p 脉冲及其正交化的思路设计 u w b 新型脉冲，选用对我国具有重大意义的t d s c d m a 作为共存系统进行仿真， 详细地论述了采用该脉冲成形技术在消除u w b 与t d s c d m a 系统干扰方面的原 理、应用和效果。 本文的主要研究内容和结论如下： 1 对u w b 技术的定义、特点和应用进行概述，阐述l r w b 与其他系统干扰消 除的多种技术，指出传统脉冲在u w b 系统应用上的优势和缺陷，研究跳时码对脉 冲功率谱密度曲线的影响，为u w b 脉冲功率谱的控制提供参考。 2 依据t d s c d m a 在物理层、智能天线、联合检测和无线资源管理上采用的 先进技术，搭建t d s c d m a 链路级和系统级两个仿真平台，并将其作为受扰系统， 研究脉冲成形技术在抑制u w b 对t d s c d m a 干扰方面的应用和效果。 3 总结u w b 脉冲成形技术的发展现状，提出脉冲设计应当遵循的四点原则； 提出脉冲功率谱密度与f c c 辐射掩膜匹配度的计算方法：利用多个c h i r p 脉冲时 域叠加产生新型u w b 脉冲，抑制u w b 与t d s c d m a 的干扰；利用h c r m i t e 矩 阵特征向量分解对c h i r p 脉冲进行正交化，有效消除u w b 系统的多用户干扰；最 后利用t d s c d m a 的两个仿真平台评价各种脉冲在消除干扰方面的效果，有效验 证了c h i r p 脉冲及其正交化的巨大优势。 关键词：超宽带；脉冲成形；c h i r p ；t d s c d m a ；干扰 分类号：t n 9 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：b e c a u s eo ft h eo b v i o u sa d v a n t a g ei ns h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u _ m c a t i o n , u l t r aw i d e - b a n d ( in 糯) s y s t e m sh a v ed r a w ng r e a ta t t e n t i o n s i n c eu w bs i g n a l su s e e x t r e m e l yb r o a db a n d w i d t hf o rt r a n s m i s s i o nb ys h a r i n gt h es a m ef r e q u e n c ys p e c t r u m w i t ho t h e re x i s t i n gs y s t e m s ，i n t e r f e r e n c ew i t l lo t h e rs y s t e m si sc a u s e d ，w h i c hb e c o m e t h eb o t t l e n e c ko ft h eu w b t e c h n i q u ed e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , b a s e do nc o m p r e s s e d c h i r pp u l s e sa n dh e r m i t eo r t h o g o n a l i z a t i o np r o c e s s ，an o v e lm e t h o dt og e n e r a t eu w b p u l s e si sp r o p o s e d s e l e c t i n gs i g n i f i c a n tt d s c d m aa st h ec o e x i s t i n gs y s t e m ，t h e p r i n c i p l e , a p p l i c a t i o na n de f f e c to ft h en e wp u l s es h a p i n gm e t h o di nt h ei n t e r f e r e n c e m i t i g a t i o nb e t w e e nu w b w i t l lt d - s c d m as y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h i sp a p e ri sm a d eu po ft h ef o l l o w i n g p a r t s ： f i r s t ，t h ed e f i n i t i o n , c h a r a c t e ra n da p p l i c a t i o no fu w bt e c h n i q u ea l eo v e r v i e w e d av a r i e t yo fi n t e r f e r e n c em i t i g a t i o ns o l u t i o n sf o ru w ba n do t h e rs y s t e m sa l e i n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lp u l s e si nu w b s y s t e m s a p p l i c a t i o na l ep o i n t e do u t t h ee f f e c to ft i m e - h o p p i n gc o d eo np u l s e sp o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ( p s d ) i ss t u d i e da st h er e f e r e n c eo f u w bp u l s e sp s dc o n t r 0 1 s e c o n d l y , b a s e do na d v a n c e dp h y s i c a ll a y e r , s m a r ta n t e n n a s ，j o i n td e t e c t i o na n d r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t , t d - s c d m al i n k - l e v e la n ds y s t e m l o v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r m sa l es e tu p w i t ht h i ss y s t e ms e l e c t e da st h ec o - e x i s t i n gs y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o n a n de f f e c to fp u l s es h a p i n gt e c h n o l o g yi nm i t i g a t i n gu w bi n t e r f e r e n c et ot h e t d s c d m aa l es t u d i e d l a s t ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fu w bp u l s es h a p i n gt e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e d f o u r - p o i n tp r i n c i p l eo ft h ep u l s ed e s i g ni sp r o p o s e d c a l c u l a t i o nm e t h o do fm a t c h i n g d e g r e eb e t w e e np u l s ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t i e sw i t hf c c r a d i a t i o nm a s ki sp r e s e n t e d n e wu w bp u l s e sa l eg e n e r a t e db a s e do nm u l t i p l et i m e - d o m a i no v e r l a p p i n gc h i r p p u l s e i no r d e rt om i t i g a t et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nu w ba n dt d s c d m a c h i r pp u l s e s a l eo r t h o g o n a l i z e db yh e r m i t em a t r i xe i g e n v e c t o rd e c o m p o s i t i o nt oa v o i du w bs y s t e m m u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l y f i n a l l y , v a r i o u sp u l s e si nt h em i t i g a t i n gi n t e r f e r e n c e a l ee v a l u a t e dt h r o u g ht d s c d m al i n k - l e v e la n ds y s t e m l e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r m s ， a n dc o m p r e s s e dc h i r pp u l s e sa n dh e r m i t eo r t h o g o n a l i z a t i o np r o c e s sh a v eb e e np r o v e d g r e a ta d v a n c e d k e y w o r d s ：u w b ；p u l s es h a p i n g ；c h i r p ；t d - s c d m a ；i n t e r f e r e n c e c l a s s n o ：t n 9 2 v 图 图1 1f c c 对于u w b 室内室外的p s d 掩膜要求。2 图1 2 与u w b 系统存在同频干扰的无线通信系统4 图2 1 高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数波形9 图2 2 脉冲成形因子口对高斯脉冲持续时间的影响l o 图2 3 脉冲成形因子口对高斯脉冲功率谱密度的影响1 0 图2 4 高斯脉冲前1 5 阶导函数的p s d 1 1 图2 5 升余弦脉冲信号的时域波形1 2 图2 6 升余弦脉冲信号的频域功率谱密度波形1 3 图2 7 变形h e r m i t e 多项式的时域波形图1 5 图2 8 变形h e r m i t e 多项式的频域功率谱密度曲线1 5 图2 9 小波脉冲波形及功率谱密度曲线。17 图2 1 0 跳时系统原理1 8 图2 1 l 未应用t h 多址技术的p p m 信号时域波形。2 0 图2 1 2 未应用t h 多址技术的p p m 脉冲p s d 2 0 图2 1 3 应用t h 多址技术的p p m 信号时域波形2 0 图2 1 4 应用t h 多址技术的p p m 脉冲p s d 。2 1 图2 1 5 未应用t h 多址技术的p p m 脉冲p s d ( 2 8 g h z 一- 3 7 g h z ) 2 1 图2 1 6 应用t h 多址技术的p p m 脉冲p s d ( 2 8 g h z 3 7 g h z ) 2 1 图2 17t h p p m 接收机解调框图2 2 图2 1 8t h p a m 扩频调制信号时域波形2 3 图2 1 9 直接扩频( d s ) 系统原理2 4 图2 2 0d s p a m 调制信号波形2 5 图2 21d s p a m 接收机解调框图2 5 图3 1 计算脉冲功率匹配度参数n e s p 的示意图3 1 图3 2 正向( u p ) 线性调频信号3 6 图3 3 反向( d o w n ) 线性调频信号3 7 图3 4 基于压缩c h i r p 脉冲信号的p s d 波形3 8 图3 5 生成c h i r p 脉冲的流程图4 1 图3 6c h i r p 脉冲的时域波形4 2 图3 7c h i r p 脉冲的频域功率谱密度曲线4 2 图3 8c h i r p 脉冲正交化形成的两个脉冲的时域波形4 3 图3 9c h i r p 脉冲正交化形成的两个脉冲的频域功率谱密度曲线4 3 图3 1 0c h i r p 脉冲正交化形成的两个脉冲的相关情况4 4 图3 1 1 脉冲的n e s p 参数比较4 6 图4 1p p m t h u w b 信号的发射方案4 7 图4 2 采用高斯2 阶导函数的u w b 发射信号。5 0 图4 3 采用c h i r p 脉冲的u w b 发射信号5 0 图4 4 采用正交c h i r p 脉冲l 的u w b 发射信号5 0 图4 5 采用正交c h i r p 脉冲2 的u w b 发射信号5 l 图4 6 下行链路框图一5 2 图4 7 下行链路发射模块5 3 图4 8 系统级仿真平台模块结构5 4 图4 9t d s c d m a 系统级仿真流程。5 5 图4 1 0t d s c d m a 下行链路误码率曲线5 7 图4 11t d s c d m a 下行链路中断概率曲线5 7 图4 1 2 高斯2 阶导函数脉冲接收波形6 0 图4 1 3c h i r p 脉冲接收波形6 0 图4 1 4c h i r p 正交脉冲l 接收波形。6 0 图4 1 5c h i r p 正交脉冲2 接收波形6 1 图4 1 6 加入四种不同脉冲u w b 干扰的t d s c d m a 误码率曲线6 1 图4 1 7 加入四种不同脉冲u w b 干扰的t d s c d m a 中断概率曲线6 2 表 表1 1f c c 关于室内和室外u w b 应用的辐射限制l 表1 2u w b 、b l u e t o o t h 和i e e e 8 0 2 1 1 a 的比较3 表3 1 脉冲n e s p 参数4 5 表4 1u w b 发射机仿真参数4 9 表4 2t d s c d m a 系统仿真参数5 6 表4 3i e e eu w b 信道模型参数5 9 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名路妖 签字日期：少97 年厂月日 6 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：豫文 签字b 觏：驴 年石其e b 导师签名： 签字日期：彩叼年月f 日 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的，朱刚教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来朱 刚老师对我的关心和指导。 朱刚教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向朱刚老师表示衷心的谢意。 朱刚教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王立文、王九九、烟翔等同学对我论文中的 脉冲设计研究和m a t l a b 仿真分析工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本论文是在北京交通大学校基金重点项目( l r w a ( 超宽带) 无线通信系统干扰 问题研究的背景下，结合当前超宽带脉冲设计的热点研究，将压缩c h i r p 脉冲和 正交化理论引入超宽带与t d s c d m a 干扰避免技术中，目的是生成满足超宽带技 术各方面严格要求的新型脉冲，并通过t d s c d m a 链路级和系统级两个仿真平台 进行仿真验证。这种尝试在国内外相关研究中较为先进，存在很多具有挑战性的 科研难题，具有一定理论创新深度。i m ，b ( 超宽带) 无线通信系统干扰问题研究 项目于2 0 0 7 年启动，作者有幸参与了项目的全过程，在两年的研究中，作者所在 项目团队取得了软件著作权2 项，专利申请1 项，论文2 篇，教材编写1 本等相 关科研成果，积累了大量经验，为论文的开展奠定了良好的基础。 1 1u w b 技术概述 1 1 1u w b 技术定义 1 引言 超宽带( u w b ，u l t r a - w i d c b a n d ) 无线电传输技术是一种与常规无线通信技术( 包 括窄带通信、常规扩频通信和o f d m 技术) 相比具有显著差异的新兴无线通信技 术。 u w b 的定义最早是由美国联邦通信委员会( f c c ) 给出的【i 】，规定1 0 d b 相对带 宽超过2 0 ，或1 0 d b 绝对带宽超过5 0 0m h z 就称为超宽带。 f c c 提出的计算相对带宽的公式为曰，= 2 ( 矗一无) ( 矗+ 五) ，计算绝对带宽的 公式为且= 矗一五，计算中心频率的公式为z = ( 矗+ 五) 2 ，其中矗表示一1 0 d b 散射高频率点，z 表示1 0 d b 散射低频率点。 2 0 0 2 年2 月，f c c 规定准许u w b 技术进入民用领域，但制定了非常保守的 规则，对u w b 信号的功率谱密度( p s d ) 进行严格限制。具体约束如表1 1 和图1 1 所示。 表1 1f c c 关于室内和室外u w b 应用的辐射限制 t l b l 1f c ci n d o o ra n do u t d o o re m i s s i o nm a s kf o ru w bd e v i c e s 室内室外 频率m h z e i r p d b m e i r p d b m 0 9 6 0 4 1 34 1 3 9 6 0 16 1 0 7 5 37 5 3 16 1 0 19 9 05 3 36 3 3 19 9 0 31 0 05 1 36 1 3 31 0 0 1 06 0 04 1 34 1 3 1 06 0 0 以上5 1 36 1 3 - 4 5 一i n d o o r l 一一一一一一1 一一一一一一一一一一一一一一一一一一厂一 j i i i 一。l 一一一一一一一一一一一一一一一一 i l - 1 一量一一一一一一一一一 f , - - d im j f r e q u e n c y g h z 图1 1f c c 对于u w b 室内室外的p s d 掩膜要求 f i g l 。1f c ci n d o o ra n do u t d o o re m i s s i o nm a s kf o ru w b d e v i c e s 传统的超宽带信号采用冲激无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 形式，它作为一种无载 波通信技术，利用皮秒至纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，从而具有极宽的带 宽和很低的功率谱密度。使用冲激脉冲发射时，脉冲不需要载波调制，基带信号 直接通过宽频带天线辐射出去。 1 1 2u w b 技术的特点和应用 应用于无线通信领域的i7 w b 是一种低功率的无线电技术。因为i ，w b 是通过 发射非常短的能量脉冲流来传送数据，所以与其他传统的无线通信技术相比较， i m b 技术的优点主要有下列7 点： ( 1 ) 高速数据通信功能 u w b 系统使用上g h z 超宽频带，根据仙农信道容量公式，如使用7 g h z 带宽， 那么即使信噪比低至。1 0 d b ，理论信道容量也能达到1 g b s ，因此实际中实现1 0 0 m b s 以上的速率是完全可能的，因此可以满足高速率的多媒体数据传输。 ( 2 ) 发射功率低，耗电量低 u w b 信号无需载波，工作在白噪声功率水平，电源要求很低( 5 0 m w - 7 0 m w ) ， 电池寿命长。 ( 3 ) 系统容量大 2 弱 鼬 弱 为 莉 彤 莉 彤 加 一n工z、e口一ym=q乱ieca一日m3 由于u w b 频段非常宽，带宽增加时信道容量的升高远远大于信号功率上升带 来的容量增加，因此u w b 系统容量很大。 ( 4 ) 不易产生干扰 由于u w b 脉冲非常短，频段非常宽，因此能避免多径传输的信号干扰问题， 多径分辨能力强，处理增益高。 ( 5 ) 隐蔽性好，安全性高 u w b 脉冲非常短，带宽很宽且发射功率低，信号很难被监听，具有良好的保 密性和极高的安全性。 ( 6 ) 精确的定位功能 in 阳采用脉冲极窄，具有良好的时间解析能力，精确的测距和定位功能。 ( 7 ) 设备简单，成本低 传统的u w b 技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，使得u w b 设备 功耗小，成本低，灵活性高，适合于便携型无线应用。 由于u w b 技术特点鲜明，使得其在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成 像、武器控制等重多领域具有广阔的应用前景【2 】。 u w b 的许多特性与当前已经实际应用的8 0 2 1 l a b g n 、b l u e t o o t h 技术很相近， 但三者在技术特征和应用领域各有侧重。表1 2 列出了三种技术的技术参数和应用 领域。尽管u w b 现在的发展存在频率管制、标准化等难题，同时还要面对其他无 线技术的竞争，但是可以预见的是，随着无线多媒体应用的普及，u w b 技术将在 消费电子领域、通信领域获得大规模应用。据权威机构预测【3 】，u w b 芯片市场年 增长率将超过4 0 0 ，到2 0 11 年出货量将接近3 亿组，u w b 相关产业即将进入腾 飞阶段。 表1 2u w b 、b l u e t o o t h 和i e e e 8 0 2 1l a 的比较 t a b l 2c o m p a r i s o no f u w b ，b l u e t o o t ha n di e e e 8 0 2 1 l a i m b l u e t o o t hi e e e 8 0 2 1 1 a 工作频率 o 1 0 6 g h z2 4 0 2 2 4 8 g h z5 15 5 8 2 5 g h z 传输速率大于4 8 0 m b s小于1 m b s5 4 m b s 通信距离几米( 小于1 0 m ) 1 0 m1 0 m 1 0 0 m 发射功率l m w 以下l m k 1 0 0 m w1 w 以上 空间容量 10 0 0 k b ( s m 2 ) 3 0 k b ( s m 2 )8 0 k b ( s m 2 ) 计算机等家庭和 应用范围近距多媒体w l a n 办公设备互联 无线电视、d v d 、高 笔记本、移动电话、 笔记本、台式电 终端类型 速网关、无线u s b掌上电脑 脑、因特网网关 3 1 2u w b 技术与其它通信系统共存研究的意义和方法 由于u w b 脉冲持续时间非常短，其频谱可能宽达数g h z ，理论上它对现存 所有电子系统都会产生干扰，虽然f c c 已对u w b 的发射功率谱密度做出了严格 的限制，但u w b 系统对其它无线通信系统仍然存在潜在的威胁，同时l r w b 系统 也将受到来自其它无线通信系统的干扰。总体来说，与in 船相互干扰的无线系统 主要是：地面通信系统( 固定点对点系统，蜂窝通信和广播) 、g p s 、卫星通信、无 线电导航或探测系统、工作在i s m 和ui i 频段系统，比如8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 和 b l u e t o o t h 等，如图1 2 所示。 f r e q u e c g ：y c d z l 图1 2 与u w b 系统存在同频干扰的无线通信系统 f i 9 1 2w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sc o - e x i s t i n gw i t hu w bs y s t e m 近年来人们从时域、频域、功率、空间和编码等方面来试图解决u w b 与其它 系统的相互干扰问题。具体而言，可以通过优化脉冲波形设计，功率控制，编码 与自适应信号处理，时分复用等方式来考虑u w b 与其它系统的共存【4 】。 1 脉冲波形设计 脉冲波形设计既要符合f c c 的功率限制并尽可能逼近f c c 规定的功率最大 限，同时也要考虑到与其它系统的共存问题【5 】。很多脉冲波形设计方案的思想都与 软频谱自适应( s s a ) 设计方案接近，即在时域上设计一组脉冲波形，每个脉冲波形 4 冒蓬蓉誓置i髓i摹嚣璧詈 能高效率地匹配上目标功率谱形状的一部分，再通过组合脉冲合成不同的功率谱 形状。即使将来f c c 更改了谱形，这类方法也很容易进行修改设计，还同时提供 了动态回避窄带干扰的可能【6 】。 2 陷波设计 通过脉冲波形设计来回避对其它无线系统的干扰，这种方案最终实现的复杂 度很高。另一种思路是采用陷波设计，但是采用带陷滤波器也会给系统实现造成 额外的开销，更为直接的方法是在超宽带天线上实现频带陷波的功能【7 1 。 3 平滑p s d u w b 信号的带宽是由单脉冲的波形和宽度决定的，然而在连续发射信号时， u w b 信号反映在频域上有很强的离散谱，当脉冲重复频率很高，并且没有采用抖 动技术的时候，会对窄带接收机产生严重干扰。通过扩频技术可以适当的解决尖 锐离散谱的问题【8 】。无论t h s s 或d s s s ，优良的码序列可以使脉冲位置更加趋 于随机化，削弱u w b 信号功率谱中的离散分量，从而降低对窄带系统的干扰。 4 窄带干扰抑制算法 由于u w b 不是以奈奎斯特速率采样，所以一般情况下可以采用模拟陷波器来 进行干扰抑制。在接收端，传统的r a k e 接收机可以进行有效的多径合并，采用 先进的自适应滤波器等信号处理来达到窄带干扰抑制( 以及多址干扰抑制) 的效果 【9 】。另外也可以采用干扰抵消的方法在一定程度上减轻其它窄带干扰对u w b 的影 响。 5 d a a 技术 d a a ( d e t e c ta n da v o i d ) 技术【l o 】是一种集检测与避免于一身的新技术，d a a 没 有从频谱出发考虑共存问题，而是通过时域上避免相互冲突来实现减少干扰。d a a 技术实现方式并不唯一，但遵循统一的流程：1 、检测信道；2 、判断信道状态；3 、 设置u w b 工作状态。d a a 的关键在于判断信道状态。d a a 技术一般是通过调整 u w b 发射功率和数据速率来避免对现有窄带无线通信系统造成的干扰。 1 3 本论文主要的工作 本文第一章对u w b 技术进行概述，主要包括u w b 定义、特点和应用。最后 总结并比较了当今在u w b 与其它通信系统干扰消除方面几类主要的解决方案。 第二章主要研究u w b 通信系统的脉冲信号和调制多址技术。分析高斯、升余 弦函数、h e n n i t e 多项式和小波函数四种传统的u w b 脉冲，并对脉冲进行评价。 精选u w b 常用的三种调制和多址的结合方式t h p p m 、t h p a m 和d s p a m 进行 5 研究，通过仿真研究跳时码对脉冲功率谱密度曲线的影响。 第三章概述当今世界在u w b 脉冲设计上的进展，并从物理可实现性、频谱利 用率、干扰避免灵活性和脉冲正交性四个方面全面具体地评价各种u w b 脉冲波 形。提出了计算脉冲功率谱密度模板匹配度参数和实现脉冲正交性的新方法。通 过仿真验证了压缩脉冲作为u w b 脉冲的巨大优势。 第四章通过仿真来验证c h i r p 正交化脉冲成形技术在消除u w b 对 t d s c d m a 干扰中的显著优势。首先分别采用高斯2 阶导函数、c h i r p 脉冲和正 交化c h i r p 脉冲三种不同波形搭建u w b 发射机，计算其路径损耗和通过i e e e 8 0 2 1 5 3 a 信道后的衰减，并作为干扰添加到t d s c d m a 下行链路级仿真平台的信 道中，并获得t d s c d m a 下行链路随眠变化的b e r 值。最后通过b e r 将u w b 干扰引入到t d s c d m a 系统级仿真中，通过通信中断概率与小区话务量的变化曲 线来验证正交化c h i r p 脉冲在消除u w b 对t d s c d m a 系统干扰方面的显著优势。 最后在第五章对本文所进行的工作和得到的结论进行总结和展望。 6 2 超宽带脉冲无线电系统 2 1 传统超宽带脉冲信号 u w b 信号波形的研究主要集中在超宽带冲激无线电系统所采用的脉冲波形。 在冲激无线电系统中，窄脉冲是信息的载体，通过对窄脉冲的调制来承载要传输 的信息。因此，u w b 系统中窄脉冲信号的作用，与常规无线通信系统中的正弦载 波类似。根据f c c 对u w b 系统的规定，u w b 窄脉冲信号必须占用很大的频谱宽 度，几乎要求覆盖无线通信的大部分频段。因此，冲激无线电脉冲的特点十分鲜 明也非常重要。本节主要讨论超宽带冲激无线电系统中几种传统脉冲信号的原理 与分析方法。 2 1 1高斯脉冲 u w b 脉冲信号要求具有陡峭的上升沿和下降沿，要求信号频谱不含直流，低 频分量少，能量主要集中在射频部分。在超宽带技术发展之初，使用超宽带脉冲 发生器产生的信号类似于高斯脉冲，而且收发天线对超宽带信号具有明显的微分 作用，同时高斯脉冲的各次微分都有较简单的形式，十分便于分析，所以高斯脉 冲一直被作为一种传统的u w b 信号【l l 】。下面对高斯信号进行讨论： 由高斯函数： 12 f ( t ) = 音q 2 n o e x p ( 一毛2 0 - ) ( 2 1 ) z 令仃2 = 口2 4 万，有： f ( t ) ：w & e x p ( 一珲) ( 2 2 ) 2 影响脉冲的宽带和幅度，称为脉冲波形的成形因子。从式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知： 减小口的值将会使脉冲宽度压缩。适当选取成形因子6 9 ，可使f ( t ) 成为一个合适 的脉冲。 为了方便分析，定义基本高斯脉冲波形为： 础) = a e x p ( 一等) ( 2 3 ) 其能量为： = e p 2 ( f 皿= e 以2e x p ( 一等灿 7 叫e c x p ( 一等肛竽 ( 2 4 ) 可见，尸( f ) 具有单位能量的条件是： 厅 4 - 土、= ( 2 5 ) 下面讨论基本高斯脉冲的微分特性。对基本高斯脉冲p ( f ) 求一阶j s - - - 阶导数。 一阶导数： p = 竹- 等) e x p ( 一等) ( 2 6 )p t ( f ) = 4 ( 一 一等) ( 2 6 ) 2 阶导数： 批) = 4 等酬一了2 y t 2 ) l - a 2 + 4 肼2 】 ( 2 7 ) 三阶导数： 以垆4 了( 4 7 ) 2e x p ( 一等) 3 a 2 - - 4 确 ( 2 8 ) 下面以一阶高斯导数为例，进一步讨论有关特性。其他阶导数的分析与之类 似。 分析式( 2 6 ) 可知，p ( f ) 峰值位于f = 2 ；处，为了使其峰值为4 ，可在 p ( f ) 的表达式中添加乘积系数口苫2 , - 1 ，则p ( f ) 修正为： 龇) - 撕妄唰一南2 4 1 ：) ( 2 9 ) 2 万 令t p = o c f 2 ，赋： p ，( d 刊p l f pe x p ( 一方 ( 2 1o ) 在f = f ，时，p ( f ) = 4 。习惯上，将正、负峰值之间的宽度2 f p 定义为一阶 高斯脉冲的脉冲宽度。 从上述数学模型分析中可以看出，由高斯导函数产生的脉冲没有直流分量。 在实际脉冲发生器中，最易产生的脉冲波形是钟形，而高斯脉冲波形恰好类似于 钟形，并且它的各次微分具有很简单的形式，因此高斯脉冲比较容易产生，并且 满足有效辐射标准，可用于产生u w b 信号【1 2 】。 高斯脉冲通过改变脉冲成形因子口可以改变波形，进而获得丰富的频谱。 下面我们再分析一下高斯脉冲的频谱特性。由傅里叶变换，可得基本高斯脉 冲的频谱为： 比) 付4 老e x p ( 一等) ( 2 1 1 ) 8 舭) h 4 羞e x p ( 一等) ( 归) ( 2 1 2 ) 高斯脉冲拥有极宽频谱宽度，符合u w b 系统对脉冲频谱宽度的要求。从频谱 的数学表达式( 2 1 2 ) 可看出，它也类似于钟形，并且随着导函数阶数的增加，频谱 向频率高端移动，所以可用不同阶数高斯导函数脉冲的组合来产生符合f c c 辐射 要求的标准脉冲。 令 ，( c o ) = 附”o ) i = t t , 万戊e x p ( 一等 ( 2 1 3 ) 当f ( 缈) = 0 时，可求得幅度谱峰值对应的频率，即峰值频率： 石= 昙= 差 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 表明，当脉冲成形因子口一定时，k 阶高斯脉冲的峰值频率随着k 的增 大而提高。于是，通过对脉冲成形因子口和阶数的控制，可以设计出具有不同频 谱特性的高斯脉冲。随着导函数阶数的升高，脉冲功率谱密度将向频率高端移动。 高斯脉冲可以满足u w b 系统对传输信号不同频谱特性的要求。 口= 0 7 1 4 n s 时，幅度归一化后的高斯脉冲和它的1 5 阶导函数的输出波形如图 2 1 所示。 囝田圈匿 田田田田 田田田田 t i m e s 图2 1 高斯脉冲和它的前1 5 阶导函数波形 f i 9 2 1w a v e f o r mo f t h eg a u s s i a np u l s ea n di t sf i r s t1 5d e r i v a t i v e s 图2 2 为对应不同口值的一组高斯脉冲波形。口的变化范围是0 4 1 4 1 0 1 4n s 。可见，在时域范围内随着口的不断增大，高斯脉冲波形逐渐变宽。 9 f o 一 ， o 一 ， o 4 】。口：=一丘p巴 固圉臼睚罔匪 图2 2 脉冲成形因子口对高斯脉冲持续时间的影响 f i 9 2 2e f f e c to ft h es h a p ef a c t o r 口0 1 1t h eg a u s s i a np u l s ed u r a t i o n 图2 3 为对应不同口值的高斯脉冲功率谱密度。对应的口的变化范围为0 4 1 4 - 1 0 1 4 n s 。由图2 2 和图2 3 可知，减小口的值将会使高斯脉冲时域宽度压缩，频域 带宽扩展。 f r e q u e n c yd o m a i n f r e q u e n c y 【h z 】 图2 3 脉冲成形因子口对高斯脉冲功率谱密度的影响 f i 9 2 3e f f e c to ft h es h a p ef a c t o r 口o nt h eg a u s s i a np u l s ep s d 1 0 x 1 0 o 【，、l母可r_量ialu 一n工芝、e口一xocm3口ej也，joo也 口= 0 7 1 4 n s 时，高斯脉冲的前1 5 阶导函数功率谱密度如图2 4 所示。 图2 4 高斯脉冲前1 5 阶导函数的p s d f i 9 2 4p s do f t h ef i r s t1 5d e r i v a t i v e so f t h eg a u s s i a np u l s e 图2 4 所示的仿真结果说明随着导函数阶数的升高，高斯脉冲功率谱密度将向 频率高端移动，并且由此可以看出微分是将高斯脉冲信号能量搬移到更高频段的 一种有效方法。 综上所述：通过改变成形因子口可控制高斯脉冲的带宽，使之满足u w b 系统 对传输信号带宽的不同要求；增加高斯脉冲导函数阶数可提高脉冲峰值频率，其 功率谱密度也随着向频率高端移动。由于高斯脉冲具有上述特性，所以在f c c 对 u w b 功率谱密度限制较低的部分频段，可使用不同导函数和不同脉冲宽度的组合 来逼近这个标准，由此可提高传送信号的频谱利用率。例如，在1 g h z - - 2 g h z 频 率段用低阶导函数和较窄脉冲组合；在高频率段，使用高阶导函数的不同组合来 逼近f c c 的规定。因此高斯函数及其导函数具有容易产生，使用方便，而且在进 行u w b 理论分析时具有很大的优势。但是相比现在针对u w b 功率限制设计的新 型脉冲，高斯系列脉冲在频带利用率上仍有所欠缺【l 3 1 。 2 1 2升余弦脉冲 升余弦脉冲波形也是一种能够满足f c c 规定的波形【1 4 】，它在频域的表达式为： 砌* 州竽】) 洲 石 石 洲 曰 其中，曰为脉冲带宽，以= b - a 扭，z = 五扭一五，以棚为_ 6 d b 频率点。为 了利用3 1 1 0 6 g h z 共7 5 g h z 的带宽，如设定为3 7 5 g h z ，于是得到 厶= 3 7 5 g h z ，石= 0 g h z 。 这个升余弦信号的时域表达式为： 砸m - l 【町) 】- 2 刖掣j l l r c o s ( ( 2 n f a t ：) ，l 其中，j j l ( f ) 是一个低通信号( 吒棚，+ 五拈) ，需要搬移到3 1 g h z 1 0 6 g h z 的频 段，搬移的中心频率z = 6 8 5 g h z ，则传输信号为： p ( f ) = j i l ( f ) c o s ( 2 7 r f 。t )( 2 17 ) 升余弦脉冲信号的时域波形和频域功率谱密度波形分别如图2 5 和图2 6 所 示： 晋 星 五 e 图2 5 升余弦脉冲信号的时域波形 f i 9 2 5w a v e f o r mo ft h er a i s e dc o s i n ep u l s es i g n a l 1 2 f r e q u e n c y g h z 图2 6 升余弦脉冲信号的频域功率谱密度波形 f i 9 2 6p s do ft h er a i s e dc o s i n ep u l s es i g n a l 由图2 5 和2 6 可见，升余弦脉冲比高斯脉冲更适合f c c 关于超宽带信号的规 范，但是要产生这样的信号是十分困难的。因为时域信号有旁瓣信号，设计这样 信号的电路是非常困难的。因此这种信号相对于高斯脉冲来说，并不具备全面的 优势