（电磁场与微波技术专业论文）基于频谱兼容的超宽带自适应脉冲波形设计与分析.pdf

摘要 随着超宽带( u w b ) 无线通信系统的兴起，其频谱兼容问题也成为讨论研究的热点。由 于u w b 系统占用的频谱很宽，因而不可避免地与窄带系统共用同一频段，造成同频信号 的相互干扰，而从无线电管理的角度来说，超宽带信号应该尽量避让现有的窄带系统。在 诸多改进频谱兼容问题的方法中，通过脉冲波形设计来解决u w b 系统与传统窄带系统兼 容问题，是目前最为有效和实际的手段。 文中首先对当前的几种典型超宽带成形方法进行了仿真分析，说明了脉冲波形在超宽 带系统中的重要性，并且引入了一种基于c h i r p 压缩信号的新型超宽带脉冲成形方法，对 这种脉冲成形方法进行了时域及频域的仿真，得出其线性组合脉冲的功率谱能很好地满足 f c c 的功率掩蔽限制，同时拥有更高的频谱利用率。随后，对文中提到的脉冲波形在频谱 兼容方面的应用进行了探讨与分析，比较了他们的优缺点。 论文的最后设计了一种基于c h i r p 压缩信号的自适应脉冲波形。首先通过认知无线电 中的频谱检测方法，提取出环境中的窄带系统频谱信息，再迭代选取基于c h i r p 压缩信号 成形脉冲的中心频率和权值，达到组合脉冲波形最优化的目的。仿真结果表明，该波形能 够在检测到的窄带信号频段处自适应地产生“凹陷”点，有效地避开了与同频窄带信号之间 的互相干扰，从而提高了频谱兼容性，并且这种波形设计方法具有很高的频谱利用率和灵 活性。 关笤硒超宽带频谱兼容脉冲波形c h i r p 压缩信号认知无线电自适应脉冲设计 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er i s i n go 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 ，t h ep r o b l e mo fi t s c o m p a t i b i l i t yi sa l s oah o ti s s u e s i n c et h eu w bs y s t e mo c c u p i e saw i d er a n g eo ft h es p e c t r u m ， s h a r i n gt h es a m ef r e q u e n c yb a n dw i t ht h en a r r o w b a n ds y s t e m si su n a v o i d a b l e ，a n dt h e i n t e r f e r e n c eo ft h es i g n a lh a p p e n sa sw e l l f r o mt h ev i e wo fr a d i om a n a g e m e n t ，t h eu w bs i g n a l s h o u l da v o i dt h ee x i s t i n gn a r r o w b a n ds y s t e m s o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y so fs o l v i n gt h i s c o m p a t i b i l i t yp r o b l e mi sp u l s ew a v e f o r md e s i g n i nt h i st h e s i s ，t h ep o w e rs p e c t r u mo fs o m et y p i c a lu w b s h a p i n gp u l s e sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e dw h i c hs h o w st h ei m p o r t a n c eo ft h ep u l s es h a p i n gi nu w bs y s t e m s a f t e rt h a t ，a m e t h o do ft h eu w b p u l s es h a p i n gb a s e do nc o m p r e s s e dc h i r ps i g n a li sb r o u g h ti n ，a n dt h e t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i nf i g u r e so ft h ep u l s ea r es i m u l a t e d t h ep o w e rs p e c t r u mo f t h em e n t i o n e dc o m b i n e dp u l s em a t c h e st h ef c ce m i s s i o nm a s kw e l l m e a n w h i l e ，t h ep r o p o s e d p u l s ep r o v i d e sah i g h e rs p e c t r u mu t i l i z a t i o nr a t i o t h e n ，t h ea p p l i c a t i o n so ft h e s ep u l s e si n s p e c t r u mc o m p a t i b i l i t ya r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d an e wa d a p t i v ep u l s ea l g o r i t h mb a s e do nc h i r pc o m p r e s s e dp u l s ei sp r o p o s e di nt h el a s tp a r t o ft h et h e s i s f i r s t ，t h es p e c t r u mi n f o r m a t i o no ft h en a r r o w b a n ds y s t e mi sc o l l e c t e df r o mt h e e n v i r o n m e n tb yu s i n gt h ee n e r g yd e t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nc o g n i t i v er a d i oc o n c e p t t h e n ， i no r d e rt og e n e r a t et h eo p t i m i z e dc o m b i n e dw a v e f o r m ，p i c kt h ec e n t r a lf r e q u e n c i e sa n dw e i g h s o ft h ec h i r pc o m p r e s s e dp u l s eb yi t e r a t i o na l g o r i t h m t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h e p r o p o s e dp u l s eh a sn o t c hb a n d sa tt h ec o g n i z e dn a r r o w b a n da d a p t i v e l y , s ot h ei n t e r f e r e n c e b e t w e e nt h e s es y s t e m sc a nb ea v o i d a n da l s o ，ah i g hr a t i oo ft h es p e c t r u mu t i l i z a t i o na n dt h e f l e x i b i l i t ya r ep r o v i d e di nt h i sp u l s es h a p i n gm e t h o d k e yw o r d s ：u w b ，s p e c t r u mc o m p a t i b i l i t y , p u l s es h a p e ，c h i r pc o m p r e s s e ds i g n a l ，c o g n i t i v e r a d i o ，a d a p t i v ep u l s ed e s i g n i i b e r ( b i te r r o rr a t i o ) 位误码率 缩略词 b p s k ( b i - p h a s e 舶驴k e y i n g ) 二进制相移键控调制 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 码分多址 c r ( c o g n i t i v er a d i o ) 认知无线电 c s s ( c h i r ps p r e a ds p e c t r u m ) c h i r p 序列扩频 c u w b ( c o g n i t i v eu l t r aw i d e b a n d ) 认知超宽带 d m ( d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n ) 差分调制 d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 直接序列扩频 e t s i ( 勖，o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d i n s t i t u t e ) 欧洲电信标准协会 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 ) 美国联邦通信委员会 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 快速傅立叶变换 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o ，- m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 全球移动通信系统 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统 i e e e ( i n s t i t u t ef o ，e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 电子电器工程师协会 i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 国际标准化组织 i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r i c a lc o m m i t t e e ) 国际电工委员会 i n t ( i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 干扰温度 i r ( i m p u l s er a d i o ) 冲激无线电 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 媒体接入控制 m a i ( m u l t ia c c e s si n t e 咖r e n c e ) 多址干扰 m b ( m u l t i b a n d ) 多带 m b o k ( m - a r yb i - o r t h o g o n a lk e y i n g ) 多电平双正交键控 m u i ( m u l t iu s e r 觑t e r f e r e n c e ) 多用户干扰 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 施办i p l e x ) 正交频分复用 o o k ( o n o f f k e y i n g ) 开关键控 p a m ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 脉冲幅度调制 p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 脉冲位置调制 p r f ( p u l s er e p e t i t i o nf r e q u e n c y ) 脉冲重复频率 4 9 壹堕邮电奎学堡主竺窒生兰篁笙奎兰韭! ! l _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ i _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ p _ _ 一一 p s d ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y ) 功率谱密度 p s w f ( p r o l a t es p h e r o i d a lw a v ef u n c t i o n s ) 扁长椭球波函数 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 服务质量 r k r ( r a d i ok n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nl a n g u a g e ) 无线电知识描述语言 s a w ( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 声表面波器件 s n r ( s i g n a lt o d 妇r a t i o ) 信噪比 s s ( s p r e a ds p e c t r u m ) 扩频 s s a ( s o f ts p e c t r u ma d a p t a t i o n ) 软频谱自适应 s w r ( s o f t w a r er a d i o ) 软件无线电 t h ( t i m eh o p p i n g ) 跳时 t h s s ( t i m eh o p p i n g s p r e a d s p e c t r u m ) 跳时扩频 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 通用移动通信系统 u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 超宽带 w a n ( 聊d ea r e an e t w o r k ) 广域网 w b a n ( w i r e l e s sb d d ya r e an e t w o r k ) 无线体域网 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 无线局域网 w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 无线个域网 w r a n ( w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) 无线区域网 w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 无线传感器网 5 0 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电大学或其它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。 研究生始阻吼迎曼碰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：啦导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 未来无线通信系统是广域网( w a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线个域网( w p a n ) 、 无线体域网( w b a n ) 、移动自组织网( a dh o c ) 、家庭网和无线传感器网( w s n ) 等的有 机结合【l 刁j 。目前，信息产业的发展日新月异，国家骨干网络架构业已基本形成，为短距离 无线通信系统提供了良好的发展契机。这也使得短距离无线通信的地位曰益重要，它正如 一种数字化的神经末梢将各种终端设备连接在一起和骨干网络共同形成一个无缝的连接。 而超宽带( u w b ：u l t r aw i d e b a n d ) 作为一种与传统技术有很大不同的无线通信技术，具 有高速率、低成本、低功耗的特点，是的u w b 成为下一代短距离高速率无线通信的最佳 候选技术p 。引。它能够实现w l a n 、w p a n 和w b a n 中无线接口的互联和接入，可以大 大增强消费者对多媒体业务的需求和兴趣，从而推动依赖多媒体业务需求的宽带通信技术 ( 如宽带网、宽带无线接入、第三代移动通信系统) 的快速发展。同时，由于u w b 支持 精确位置定位、超低功耗及低成本的低速率通信，其在低速w p a n 的发展空间也十分广阔。 目前，u w b 在商业多媒体设备、传感器网络、定位应用、家庭和个人网络、智能交通系 统、探测与成像系统等诸多领域的应用前景已得到了专业界的普遍认可，u w b 无线技术 地发展将极大的促进智能网络和设备的发展，形成真正普及和以用户为中心的无线世界。 近年来，超宽带技术的发展很快，它在无线通信领域的创新性及巨大潜力使得全球学 术界、通信界、计算机界和消费电子界投入大量的人力、物力从事相关的理论研究和产品 开发。国外特别是美国对超宽带技术的研究比较早，欧盟、俄罗斯、日本和新加坡也陆续 启动了超宽带研究计划。我国也非常重视这项革命性的技术，包括科技部、国家自然科学 基金委员会、信息产业部等相关政府部门都给予了高度的重视。在2 0 0 1 年9 月初发布的 “十五”8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，科技部就把u w b 无线通信关键技术及其共 存与兼容技术列为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强此方面的 研发工作。在此基础上，2 0 0 3 年国家8 6 3 计划又发布了超宽带无线传输技术研究与开发的 预言课题。2 0 0 3 年国家自然科学基金也将超宽带无线通信列为重点项目。除了8 6 3 计划和 国家自然科学基金支持的项目以外，也有一些企业，像华为技术和中兴通信等企业也设立 了基金来资助高校的u w b 研究。如在2 0 0 7 年华为基金支持的研究项目中就明确的列出了 u w b 短距离无线通信技术及其与认知无线电的结合研究。而且，在国家中长期规划纲要 堕室塑皇奎堂堡主堡窒生兰垡笙奎笙二童堡垒 的1 0 多项重大专项中，其中之一的新一代无线通信就包括有u w b 。 另一方面，现在频谱资源非常紧张，民用、军方、雷达、通讯都集中在一个频谱范围 内，随着社会的发展频谱也将越来越拥挤，就像交通一样，而频谱资源又不可再生。于是， 就出现了这么一种情况，即当人们越充分地享受现代无线通信带来的种种便利和乐趣时， 可利用的频谱资源却越区紧张。因此，人们想尽各种办法来提高频谱利用率和频谱兼容性。 而其中最典型的就是超宽带无线通信技术( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 和认知无线电技术 ( c o g n i t i v er a d i o ，c r ) t 1 3 以6 1 。目前，超宽带技术以其独特的优势，使得全球频谱规划组织 也对其表示了高度关注和支持。u w b 是采用频谱重叠的方式占用一段极宽的带宽，并严 格限制其信号的发射功率以尽可能少地给现存系统带来有害干扰；而c r 技术的核心则是 通过动态频谱感知来探测“频谱空洞 ，合理地随机占用此临时可用的频段，并自适应地 随着感知结果而动态地改变系统传输参数以规避高优先级的授权主用户。当前，u w b 技 术主要是定位于个域网w r a n 中的应用，c r 则主要应用于无线区域网w r a n 的构建中。 c r 是可以感知外部r f 环境的智能通信系统，是软件无线电( s o f t w a r er a d i o ，s w r ) 的进 一步智能化发展。在这两种无线新技术背后的核心思想都是无害地共享可用的频谱资源， 尽管它们共享频谱及与其它系统共存的方式不同，但都极大地提高了频谱利用率，以缓解 日益增长的无线业务需求与日渐匾乏的频谱资源之间的矛盾。因此，从这个意义上说，超 宽带不仅仅只是一项革命性的技术，它更是一段免许可证的频谱资源。从而讨论把超宽带 技术和认知无线电结合起来研究构建种所谓的认知超宽带( c o g n i t i v eu l t r aw i d e b a n d ， c u w b ) 是非常必要的【1 7 - 1 引。 总之，超宽带无线通信技术作为目前一种全新的无线通信技术，其发展和用必将给人 类带来一个更加精彩而自由的无线网络世界。因此，研究超宽带线通信系统及其关键技术 具有非常重要的意义。 1 2 超宽带无线电概述 1 2 1 超宽带无线通信的概念 超宽带( u w b ) 无线电技术的最初形式为冲激无线电( i m p u l s er a d i o ) 直接利用 脉宽为纳秒或亚纳秒脉冲作信息载体传输的技术【1 9 2 0 1 ，其历史可以追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提出随机脉冲系统的专利【2 l 】。2 0 世纪6 0 年代对时域电磁学的研究进一步促进了u w b 技术的 发展。从其出现到2 0 世纪9 0 年代之前，u w b 主要是采用最初的冲激无线电形式，并主要应 2 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 用在军事上的雷达和低截获率低侦察率的无线系统中。 1 9 9 3 年r a s e h o l t z 在国防军事通信会议上发表论证采用冲激脉冲进行跳时调制的多址 技术的论文【2 2 】，开辟了将冲激脉冲作为无线通信信息载体的新途径，同时，随着微电子器 件的高速发展，u w b 技术开始应用于民用领域，在国际上对其掀起了研究、开发、应用的 热潮，并被认为是下一代无线通信的革命性技术。为了促进和规范u w b 技术的发展，2 0 0 3 年4 月美国联邦通信委员会( f c c ) 发布了u w b 无线设备的初步规定，并重新对u w b 作了 定义，按照此定义，相对带宽大于0 2 o 2 5 的信号被称为超宽带信号，即 相对带宽：望互j 掣 o 2 ( 1 1 ) ( 半) 厶和五分别为系统上下限( 按一1 0 d b 计算) 频率。或者当绝对带宽大于5 0 0 m h z 时，我们 也可以认为该信号为u w b 信号【2 引。下图是超宽带信号与窄带信号频谱关系图，可以看出 其频带宽度远远超过一般窄带信号。 图1 - 1 超宽带信号与窄带信号的比较 1 2 2 超宽带无线通信的特点 由于u w b 与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此u w b 具有如下传统通信系统无 法比拟的技术特点【1 2 】： ( 1 ) 隐蔽性好。超宽带无线电的射频带宽可达1 g h z 以上，且所需平均功率很小，信号 被隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被第三方检测。 ( 2 ) 处理增益高。超宽带无线电处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用 脉冲数，可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。 3 pj口l墨c3一基-譬丑锕擎里舌& 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 3 ) 多径分辨能力强。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比 极低，多径信号在时间上是可分离的。 ( 4 ) 传输速率高。从信号传播的角度考虑，超宽带无线电由于多径影响的消除而使之可 传输高速率数据。 ( 5 ) 系统和空间容量大。超宽带无线电发送占空比极低的冲激脉冲，采用跳时( t h ) 地址 码调制，便于组成类似于d s c d m a 系统的移动网络。由于超宽带无线电系统具有很高的 处理增益，并且具有很强的多径分辨能力，因此，超宽带无线电系统用户数量大大高于3 g 系统。“空间容量 是评价高速短距离无线通信系统的一个重要指标，定义为单位面积上 通信系统所能支持的传输速率。u w b 的空间容量可以达到约1 m b i t s s m 2 ，相比之下 8 0 2 1 1 b 的空间容量约为l k b i t s s m 2 ，b l u e t o o t h 的空间容量约为3 0 k b i t s s m 2 ，8 0 2 1 1 a 的 空间容量约为8 3 k b i t s s m 2 ，可见u w b 的优势明显。 ( 6 ) 穿透能力强。实验系统证明，超宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物的能力， 适用于窄带系统的丛林通信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 盘蟹 1 亍o ( 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 易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。 ( 8 ) 低功耗。超宽带无线电的功耗很低，仅为1 - 4 m w ，大大延长了电源的供电时间。 ( 9 ) 系统结构简单，成本低，易数字化。u w b 系统发射和接收的是超短窄脉冲，无需 采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器能直接完成信号检测。这样，收发信机 不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等，它只需要一种数字方式来产生超短窄脉冲。 因此，这可以大大降低系统复杂度，减小收发信机的体积和功耗。 1 2 3 超宽带无线通信的应用 由于超宽带系统有着上面提到的各种特点，因而在雷达搜索、金属勘探和通信等众多 领域中有着广泛的应用，以下列举一些典型的应用【1 2 , 2 4 - 2 6 】。 ( 1 ) 无线个域网( w p a n s ) ：无线个域网，也可以被称作家用网络，旨在通过短距 离( 般是在1 0 2 0 米) 自组织网络连接各种便携式消费电子产品和移动通信设备。这种 技术被看作可以用来提供高质量实时影音节目、存储设备之间的信息交换以及代替家用娱 乐电器的有线线路。由于超宽带技术短距离高速率低开销高功效等优点，使之成为无线个 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 域网物理层技术的首选。 ( 2 ) 传感器网络：传感器网络由分布于一片广大区域的节点所组成。节点的配置可以 是静态的，比如说用来监控雪崩和追踪污染源等，也可以是移动的，比如说装备在士兵、 消防员或者军用机器人身上，还可以用在一些紧急的情况下。在艰难的环境中，这种传感 器网络的关键要求就是低成本，低功率和多功能。现有的蓝牙技术由于能量发送不符合要 求以及成本过高，因而不适用于传感网络，然而超宽带系统可以非常有效及时地收集、散 布或者交换这些感官信息数据，并且限制了发送的能量。这种技术在g p s 系统无效的时候 尤为有用，比如说有障碍物的时候。 ( 3 ) 成像系统：与传统雷达系统将目标看作点散射不同的是，超宽带雷达的脉冲宽度 要小于目标的尺寸。超宽带对于目标的反射不仅仅体现在幅度和时间的变换上，同时脉冲 的形状也在变化。因此，超宽带雷达对目标的散射相比传统雷达在波形会上有不同反应， 从而更加的灵敏。这种特性已经被雷达系统所采用，并广泛地应用开来，比如说地下和海 洋成像，医学诊断和边境监控设备等。 ( 4 ) 车载雷达系统：基于超宽带的感应器将有助于提升传感器的运动能力。依赖超宽 带的高精度范围和目标区分能力，智能防碰撞功能和巡航控制系统慢慢浮出水面。这些超 宽带技术也可以根据路况改善气囊保护系统和自动刹车系统。同时，超宽带也将在车载娱 乐和导航系统中大有所为。 1 3 超宽带系统的关键技术及研究内容 u w b 传输技术通过重叠的原则共享己占有的频谱资源，具有传统通信系统所没有的优 势，但这也带来了新的问题。为了使u w b 系统早日走向实用，尚需解决u w b 发展过程 中所须面对的关键技术及挑战。目前，超宽带无线通信系统的主要研究内容与关键技术包 括以下这些方面【2 7 】： ( 1 ) 脉冲信号的波形设计 脉冲信号的波形将贯穿整个u w b 系统，会直接影响到发射、接收性能等。u w b 系统 的载波是极窄脉冲，能量分布在很宽的频谱上，这样，为了使u w b 信号和原有常规窄带 系统信号共享已有的频谱，就必须使u w b 信号对原有窄带用户不造成干扰才可以。 u w b 系统发展初期采用高斯单周脉冲等无载波基带脉冲携带信息，信号频谱主要覆盖 0 频至2 g h z 以下频段。f c c 对超宽带的重新定义和频率资源分配使原有的很多脉冲信号 波形设计方法无法使用。因此，必须按照新规范重新考虑超宽带脉冲信号波形设计方案。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 目前u w b 信号的波形有高斯高阶脉冲、h e r m i t e 脉冲、拉普拉斯脉冲和三次方脉冲等。研 究的重点是实现灵活脉冲波形及频谱，改善频谱共享，实现低复杂度的软谱自适应( s s a ) 技术。例如基于正交波形的小波函数、椭球波函数等波形设计技术，使得系统具有良好的 多址容量、抗干扰性能和频谱适应能力。 ( 2 ) u w b 信号编码与调制方式的考虑 u w b 信号的频谱宽且功率受限，接收端信噪比很低，所以对编码和调制方式的选择既 要较高的功率利用率，还要考虑信噪比来提高频谱利用率。不同的调制方式具有不同的通 信效率e o ，e b 的定义为在满足一定误码条件下，每比特数据能量毛与噪声功率谱密度0 的 比值( 等效于信噪比) ：e b = 1 0 1 9 ( e b o ) d b 。 根据s h a n n o n 定理，此时信道具有特定的理论容量，可以采用一定的编码技术来逼近信 道容量的理论极限。 目前常用的调制方式有：脉冲位置调制( p p m ) 、相位调制( b p s k ) 、脉冲幅度调制 ( p a m ) 、多电平双正交键控( m b o k ) 、差分调制( d m ) 。 目前研究的热点是自适应编码调制系统就是根据信道的情况确定当前信道的容量，根 据容量确定合适的编码调制方式，最大程度地发送信息，实现比较高的速率，同时提高链 路的频谱效率，实现更低的误码率，并保持较低的发射功率以满足f c c 的功率限制。 ( 3 ) u w b 信号的检测 按照f c c 限制，实际超宽带无线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，这使得对应的超宽带接收系统性能要求非常高，高性能接收系统是实现超宽带通信 的关键。由于密集多径的影响，信号能量分散于各多径分量中，为提高接收性能，需要考 虑多径能量的分集接收，如何实现结构尽可能简单的高性能r a k e 接收对系统设计者也是 一个挑战；脉冲信号受到收发天线和传输信道的影响出现脉冲畸变导致难于实现准确的相 关接收，因此需要考虑采用相应的均衡技术来消除脉冲畸变影响。由于部分多径能量相对 较小，多径数目较大，使得基于时域的u w b 信号检测复杂度较高，研究变换域信号检测方 法就成为解决上述难点的研究课题。 ( 4 ) u w b 无线系统中的同步捕获技术 与传统的窄带系统一样，对于超宽带无线通信系统中的同步捕获技术也面临着极其巨 大的挑战。由于载体是占空比低的窄脉冲，因此搜索空间的增加导致捕获过长，另外，在 室内环境下，由于多径效应，对主路径的捕获易于出错，这些对设计同步捕获方案造成了 极大的难度。目前，比较成熟的同步捕获方案是基于r a k e 接收机的相关方法以及匹配滤 6 堕室塑皇奎堂堡主塑窒生兰垡笙壅釜二皇堕垒 波算法。利用r a k e 接收机来分级接收多径信号，使之能量足够大：利用相关方法使本地 模板与接收信号进行最大相关，使接收信号在短时间内被高精度地捕获。研究基于现有信 道模型下的同步捕获算法是u w b 通信系统中急需解决的问题。利用神经网络以及基于小波 的同步捕获算法也成为一个研究方向。 ( 5 ) u w b 天线理论与实现技术 超宽带通信系统的辐射信号频率高、带宽大，很多情况下直接完成窄脉冲的收发，同 时实际应用又对设备功耗和信号辐射功率谱密度提出了严格要求，这对超宽带通信系统的 收发天线提出了苛刻的性能要求。高性能、小型化、暂态性能好的超宽带天线，尤其是脉 冲天线理论与实现技术成为超宽带无线系统研究的一个重点。 ( 6 ) u w b 系统与现有窄带系统的电磁兼容和频谱共存 u w b 的载体是频谱极宽的窄脉冲，这样的系统工作时与已有窄带系统频谱共享，系统 共存是u w b 技术应用急需解决的课题。研究室内密集多径环境中u w b 脉冲信号的频谱理 论和同频段干扰特性是理论研究课题；通过算法设计系统参数及设计滤波器、限波器来抑 制干扰是技术研究课题。当前采用软谱概念结合u w b 信号波形设计进行u w b 时域脉冲波 形及其频谱特性的理论和技术研究，提高系统的共享频谱和抗干扰能力是研究热点。 ( 7 ) u w b 信号的传播特性和信道模型 与常规无线宽带接入系统设计一样，在短距离高速无线超宽带接入系统实现过程中， 必须充分了解超宽带信号的传播信道特性，建立适合特定系统设计的室内及室外不同环境 下，既与实测数据相符，又便于进行理论分析和仿真的信道模型。因此研究u w b 信道的测 试技术，建立u w b 信号传播特有的模型成为必然。 u w b 系统多采用窄脉冲作为信息载体，这些宽频谱信号的不同频率成分在信道中会产 生不同畸变，对u w b 信号的高性能接收过程中必须充分考虑到信号失真的影响，因此有必 要研究脉冲信号在不同媒质内的传播特性以及同一媒质中不同脉冲信号的传播特性。实际 超宽带通信的工作场所多为密集多径的室内环境多径衰减是u w b 信号传播过程的主要影 响。目前对u w b 信号在室内多径环境下传播模型进行研究的学者公认的是i e e e 8 0 2 1 5 3 a 模型。但从现有模型来看，环境条件对模型具体影响及室外环境模型都很少看到成熟的成 果，也应该列为研究课题。 ( 8 ) u w b 无线通信网络协议 超宽带通信主要应用于无线个人域网络( w p a n ) ，尤其是高速率w p a n ，针对这一应用， 目前制定的i e e e8 0 2 1 5 3 a 协议，主要考虑物理层和媒质接入控制( m a c ) 子层，物理层与实 际超宽带通信体制有关，而m a c 子层在很大程度上依赖于物理层的实现方式。所以目前这 7 堕塞堕皇查堂堡主翌! 窒竺堂垡垒奎笙二兰丝丝 方面的研究集中在建立适用于超宽带无线电技术的网络协议体系。重点是m a c 层控制协 议，a dh o z 网络协议和路由协议，以及无线i p 协议。使u w b 系统实现分布式的网络结构， 盲捕获和自配置功能。u w b 系统在短距离范围内的高数据率能力，很适用于带宽时延敏感 的视频通信。为了保证业务的高q o s 等级，系统设计应该考虑媒体访问控带i j ( m a c ) 层的设 计、u w b 系统的m a c 层设计包括控制信道接入，q o s 安全性的保证等。在高速率系统的 m a c 层设计中，可以根据u w b 的特点进行设计选择，采纳一些其它无线网络中的m a c 技 术或者完全开发新的技术，这是m a c 层设计时要考虑的重要问题。一方面要看到现存的 m a c 协议是否适用于u w b 应用，另一方面是根据u w b 的特性要求加入新的技术到m a c 层， 一定程度上的兼容性能获得市场和用户的接受。如u w b 系统中，在发射功率恒定时，速率 与p r f 和峰值功率成反比。在m a c 可利用这个特点，通过适当调整来灵活控制，根据通信 的距离不同为每条链路提供不同数据率的信号；为解决u w b 与其它系统共存性问题，也可 通过物理层和m a c 层的联合设计来实现。 除了上述研究热点外，还包括信道估计、测距与定位、u w b 空时处理与多天线技术及 u w b 与认知无线电的结合研究等领域。 1 4 论文的主要内容和完成的工作 近年来，超宽带的研究成为无线通信领域一大热点，而基于频谱兼容的脉冲波形设计 则是超宽带系统研究中的一个重要内容。超宽带系统的脉冲波形设计也是我硕士研究生阶 段的主要研究课题，通过阅读文献加以整理分析，仿真比较了一些典型的脉冲波形，比如 高斯系列波形，h e r m i t e 正交波形，扁长椭球波函数等。随后将c h i r p 信号引入到超宽带系 统中来，把通过匹配滤波器后的c h i r p 压缩波形进行时域波形的线性叠加，得到了一个在 频域中频谱利用率很高的组合脉冲。之后对超宽带的频谱兼容问题进行了介绍，并结合几 种脉冲波形进行了仿真与比较，说明了脉冲波形设计在频谱兼容问题中的适用性和重要 性。文章的最后结合认知无线电的频谱检测技术提出了一种自适应脉冲波形的算法，首先 通过认知无线电中的频谱检测方法，提取出环境中的窄带系统频谱信息，再迭代选取基于 c h i 印压缩信号成形脉冲的中心频率和权值，达到组合脉冲波形最优化的目的。仿真结果 表明，该波形能够在检测到的窄带信号频段处自适应地产生“凹陷”点，有效地避开了与同 频窄带信号之间的干扰，并且具有很高的频谱利用率。 本文主要章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了超宽带无线电的研究背景、技术特点、研究现状与应用、 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 关键技术等。 第二章介绍了脉冲超宽带通信系统的基本原理，然后就几个典型的超宽带脉冲波形进 行了分析，包括高斯系列脉冲、h e r m i t e 正交脉冲、扁长椭球波函数( p s w f ) 等，仿真了 他们的时域和频域图形，随后介绍了c h i r p 信号在超宽带脉冲波形设计中的应用，引入了 基于c h i r p 压缩信号的脉冲波形设计和组合脉冲的生成。这种脉冲设计方法能够在频域中 得到更高的频谱利用率。 第三章介绍了超宽带系统的频谱兼容问题，并且罗列了一些改善频谱兼容问题的方法。 随后着重分析了利用脉冲波形设计来改善频谱兼容性的方法，通过对各种波形在频谱兼容 问题中的应用进行了仿真和比较，总结了各种波形的优缺点，特别指出c h i r p 压缩脉冲在 应用中的灵活性和高效性。 第四章首先介绍了认知超宽带系统的概念以及基于认知超宽带的频谱兼容技术，然后 利用频谱检测技术和c h i r p 压缩信号的组合脉冲提出了一种自适应算法，通过对参数的自 动调整，使生成的组合脉冲波形可以自适应地在检测到的窄带信号处产生“凹陷”，尽可 能地避开了与同频窄带系统之间的干扰，以达到频谱共存的目的。这种算法具有灵活性高， 复杂度低等特点，而且得到的脉冲具有很高的频谱利用率。 第五章是对全文的总结和未来工作的展望。 附录给出了本论文中出现的缩略词解释。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章超宽带脉冲波形设计的基本方法与仿真分析 第二章超宽带脉冲波形设计的基本方法与仿真分析 2 1 脉冲超宽带通信系统基本原理 由于f c c 对超宽带的两种定义方式，导致了有多种方式产生超宽带信号。经过激烈的 厮杀，最终两个u w b 标准在竞争中得以生存下来：一种是由w i m e d i a 组织所倡导的基于 正交频分复用( o f d m ) 的m b ( m u l t i b a n d ) 方案【2 4 】：另一种是u w b 论坛所提出的保存 了原始u w b 脉冲属性的d s c d m a ( d i r e c ts e q u e n c e c d m a ) 方案【2 6 1 。 其中d s c d m a 方案中基于脉冲的超宽带( i r - u w b ) 通信系统有别于传统的正弦载 波通信系统，它是一种以短时脉冲为信息载体的通信系统。经典的脉冲超宽带无线通信系 统和i e e e 8 0 2 1 5 4 a 低速w p a n 标准主要采用脉冲传输技术。脉冲宽带无线通信系统利用 持续时间为纳秒或亚纳秒的冲激脉冲携带信息，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，在频域中产生极宽的频谱来满足发射的需要。尽管在 2 0 0 7 年3 月由国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 发布的超宽带国际标准中 i r - u w b 没有被列为国际标准【2 8 】，但由于其技术上有自身的优势，对于这一技术的研究应 该继续下去。 2 1 1o w b 发射功率模板 首先，介绍一下u w b 发射功率模板，这在脉冲波形设计中具有指导意义。由于超宽 带无线电信号是与其他的无线电信号同时共存的，因此，可能对其他通信系统造成的干扰 必须要限定在某一范围内，这就意味着在任一给定频率上的空中接口都必须有一个最大的 允许功率，这个功率的值一般由辐射掩蔽( e m i s s i o nm a s k ) 来确定。 美国联邦通信委员会( f c c ) 在2 0 0 2 年2 月提出了室内u w b 和手提u w b 的频谱发 射模板【2 引。除了f c c 的发射模板之外，欧洲电信标准协会( e t s i ) 也在2 0 0 2 年9 月提出 了一个草案标准，该标准定义了u w b 设备的功率谱密度限制。f c c 和e t s i 提出的两个 模板如图2 1 所示。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章超宽带脉冲波形设计的基本方法与仿真分析 图2 - 1f c c 和e t s i 规定的室内情况和手持情况的u w b 发射功率模板 另外，新加