（通信与信息系统专业论文）超宽带脉冲设计与15米到25米超宽带信道模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，超宽带无线技术成为短距离，高速无线网络最热门的物理层技术 之一。针对超宽带的应用，f c c f f e x l e r a lc o m m u i c a t i o nc o m m i s i o n ) 提出了对 u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) 信号的辐射掩蔽要求，在设计波形的时候必须加以考虑。 耳前提出了许多方法，比如基于载波调制的成形技术、h e r m i t e 脉冲成形技术和 高斯脉冲成形技术等。但是这些技术只是在3 1 g h z 到1 0 6 g h z 范围内较好的利 用了辐射掩蔽，对于3 i g h z 以下的低频段辐射掩蔽利用却不是很好。 另外，对于超宽带信道模型，比较有名的是a - k 模型、s a l c n - v a l e n z u l a 模型 和i n t e l 提出的多径信道参考模型。但这些模型大多根据传输距离在1 0 米以下给 出的实验数据分析得到信道参数。对于更远距离信道的参数特性并未给出分析。 作者的主要工作如下： ( 1 ) 提出了基于小波函数和遗传算法的脉冲设计方法。将小波函数运用到 脉冲波形设计中，并且提出利用多个脉冲函数组合的方法来设计脉冲波形，更 加充分利用辐射掩蔽特性。同时，将遗传算法融入到设计过程中，使计算结果 能够收敛达到最优解。 ( 2 ) 将基于小波函数和遗传算法的脉冲设计方法、u w b 正交脉冲设计、 高斯脉冲和h e r m i t e 脉冲成形技术等进行了比较分析。高斯函数及其高阶导函数 和h e r m i t e 脉冲等单一波形函数只在3 1 g h z 到1 0 6 g h z 充分利用了辐射掩蔽。 u w b 正交脉冲设计能使波形有正交性，但是频谱利用率不够。本文的方法能够 更加充分的利用辐射掩蔽，不仅在3 i g h z 到1 0 6 g h z 而且在3 i g h z 以下也充 分利用辐射掩蔽。且本波形在2 g h z 附近有较大的功率衰减，可有效减少与 u m t s w c d m a 通信系统间的干扰。 ( 3 ) 通过瑞士联邦技术研究院的超宽带数据库，分析了室内环境1 5 m 到 2 5 m 距离的l o s ( l i g h to f s i g h t ) 、o l o s ( o b s t a c l el i g h to f s i g h t ) 和n l o s ( n o n - l i g h t o fs i g h t ) 三种传播环境下超宽带信号的传输特点，并将其与1 0 米以下的信道传 播特点进行了对比。在实验数据处理过程中，提出了对原始数据进行补零和频 谱对称操作来提高实验结果准确性；同时将c l e a n 算法用于数据的处理中。最 后，将基于小波函数和遗传算法的波形在该1 5 米到2 5 米超宽带信道进行了仿真。 关键字：超宽带，超宽带脉冲，遗传算法，信道模型 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yu l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) w i r e l e s st e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em o s t p o p u l a rp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yf o ras h o r td i s t a n c e , h i g h - s p e e dw i r e l e s sn e t w o r k a p p l i c a t i o n f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) p r o p o s e dt h ee m i s s i o nm a s k f o rt h eu w b p u l s e d u r i n gd e s i g n i n gt h eu w bp u l s et h ee m i s s i o nm a s ka n dt h e s p l 矧l l u md i s t r i b u t i o nm u s t b et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n m a n ye f f e c t i v em e t h o d sh a v e b e e np r e s e n t e d , s u c ha sc r i t i e l m o d u l a t i o ns h a p i n gt e c h n o l o g y , h e r m i t ep u l s e s h a p i n gt e c h n o l o g ya n d ( 3 a u s s i a np u l s es h a p i n gt e c h n o l o g y t h e s et e c h n o l o g i e sa l e b e t t e rl l o f e m i s s i o nm a s ki nt h eb a n do f 3 1 g h zt o1 0 6 g h 五b u tn o ti nt h eb a n do f 3 1 g h zb e l o w f o rt h eu w bc h a n n e lm o d e l ，t h ef a m o u s m o d e l sa 碥- km o d e l 。 s a l e n - v a l e n z u l am o d e la n dt h ei e e e 8 0 2 1 5 3 as l a n d a r dm u l t i - c h a n n e lm o d e l b u t m o s to f t h e s em o d e l sa r eb a s e do nt h eg i v e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i so f t h ec h a n n e l p a r a m e t e r sw i t ht h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo f1 0m e t e r sb e l o w t h ep a r a m e t e r sa n d c h a r a c t e r i s t i c so f m o r er e m o t e c h a n n e li sn o tg i v e n t h e p a p e r sf o c u s i s 雒f o l l o w s ： a p u l s ed e s i g n i n gm e t h o db a s e d0 1 1t h ew a v e l e tt h e o r ya n dg e n e t i ca l g o r i t h mi s p r o p o s e d i tm a k e sl 雠o fs e v e r a lw a v e l e tf u n c t i o n st om i xt h eu w bp u l s e w h i c h n l o r ef u l l yu t i l i z e se m i s s i o nm a s kp a r t i c u l a r l yi nt h el o wf r e q u e n c ys p e c l a u mt o s a t i s f yt h ee m i s s i o nm a s k m e a n w h i l e ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e di n t ot h e d e s i g np r o c , c s s ，a n dt h er e s u l t sc a l la c h i e v eo p t i m a ls o l u t i o nc o n v e r g e n c e t h ed e s i g n i d e a sa r cu n i v e r s a l 。a n dc 8 nb eu s e dt op u l s ed e s i g nw i 出t h es p e e l l u mr e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e ，t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i si sg i v e na m o n gt h ep u l s ed e s i g n i n gm e t h o d b a s e do nt h ew a v e l e tt h e o r ya n d g e n e t i ca l g o r i t h m , u w bp u l s eo r t h o g o n a ld e s i g n i n g a l g o r i t h m , h e r m i t ep u l s es h a p i n gt e c h n o l o g ya n dg a u s s i a np u l s es h a p i n gt e e l m o l o g y g a u s s i a nf u a e t i o n sa n di t sh i g h e r - o r d e rd e r i v a t i v ea n dh e r m i t e p u l s eb yc h a n g i a gi t s p a r a m e t e r sc a r lm e e tt h ef c ce m i s s i o nm a s k , b u to n l yf r o m3 1 g h zt 01 0 6 g h 互 u w bo r t h o g o n a lp u l s e sa r eo r t h o g o n a l ，b u tw i t h o u te n o u g hs p e c t r u mu t i l i z a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sm e t h o dp r o p o s e di nt h ep a p e rc o u l dm o r ef u l l yu t i l i z ee m i s s i o nm a s k , n o to n l y f r o m3 i g h zt o1 0 6 0 h z , b u ta l s oi nt h eb a n do f3 1 g h za n db e l o w w i t ht h e v i c i n i t yo fal a r g e rd e c l i n en e a r2 g h z , i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ei n t e r f e r e n c ew i t h u m t s w c d m ac o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s f i n a l l y , t h eu l t r a - w i d e b a n ds i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a i y z c di n t h r e ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t s ：l o s ( l i g h to fs i g h t ) ，o l o s ( o b s t a c l el i g h to f s i g h t ) a n dn l o s ( n o n - l i g h to fs i g h t ) w i t ht h ed i s t a n c ef r o m1 5m e t e r s t o2 5m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a ld a ma l eb a s e do nt h eu w bm e a s u r e m o n td a t a b a 辩o f s w i s sf e d e r a l i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y b e f o r eo n l yt h ec h a n n e lp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f1 0 m e l 【e r sb e l o ww e r ea n a l y z e d h o w e v e r , t h e1 5m e t e r st o2 5m e t e r so fs i g n a l p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa p r e s e n t e di nt h ep a p e r i nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a p r o c e s s ，t h eo r i g i n a l d a t aa r eu n d e rz e r o - i n t e r p o l a t i o no p e r a t i o na n ds p e e l l a l m s y m m e t r i co p e r a t i o nt oi m p r o v er e s u l t sa c c u r a c y m e a n w h i l et h ec l e a na l g o r i t h m i s a d o p t e di nt h ed a t ap r o c e s s i n g , w h i c hw a so n l yu s e d i na s t r o n o m ys i g n a l p r o c e s s i n g l a s t l yw ea p p l yt h ep u l s ed e s i g n e di nt h ep a p e r t ot h ec h a n n e lm o d e l ， k e yw o r d s ：u l l a a - w i d c b a n c l , i y 、j v bp u l s e ，g e n e t i ca l g o r i t h m , c h a n n e lm o d e l n i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工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 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 同期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 超宽带信号的应用最早可溯源于一百年前意大利的无线电报发明人马可尼 曾采用过的火花隙脉冲( s p a r kg a pi m p u l s e ) 。现代超宽带技术的研究与应用则始于 二十世纪六十年代l l 】。在它的发展过程中，曾有数种不同的名字同时在使用，如： 冲激( i m p u l s e ) ，无载波( c a r r i e r - f r e e ) ，非正弦( n o n - s i n u s o i d a l ) 等，直至1 9 8 9 年才 被美国军方明确定名为超宽带( l q t r a - w i d e b a n d ) ，缩写为u w b 。 超宽带技术在雷达方面的应用研究发展较早，也相对成熟 2 j 【3 】。超宽带雷达 距离分辨率高，通常远小于目标尺寸，高的距离分辨率和宽频谱的结合使它具 有精确目标识别能力，能获得复杂目标的细微特征；并且穿透能力强，能穿透叶 簇、地表、云层等障碍，探测并分辨隐蔽目标。因此超宽带雷达在雷达探测、 成像、目标识别等方面具有广泛的应用价值，可用于地质探测、人员搜救、医 务监护等诸多领域，完成许多其它技术难以实现的特殊功能，因而其研究也倍 受重视。从六十年代至今，已有数百篇相关论文、专利发表，数种特殊用途的 超宽带雷达问世。 早在二十世纪七十年代，就已有超宽带雷达进入商用。目前，超宽带雷达 技术己经被成功用于探地雷达、隔墙雷达、定位、防撞报警、液位检测等方面， 以后还可能被用于道路检测、相机自动聚焦、呼吸心脏监护等用途。 超宽带技术在通信方面的应用研究发展相对迟缓。虽然在二十世纪七十年 代，纳秒级脉冲序列的产生、调制、接收等方面的理论就己提出，但直到1 9 9 3 年美国南肌州大学的s c h o l t z 教授才将码分多址的擐念引入超宽带通信领域，加 之超宽带通信具有抗多径衰落能力强、隐蔽性好等特点，并且有些研究者提出 超宽带信号功率谱密度极低，可与传统无线系统共享频率资源而互不造成破坏 性干扰，超宽带技术在通信方面的应用研究才日益受到重视，尤其是在多径密 集环境中的无线通信( 比如室内无线通信) 和对保密性要求高的无线通信( 比如战 术无线通信) 领域备受关注f 4 1 。 2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 在正式批准超宽带无线通信技术可在严格的限制下 武汉理工大学硕士学位论文 0 2 5 ( 2 - 1 ) u h + j l )t c 其中厶表示信号高端频率，五表示信号低端频率，0 名- a ) 表示信号带宽， z 气厶+ ，) ，2 ，为信号的中心频率。 美国联邦通讯委员会( f c c ) 给出了超宽带的两种定义：一是信号的带宽是指 1 0 d b 带宽，即厶和五分别表示低于信号最大发射( 包括天线的影响) 1 0 d b 处的 高端和低端频率，并且相对带宽大于等于0 2 5 ；二是信号的1 0 d b 带宽大于或等于 5 0 0 m h z ，而不管相对带宽是多少。 超宽带是从信号带宽的角度定义无线电信号的，其中最典型的实现方式是 采用冲激无线0 邑( i m p u l s er a d i o ，又称脉冲无线电，p u l s er a d i o ) 它是以占空比很 低的纳秒级窄脉冲而不是以正弦载波作为信息载体的无线电技术。超宽带无线 电直接发射冲激脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念。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。由于脉冲 的宽度很窄，发射信号具有很宽的频谱p j ，如图2 - 1 所示。 目前有两种主要的u w b 无线通信系统体制l 贝，分别是u w bf o r u m 的 d s - u w b 和m b o a ( m u l t ib a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g a l l i a n c e ) 的多带o f d m - u w b 。d s - u w b 和多带o f d m - u w b 两种主流u w b 体 制，在高度多径环境中，从捕获多径能量的角度看，多带o f d m - u w b 要比 d s - u w b 好，多带o f d m - - u w b 体制可以采用比d s - u w b 简单得多的接收机 去捕获到更多的多径信号。但是d s u w b 的发射系统就要简单的多。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 61 82 43 1 1 0 6 ( g h z ) 图2 1 各通信系统频率占用示意图 2 2 直接序列超宽带通信系统 传统的无线通信系统采用窄带己调载波发送信息，而直接序列超宽带通信 ( d s - u w b ) 采用非常高速率的窄脉冲来传送数据信息，窄脉冲的速率超过i g s , 因此信息速率可到2 8 m 、5 5 m 、l1 0 m 、2 2 0 m 、5 0 0 m 、6 6 0 m 和1 3 2 0 m b i t 秒【1 1 1 2 1 。d s - u w b 通信系统的信号产生过程：首先利用伪随机码或者p n 序列对 要发送的二进制序列进行编码；然后对其进行幅度调制。d s - u w b 信号的具体 产生框图如图2 2 所示 3 1 7 1 。 m = 2 a - 1 d = a e 6i 重复编码器l 口。l - - 进$ u 1 l d i 发送 l d l p a m l 删 叫( 脯，1 ) 卜叫 序列r 叫编码器r 叫调制器r 一 图2 2d s u w b 通信系统信号产生框图 待发射的二进制序列t f ( b 仉b 如，b k , b k + 1 ) ，其速率为r b = 腮，图2 - 2 中的重复 编码器将每个比特重复m 次，得到序列( 酝b o , ，b o ，k b l ，b 扣6 j ，6 j ，b l ，6 b b k ，b b b h b k h bb n l ，b h l b 什沪0 其速率为r = n , t a = l t s 。 第二个系统模块将4 转换成含有正值和负值的序列庐f ，a o ，a l ，a j ， o + i ) 。转换公式为啦= 2 0 1 。 发送编码器是将一个由1 组成、周期为的二进制序列萨f ，c o ，旬，q ， 够“j 应用到序列庐f ，a o ，a l ，吩一，a + l , 土产生一个新序列d - - - - a t 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 其元素为4 = a f j 。通常假设是绣的整数倍，其速率为r 。= n , t b = i t , 。 p a m 调制器将会产生一个单位脉冲序列，起位置在_ ，疋处。最后输出的信 号j 何为： s ( d = d p ( t - j t , ) ( 2 - 2 ) i ，。o 输出的波形是一个p a m 波形，由于二进制序列c 的随机性，编码得到的信 号在频域具有白噪声特性。 如果在图2 - 2 的系统框图中用p p m 调制来代替p a m 调制，则得到p p m 调 制的d s - u w b 信号波形，其表达式为： s ( f ) ：艺p ( f 一皿一占掣) ( 2 - 3 ) j 一 其中占为是常数，且占 瓦。 图2 3 为为3 0 ，m 为l o ，传送的信息比特数为3 的时候，采用p a m 调 制的信号波形示意图。其中的发送比特的波形为高斯脉冲，其持续的时间很短， 在纳秒级范围内，通过波形图可以看出其信息传送速率为n , t b x 1 0 a - lllljtl l lflli ll lfijilll 1 1 ! ! i ! ! ! ! l jll i i i o 123456 t i m e 【s 】 x 1 矿 图2 - 3p a m - d s = u w b 波形示意图 2 3 多频带超宽带通信系统 多频带超宽带系统与脉冲超宽带系统的原理不同，多带o f d m 系统是将整个 8 6 4 2 o 2 4 6 】o口丁一av 武汉理工大学硕士学位论文 频段划分为若干子带后，在每个子带上采用o f d m 技术传输信息嘲。o f d m 技术 自身的特点决定了多带o f d m 系统的优缺点： 1 ) 谱利用率高，不需牺牲整个子带来消除窄带干扰。 2 ) 抗多径衰落能力强。 3 ) 收发信机与脉冲无线电系统相比稍显复杂 4 ) 峰均比高。 5 ) 对频偏敏感。 多带o f d m 系统方案主要使用3 i gh z 至4 8 gh z 之间的1 7 ( 3h z 的频率 范围，将其划分为三个带宽为5 2 8 m h z 的子带，每个子带上采用1 2 8 个子载波 的o f d m 调制。 一个已调的o f d m 信号由调制在不同载波频率厶上的几个并行发射的信号 组成，这些载波等间隔的位于频域上，其间隔为4o f d m 调制器输入的二进 制序列每k 比特编为一组，以产生具有个符号的数据块 如屯，砚d u j ，磊 是三个取值中的一个，并且g = n t o g l 。并且每个符号调制一个不同的载波，为 了能够并行传输个符号，不同的载波信号在频率上必须正交嗍。t o 是相应载 波上发射符号的时间，殇是发射数据块之间的保护间隔，总的o f d m 符号持续 时间是7 - t o + z & 可以得到最大的符号速率为： 冠= 了n = 纛 ( 2 q 保护间隔用来发射o f d m 符号最后边界部分的一段拷贝，称为“循环前缀”， 这样可以保证信号在经过时间弥散信道后，仍能够保持接收端的载波同步。 所有调制器使用相同的矩形波g r ( o ，其持续时间为乃 岛o ) = 4 1 t ( f + ) 一“o 一瓦) ) ( 2 5 ) 如果符号磊在星座图中的点用c m = t t l m t ，6 。表示，o f d m 信号中有个符号 的数据块表达式如下： 心 板f ) = g r ( t ) e ( 口_ e o s ( 2 石( f , + 五v + 力一ks i n ( 2 石( 厶+ 五) ，+ 声” ( 2 6 ) 相应的复包络为： x ( t ) = g r ( t ) z c e y 2 t l , t ；口k o ) = g r ( f ) s ( f ) ( 2 7 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 式( 2 6 ) 中o f d m 信号的数字交换相当于对传输式( 2 7 ) 的复包络的取样值， 则传输序列可以表示为： 缸川= ；( ，哎) = g r ( 啊。) c 可e j 2 x f 4 t , ( 2 8 ) 岛为取样周期，x ( i ) 由并行发射的占有频带宽度为2 句的个信号组成，因 此可以假设复包络的频带为- n j r 2 到n j r z 2 ，o f d m 信号的复包络可以用 名= m r 整数倍处的取样值表示： n - i ：4 = g a n t d e e 牡鹕 ( 2 9 ) “”一育 ( 2 9 ) 0 若假定厶= m 么f - ( n 2 ) 和, d f = m t o - n ( 2 t o ) ，可得： - ij 2 x m n_ l。2 材m 研竹】= 岛( 帆) 1 r p 一加= g r ( n t 。x - 1 ) ”p 卜万一 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) r p 的和式相当于矢量c 兰 钆c 如，c n - 2 ，c a r - i 付里叶反变换。由上式 可知复包络的取样值即式( 2 6 ) 可以通过计算系数 c d c 1 ，c n - 2 , c n - i 的付里叶反 变换来得到。o f d m u w b 信号的波形图如下所示，中包含了7 0 1 n s 的保护时间 和2 4 2 4 n s 的信息时间长度。 o 1 5 o 1 0 0 5 吾。 勺 j 盖- 0 0 5 o 1 o 1 5 - o 2 o2345 t i m e 【s 】 图2 - 4o f d m - u w b 波形示意图 1 0 67 x l o - 7 武汉理工大学硕士学位论文 m b o a 的多带o f d m - u w b 主要面向无线个人局域网w p a n ，速率大于 1 1 0 1 v i b p s 。l v m o a 的多带o f d m - u w b 旨在为消费类电子产品和多媒体应用提 供无线连接；高速率情况下，也可以用作无线u s b 和无线1 3 9 4 的物理层。m b o a 已经制定出基于多带o f d m - u w b 技术的物理层规范。工作距离为1 0 米时速率 为1 1 0 m b p s ，t 作距离短时速率可以更高。该类系统可以与其他系统工作在同一 个频段上，如可以与8 0 2 1 l a 共享频谱。物理层的主要技术指标为：1 0 米范围的 速率为1 1 0 m b p s , 4 米范围为2 0 0 m b p s ，2 米范围为4 8 0 m b p s 。 2 4 超宽带通信系统的特点 由于u w b 与传统通信系统工作原理迥异，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 1 1 1 3 ： 1 ) 系统结构的实现比较简单 当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率 在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而u w b 则不使用载 波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。u w b 发射器直接用脉冲小型激励 天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器， 因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，u w b 接收机也 有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，u w b 系统结构的实现比较简单。 2 ) 高速的数据传输 民用商品中，其传输速率可达5 0 0 m b i f fs ，是实现个人通信和无线局域网的 一种理想调制技术。u w b 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不 单独占用现在己经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。 在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、 高安全性和高速的数据传输。美国英特尔公司于2 0 0 2 年4 月在i d f 2 0 0 2s p r i n g j a p a n 上对该技术进行了演示，在数米的距离内传输速率可达1 0 0 m b p s 。同时， 超宽带通信系统容量大。香农公式给出c = b l 0 9 2 ( i + s n ) ，可以看出，带宽增加 使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超 宽带技术的理论机理。 3 ) 功耗低 u w b 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在 0 2 n s - 1 5 n s 之间，有很低的占空比，系统耗电可以傲到很低，在高速通信时系统 武汉理工大学硕士学位论文 的耗电量仅为几百u w 、，h 。十m w 。民用的u w b 设备功率一般是传统移动电话 所需功率的1 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的l ，2 0 左右。军用的u w b 电台 耗电也很低。因此，u w b 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备 有着很大的优越性 4 ) 安全性高 u w b 作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于u w b 信号一 般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，u w b 信号相当于白 噪声信号，并且大多数情况下，u w b 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声， 从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数 进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 5 ) 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。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输 路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重 叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对 常规无线电信号多径衰落深达1 0 - 3 0d b 的多径环境，对超宽带无线电信号的 衰落最多不到5d b 。 6 ) 定位精确 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。超宽带无线电具有极强的穿透能力， 可在室内和地下进行精确定位，而g p s 定位系统只能工作在g p s 定位卫星的可 视范围之内：与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 乃工程简单造价便宜 在工程实现上，u w b 比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只 需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成 到一个芯片上，设备的成本将很低。 由于超宽带技术的这些优点，目前超宽带技术已经逐渐运用到了民用产品 中，比如目前的超宽带无线u s b 技术将成为一种挑战蓝牙技术的强劲对手。随 着各个厂商对于超宽带技术的关注和研究，超宽带技术必将成为无线通信领域 的一种重要通信方式。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章超宽带通信系统脉冲波形设计 3 1 信号频率辐射掩蔽限制 超宽带信号是与其它的无线信号同时存在的，这样就必然存在不同通信系 统之闻的干扰。为了尽可能减小系统问的干扰，必须对超宽带系统在一定频率 上的功率值有适当的规定，特别是超宽带信号在频域占据很宽的频率范围。因 此，联邦电信委员会f f c c ) 对超宽带信号做了相应的规定，也就是辐射掩蔽 ( e m i s s i o nm a s k ) ，它是针对有效全向辐射功率但口r ) 而言嘲。 e i p r = 嘞q ，( 3 - 1 ) 其中p r x 表示发射机的最大可用功率，白r 表示发射天线增益。 对功率的控制也可以相当于对场强的控制，场强是指传播一定距离d 后， 等于在自由空间的特征阻抗缅要获得某一功率值p r x 所需要的电压值。2 商和空 间磁导率和介电常数有关，大约为3 7 7 欧姆。场强k ( 伏，米) 和功率( 瓦特) 的关系 可以表示为： 矿2 e i r p = 与4 枷1 2 ( 3 - 2 ) 辐射掩蔽是对e i r p 的频谱密度加以限制，功率谱密度的单位是d b m h z 。 而辐射掩蔽一般都是以在某一给定频率处的功率值( d s m ) 给出。 f c c 的标准是根据信号的单边功率密度谱乃，来制定，一个频率范围在砌 的信号的最大功率为： 。= e 8 ( 力够( 3 - 3 ) 对于超宽带通信系统其主要通信频率范围为3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，则其在该 频率范围内的最大功率值可以计算如下： 昂一k l o l g ( 蔗气) ( 3 4 ) = 1 0 1 9 ( e i r p o o 6 x 1 0 3 3 1 x 1 0 3 ) ) = 4 1 3 + 1 0 1 9 ( 7 5 1 矿) = _ 2 8 d b m 即最大的信号功率为尸。= o 5 5 m w , 由此可见其发射功率是很低的。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 目前，u w b 无线通信中有关频率掩蔽的标准主要是由美国f c c 制定的。对 于室内u w b 系统，频率掩蔽是针对3 1 g i - i z 到1 0 6 g h z 范围内的1 0 d b 带宽， 对于带外的辐射掩蔽也有严格的限制。对于室内和室外的频率掩蔽要求如图3 1 和图3 2 所示。 兰 l j 置 盖 兰 j 量 i g 图3 1f c c 制定的室内u w b 设备辐射掩蔽 一j 一o 由d o w l i m i t p m t l 5 u m 挑 ； ：；：；，if j l 口 图3 - 2f c c 制定的室外u w b 设备辐射掩蔽 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 典型脉冲波形 本节主要讨论超宽带无线通信中几种典型脉冲波形的性质和特点。在超宽 带冲激无线电系统中，窄脉冲是信息载体，通过对窄脉冲的调制寄载要传输的 信息。因此，超宽带通信系统中窄脉冲信号的作用，就与常规无线通信系统中 的正弦载波类似。不过，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 ( f ) ，有 r 0 ( 力盘：0 ，一 ( 3 - 5 ) 3 2 1 高斯脉冲 高斯脉冲唧是超宽带系统中使用较多的一种脉冲函数，其高斯函数为： m ：占p 寺( 3 - 6 ) 4 2 ，r a 。 令盯2 = 口2 4 万，有 巾) ：车。等0 - 7 ) 口 适当选取时间参数a 时，可使，( r ) 成为一个合适的脉冲，a 影响脉冲的宽带 和幅度，称为脉冲波形的成形因子。a 增大，脉冲幅度减小，脉冲宽度变宽，如图 3 3 所示。 图3 3 成形因子对高斯脉冲的时域和频域的影响 武汉理工大学硕士学位论文 定义基本高斯脉冲波形为 2 r t 2 p c t ) = a p e a 2 其能量为 彤：j = 三p z ：j = 三舻2 乞； 爿；= 。o o4 一。2 西；譬 ( 3 9 ) 可见，p ( ，) 具有单位能量的条件是 铲后 ( 3 - l o ) 基本高斯脉冲的导函数【1 l 可通过求导得到，对基本高斯脉冲p ( ，) 求一阶至三 阶导函数。 一阶导数： p 协4 ( - 争e 等 ( 3 1 1 ) 二阶导数： p 。( f ) = 以7 4 z ae 等m 4 硝：】 三阶导数： p o ) = 4 丁( 4 n - ) 2 船等【3 口2 4 衙2 】 叩) 由傅氏变换，可得高斯脉冲的傅氏变换 p ( f ) 付4 老e 百 ( 3 - 1 4 ) 下面讨论七阶高斯脉冲的傅氏交换，记厂( f ) 的七阶导数为o ) 。我们知道， 如果w 专+ 对，f ( t ) - - o ，n = 0 , 1 ，2 ，n t ，且只有有限个可去问断点，则 ”( f ) 的傅氏变换为 ，( t ) - - ( f r o ) 研，( f ) 】 ( 3 1 5 ) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 式中，f l 厂t o ) 】为，( r ) 的傅氏变换。p 1 的傅氏变换为是 _ ) 2h _ _ ( 竺) 2 e 2f 鼬e p 。2 d t = 厉可得 re - ：d r ：再矗 显然，p ( d 符合上述条件，于是_ i 阶高斯脉冲的傅氏交换为 口2 以帅4 羞e 百 因此： f ( c o ) = 附”叫2 4 老e 百矿 ( 3 - 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) f ( 功= 4 老砌“e - 村t 一4 老i 2 a 2 ( o 国i 荸 ( 3 2 0 ) 由f ( r o ) = 0 可求得幅度谱峰值对应的频率，极值频率为： 厶= 丢= 嘉 ( 3 - 2 t ) 3 2 2h e r m i t e 多项式脉冲 f 。差参。差， 仔2 2 ， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 几阶h e m f i t e 多项式为： 气( f ) = f k ( f ) = t 2 - 1 以( f ) = f ，- 3 t k ( f ) = f 4 6 t 2 + 3 九( f ) = t 5 - l o t 3 + 1 5 t k ( f ) = ，6 - 1 5 t 4 + 4 5 t 2 - 1 5 ( 3 - 2 3 ) - ( 3 2 8 ) 如果有定义在( t , , t 2 ) 的区间的函数仍 和鲠，当两者的乘积在区闯 ( ，f 2 ) 的积分为零时，即当r 仍( ，) 仍( ，) d r = o 时，称为函数仍和仍在区间 ( t 。, t 2 ) 内正交；如果有拧个函数仍( f ) ，仍，纯( f ) 构成一个函数集，当这些 函数在区间( t i , t 2 ) 内满足如下正交特性： f2 妒，( 咖，( f ) d t = & ，z ( 3 2 9 ) 则称此函数为在区间( 毛，f 2 ) 内的正交函数集。 可以证明h e r m i t e 多项式并不是正交函数集，例如 ( f ) 气( f ) 出= f i t ( t 3 - - 3 t ) 疵= 畦，一，) i ：= ( 3 3 0 ) 变形的h e r m i t e 多项式定义为 一上 i l 。( f ) = e 和一( 3 3 1 ) 可以证明，当q = 甜 r ( p 丢丢协；f 屯2 ”n n 1 4 2 一r 以一 ( 3 3 2 ) ( e4 协= 叫o ： ( 3 即变形h e r m i t e 多项式构成正交函数集。 前4 项变形h e r m i t e 多项式为： 武汉理工大学硕士学位论文 ! 吃( r ) = e 4 上 = t e 4 ， h a t ) = 矿一1 ) e - i - 产 也( r ) = ( r 3 3 f ) p 了( 3 - 3 3 ) - - ( 3 - 3 6 ) 相应的傅氏变换如下： 风= 2 - p 。 羁= ( 一j 4 ，r f ) 2 磊。， 皿= ( 1 1 6 r e 2 厂) 2 磊。，2 甄= ( 一j 1 2 x 2 + j 1 6 石3 f 3 ) 2 易- - 4 2 2 f 2( 3 3 7 ) - ( 3 - 4 0 ) 图3 - 4h e r m i t e 多项式的波形图 图3 - 4 为零阶至三阶变形h e r m i t e 多项式的波形图，从数学表达式和图中都 可以看出，零阶和一阶的变形h e r m i t e 多项式的波形与高斯脉冲波形比较一致， 由于变形h e r m i t e 多项式中所增加的衰减因子p 。，为固定值，且其衰减速度远 远大于h e r m i t e 项式的增长速度，因此各阶变形h e r m i t e 多项式所对应的波形宽 度