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物理与电子工程学院设计实验报告现代无线通信技术 学生姓名 孙 波 学 号 Y10109212 班 级 电信Y092 摘要：超宽带一种不用载波，而采用时间间隔极小(纳秒级)的脉冲进行通信的方式。UWB技术通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。 超宽带技术解决了有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。正文1 超宽带信号及其特点美联邦通信委员会(FCC)规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。 一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式1,2为： Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。仔细分析每个时移分量： （1） 相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。 （2） 伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。 由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。 由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。（3） 数据调制：第k个用户发送的数据序列di(k)为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。 在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为： 显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1%01%)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为： 例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1s，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。 另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。 2 超宽带信号发射机、接收机基本结构 21 发射机和相关接收机模型 与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。 22 Rake接收机模型 由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。 3 UWB信号的生成产生UWB信号最常用和最传统的方法是在非常短的时间内发射脉冲信号，这种方式被称为冲击无线电（Impulse Radio，IR）。常用的调制方式包括脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM），并且为了控制生成信号的频谱，数据符号编码需要进行伪随机化或者伪噪声化。此外，UWB信号的调制方式还包括引入时间抖动的跳时（TH）调制方式直接序列扩频（DSSS）调制方式。根据FCC关于UWB信号的定义，可以将7.5GHz的带宽分成14个子信道，其中每个子信道带宽为528MHz，采用OFDM调制方式，称为MBOFDM调制方式。本文将分析THPPM、DSPAM和MBOFDM信号的时频特性，根据参考文献2，THPPMUWB信号的生成表达式为： 其中p（t）表示发射的脉冲波形，Ts为一个码元的周期，j为跳时码序列，aj为待传输的信息，取值为0或1，为脉冲偏移时间。 PAMDSUWB信号生成形式为 其中p（t）表示发射的脉冲波形，dj为待传输的信息，取值为0或1，Ts为一个码元的周期。 MBOFDM信号将使用3条子信道，中心频率分别为3.432GHz、3.960GHz和4.488GHz。每条子信道的信号生成表达式为： 其中cm为待传输的信息在星座图中的位置，S（t）是周期为T0的周期函数，gT（t）为周期为T的矩形波，表达式为： 其中T0为子载波上传输的单个数据符号的周期；TG为OFDM信号的保护间隔。 4.UWB信号的时频分析 传统的信号分析是建立在傅立叶变换的基础上的。傅立叶变换将信号由时域变换到频域，变换后完全失去了原信号的时域信息，在分析平稳信号时没有问题，但是在分析非平稳信号时由于不包含时域信息，无法得知不同时刻下的频域特性。UWB信号的特点是信号周期短、覆盖频域宽，使用传统的傅立叶分析方法无法得到UWB信号的全部特性。 常用的时频分析方法包括短时傅立叶变换（Short-Time Fourier Transform）、Gabor变换、小波变换、分数阶傅立叶变换等。短时傅立叶变换的基本思想是：假定非平稳信号f（t）在分析窗函数g(t)所持续的时间间隔内是平稳的，并且移动分析窗函数，使f(t)g(t-)在不同的有限时间宽度内是平稳信号，从而计算出各个不同时刻的频谱。其表达式为： 由于对同一信号的短时傅立叶变换结果和选择的窗函数g(t)有关，因此需要根据不同信号的特点选择不同的窗函数，用以区分不同信号的时频特性。常用的窗函数包括矩形窗、汉明窗、高斯窗、布莱克曼窗等，为了抑制旁瓣，本文选用布莱克曼窗，其表达式为： 为了便于使用计算机进行仿真，所有连续的信号需要经过抽样变换成为离散信号。 5 超宽带信号抗干扰性能分析5.1 TH-PPM 调制信号抗干扰性能分析假设系统仅有单用户且在通带内有一幅度为a，频率为J f 的正弦干扰，表示如下：接收信号为干扰信号的功率为J = a2 / 2，则( ) J n t 的双边功率谱( ) J G f 为假设解调模板信号中由伪随机码12控制的各周期中脉冲起点位置为1 2 , , , , Ns p p p 其中，则相关器的传输函数的模为式中, F ( f )为W (t )的幅度谱。相关器输出的干扰信号的双边功率谱为解调后输出的干扰信号的功率为而信号解调输出功率为式中， p E 为单脉冲能量； p m 为单脉冲信号经相关解调后的输出信号在抽样时刻的幅度值； 为每比特信号解调输出的信号功率为于是，根据（22）式和（27）式，可得输出信干比为系统误码率为结合以上推导，超宽带（UWB）无线通信抗干扰特性的进一步分析如下（1）合理选择系统的参数 ，使，则式（22）所计算的干扰输出功率为0,此时单频干扰不会对超宽带无线电系统造成干扰，由此可得消除TH-PPM 调制的超宽带无线通信系统单频干扰的系统参数选择为(2) 如果此时调制参数 的选择不满足式（31），且系统不采用伪随机码进行跳时调制，则若选择干扰频率满足，系统解调输出的信干比大大下降，且抗正弦的能力与s N 无关。（3）系统采用周期等于s N 的伪随机码调制：系统的抗干扰能力要比不采用伪随机码的系统有极大的提高，和伪随机码一旦固定，使解调输出最大干扰功率的干扰频率固定，可能被干扰方捕获到最佳干扰频率，此时H ( f )没有明显的梳状幅度谱，即使干扰频率有些偏移，干扰的效果下降较不采用伪随机码的系统要小。（4）对于PPM 系统，如果能均匀地分布在单位圆上，即满足如下条件: 则在解调输出端单频干扰对PPM 的干扰信号功率为0，即没有干扰。5.2 TH-PAM 调制信号抗干扰性能分析与TH-PPM 调制相比，TH-PAM 调制没有参数 的选择，除此之外，脉冲的波形和伪随机码的选择与TH-PPM 几乎没有区别。因此，两种调制方式在抗干扰分析方面，具有很多相同之处。在TH-PAM 解调时， 假设解调模板信号中由伪随机码控制的各周期中脉冲起点位置为则相关器的传输函数的模为在频率为J f 、功率为J 的正弦信号干扰条件下，解调后输出的干扰信号的功率为因此，脉冲波形的选择、伪随机码的设计都影响输出干扰信号功率大小。对于PAM 调制，当系统参数满足所示条件时，解调输出信干比与s N 的选择无关，增加s N 值的大小并不能提高系统的抗干扰能力。参考文献：1.葛利佳，曾凡鑫，刘郁林.超宽带无线通信.国际工业出版社 .2005年2.岳光荣,葛利嘉. 超宽带