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tx096超宽带通信中典型调制、多址技术性能比较,机械毕业设计

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超宽带通信中典型调制、多址技术性能比较 摘 要 超宽带通信是一种使用极宽的频带来收发数据的技术 , 它 可以在短距离内达到很高的数据传输速率，是当前短距离高速无线通信的一个新的发展方向。本文介绍了超宽带通信系统的基本原理、调制方式及其现存的问题。详细论述了超宽带通信系统几种典型的调制方式与多址接入方式，计算了在跳时脉位调制方式与直接序列扩频的相移键控方式下超宽带通信系统的误码率并进行了 MATLAB 仿真。 仿真结果显示，当跳时码周期与扩频码采用的周期相同时，在接收信号信噪比较高的情况下， 基于 DS-PSK 的超宽带 通信系统的系统性能略优于 基于 TH-PPM 的超宽带通信系统；而在接收信号信噪比较低时， 基于 TH-PPM的超宽带通信系统的系统性能略优于 基于 DS-PSK 的超宽带通信系统。 关键词 : 超宽带通信；多址；跳时；直接序列扩频； 脉位调制 ；误码率ntsPerformance Comparison of Typical Modulation And Multi-access in the Ultra-WideBand Communication System Abstract UWB communication system operates at extremely large bandwidths to transmit very short duration pulse. UWB is capable of providing high data rates in short ranges. This paper simply introduces the basic principle of UWB communication system, and pointes out the problems in the UWB system. In this paper, some typical modulation schemes and multi-access schemes has been stated, then the bit error probability of TH-PPM(time hopping- pulse position modulation) system and the bit error probability of DS-PSK(direct sequence- phase shift keying) system has been calculated . Through computer simulation ,we analyze the bit error probability . The result show: when the periodic of time hopping code is equal to the periodic of direct sequence spread spectrum, if S/N of received signal is fairly high, DS-PSK UWB communication system is superior to TH-PPM UWB communication system; if S/N of received signal is a bit low, TH-PPM UWB communication system is superior to DS-PSK UWB communication system. Key words: UWB; Multi-access;Time Hopping; Direct Sequence Spread Spectrum;Pulse Position Modulation ;Bit Error Probability nts 1 目 录 第一章 超宽带通信系统简介 . 1 1.1、 UWB 的发展 . 1 1.2、 UWB 的定义 . 2 1.3、 UWB 信号 . 2 1.4、 UWB 无线通信的基本原理 . 3 1.5、 UWB 的特点 . 5 1.6、 UWB 的应用 . 6 第二章 超宽带通信系统组成 . 7 2.1、 超宽带通信系统的基本调制技术 . 7 2.2、全双工 UWB 通信系统 . 7 2.3、全双工 UWB 通信系统规范实现 . 9 2.3.1 发射机 . 9 2.3.2 接收机 . 10 2.4、超宽带通信系统中的现存问题 . 11 第三章 超宽带通信系统的调制方式与多址接入 . 13 3.1、超宽带通信系统的调制方式 . 13 3.1.1、脉幅调制 PAM . 13 3.1.2、跳时脉位调制 TH PPM . 13 3.1.3、跳时 BPSK 调制 TH BPSK . 14 3.1.4、直扩 BPSK 调制： DS BPSK . 15 3.2、超宽带通信系统的多址接入原理 . 15 3.3、超宽带通信系统多址接入的方式 . 15 3.3.1、直接序列扩频方式 . 16 3.3.2、跳变频率扩频方式 . 16 3.3.3、跳变时间扩频方式 . 17 3.3.4、正交多项式 . 17 3.4 多址干扰的抑制 . 19 nts 2 第四章 超宽带通信系统的典型调制、多址方案分析 . 21 4.1、 跳时超宽带通信系统 (TH-PPM)的性能分析 . 21 4.2、 直扩通信系统 (DS-PSK)的性能分析 . 25 4.3、误码率的仿真分析 . 27 4.3.1 采用 TH-PPM时的误码分析 . 27 4.3.2 采用 DS-PSK时的误码分析 . 28 4.3.3 采用 TH-PPM与采用 DS-PSK的超宽带通信系统的性能比较 . 31 结束语 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 附录 . 37 附录 1 误差函数 . 37 附录 2 误码率的 Matlab仿真 . 39nts 1 第一章 超宽带通信系统简介 由于数据业务的推动 ，短距离无线系统 呈现出巨大的发展潜力 ， 特别是近年来在短距离通信中提出了个人局域网 (Personal Area Network， PAN) 的概念 ， 更使该领域的应用技术成为通信界关注的焦点。 PAN 的核心思想是用无线电波或红外线传输数据的方式取代传统的有线电缆模式 ， 组建个人化的信息传输网络。目前实现 PAN 的主要技术有 ： 蓝牙 (Bluetooth)、 IrDA( Infrated Data Association)、 Home RF 以及超宽带 (Ultra-WideBand， UWB) 等 4 种 ， 其中具有高性能、低功耗和低成本无线数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术之一。 UWB通信 技术在上世纪 60年代已被提出。 1964年 ， Ross在博士论文中采用微波电路 (包括宽带天线结构 ) 证实了发射与接收脉冲信号的可能性。 1993年 ， 美国南加州大学通信科学研究所的 R A Scholtz 在国际军事通信会议 (MILCOM93) 发表论文 ， 论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术 ， 从而开辟了将 UWB脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。此后 ， 美国、日本等许多研究机构、大学已相继投入对这一未来无线电技术的研究。 在过去的很长时间， UWB技术一直应用于军事领域。由于 UWB通信 是速率高于 IEEE 802.11a、IEEE802.11b和蓝牙的 超高数据速率的无线连接，被认为是“有望取代蓝牙及无线 LAN的无线通信技术”，所以民用化的呼声很高。在 2002年 2月 24日，美国联邦通信委员会 (FCC)批准了超宽带无线技术的民用许可，目前，国内外许多研究小组正在致力于 UWB通信的民用化研究。 1.1、 UWB 的发展 UWB 技术的最初发展要追溯到上个世纪 50 年代末 ,当时林肯实验室 (Lincoln Laboratory)和斯佩里研究中心 (Sperry Research Center)正在开发相控阵雷达系统 ,试验中使用了所谓的巴特勒混合相位矩阵(Butler Hybrid Phasing Matrix)。在了解天线网络的宽带特性时 ,参考了 1/4波长横向电磁模式 (TEM)的 4端口互联特性 ,惊奇地发现该模式下各支路之间并无耦合存在。这一发现激起了极大的研究兴趣 ,接下来着手分析微波 n2 端口 ,即所谓的双共轭网络特性。与此同时 ,Schmidt 和 PWPKing 也正在测量偶极子和共振环散射单元的脉冲响应 ,实验结果也说明了远场和驱动端口的响应近似于等间距的脉冲。这些发现和 Hallan 的研究有极大的相关性 ,Hallan 曾发现 ,用扫频源测量此类散射 单元时其频域幅度谱具有周期性。显而易见 ,这些微波网络时域和频域响应的一致性证明了测量结果是正确的。在 HP 的 Dr. Barney Oliver 的帮助下 ,该测量才得以完成。 Dr. J .Lamar Allen 将线性相反微波网络和天线的分析扩展到了铁氧体设备的研究 ,而后来的Dr .Harry Croson 又将其推广到时域计量学。 Rome Labs 的 AF、 USArmy、 Huntsville 都非常支持该项工作。 Drs. David Lamensdorf 和 Leon Suman 几乎同时用时域技术分析天线。当具有脉冲特征 和阶跃函数的脉冲源与天线刚刚被研制出来 ,Drs. C.Leonard Bennett 和 Joseph D .Delorenzo 就开始直接在时域研究目标的脉冲响应。 Dr. Delorenzo 提出了时域散射距离的概念 ,这已成为分析目标散射特性和天线的有利工具。俄亥俄州立大学的研究者利用离散频率合成其幅度和相位 ,在计算机上也做了大量的工作。 nts 2 实际系统研制最后的障碍就是门限接收机的设计。 70 年代初期 ,用雪崩击穿式晶体管和隧道二极管检测短持续时间的信号 (例如 ,100ps)。 Dr .a. Murray Nicolson 隧 道二极管恒虚警接收机成功地解决了这一问题。此类的接收机至今还在使用。 1970-1980年间 ,GeraldRoss与 Dr. Nicolson结合利用窄带脉冲技术与 FFT方法开发了测量微波吸收材料隐身特性的固定装置。 1978年研究方向转移到信号的通信 ,几百英尺内的语音信号无需同步就可以清晰的传输。 1984 1994年间 ,通信领域相当大的一部分工作由 Dr .Orbert J .Fontana-MSSI 现任主席负责 ,而 ANRO 则致力于 UWB 系统的反恐怖军事应用。 从 1960年到 1999年 ,已有 200多篇 UWB 论文 在 IEEE 上发表 ,获得 100多项专利。今天有越来越多的研究者投入到 UWB领域 ,商界对此也抱有浓厚的兴趣 ,在军事需求和商业市场的推动下 ,UWB技术将进一步地发展成熟起来。 1.2、 UWB 的定义 超宽带无线电 (ultra-wideband radio)是指具有很高带宽比 (射频带宽与中心频率之比 ) 的无线电技术。由于通常采用超短脉冲 (或冲激脉冲 )产生超宽带信号 ， 带宽比高于 100 % , 因而又称为冲激无线电。 众所周知 ， 一般的通信技术是把欲传输的信息信号从基带调制到载波上 , 所谓的宽带通信是指具有大的传输带宽或调 制带宽和高的数据信息传输率。而 UWB是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制 ， 从而具有 GHz量级的带宽。超宽带技术是一项革命性的无线通信技术 ， 它利用持续时间较短的电磁脉冲在较宽的频谱范围内低信噪比地传输数字数据信息 ， 具有较高的频谱利用率 ， 并解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题 , 同时开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量 (以每平方米每 Hz位数衡量 )的新无线信道。 1.3、 UWB 信号 图 1.1 典型高斯单周期脉冲的时域和频域波形 超宽带信号通常定义为 : 信号的分数带宽 (Fractional Band-Widths， FBW)大于 0.25，即信号带宽高于中心频率的 25 。对于无载波的超宽带信号 ， 分数带宽定义为 : nts 3 LHLH ff ffFBW )(2（ 1.1） 式中 ， Hf 和 Lf 由能量带宽 ( EB )给出 ， EB 是一频率范围 ， 在这个频率范围内 ， 信号能量占信号频谱总能量的 90 %或 95 % ， 该频率范围的上限频率用 Hf 表示 ， 下限频率用 Lf 表示。另一种 UWB信号的分数带宽的定义为 ： cfBFBW （ 1.2） 式中 ， B 为绝对带宽 ，cf为发射信号的载波或中心频率。图 1.1 显示了广泛应用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域波形。单周期的高斯脉冲时域和频域数学描述为： 26e x p36)( tteAtv （ 1.3） 222 6e x p232 fefjfv （ 1.4） 此处 是一个时间延迟长度 ， 此处等于脉冲的持续时间 (图中 取 0.5 10- 9 秒 ,即 0.5ns) 。由图 1.1可见 ， 典型的高斯脉冲的带宽已经大于 2GHz。 在实际的通信中，通常会发送连续脉冲来传输信息 , 当然有规则周期性的脉冲并不携带任何信息 ，相应地由于时域中信号的周期性，反而会使造成频谱的离散化 , 使频谱中产生强烈的能量尖峰 ， 这样会对传统的无线电设备和信号造成干扰。在 UWB脉冲发送时，比较适合用于调制的参量是脉冲的位置 ，即采用脉冲位置调制 (Pulse Position Modulation , PPM) 。 1.4、 UWB 无线通信的基本原理 图 2.1 UWB的 PPM跳时模式图 典型的脉冲位置调制 (PPM)的跳时方式为： j k Njckjfk sTcjTtxtS /)( （ 1.5） nts 4 式中 )(tx 发射脉冲波形 ， 以发射机时钟为起始点 ； 上标 k 彼此独立的发射机的数量 ；fT脉冲重复时间 ， 因此 j fjTtx 时间间隔为fT的脉冲串。为了避免因多址接入而产生的脉冲碰撞 ， 每个用户使用一个特定的时跳模式 kjc， 此时跳模式 kjc为相互正交的伪随机序列或称为时跳码 ；cT 可设定的延时时间。而时跳码是周期性的且周期为sN， 则时跳码有如下特性 kjK iNj cc s （ 1.6） 假设 kjc为整数 且hkj Nc 0和fch TTN ， 则fch TTN /表示在时间fT内允许进行时跳的时间比例。当fch TTN /的值小于 1但接近于 1时 ， 碰撞发生的概率极小。由于时跳码的周期为sN， 则 j ckjf TcjTtx周期为fss TNT 时 ， 跳时码进一步平滑了功率谱密度。 kj为第 k个发射机发射的二进制符号信息。通常情况下系统采用过采样调制 ， 即符号为 0时 ， 被调制的单脉冲没有附加时移 ，当符号为 1时 ， 被调制脉冲有 的附加时移。数据调制同样平滑了随机时跳码调制后的功率谱密度。在时域无线通信系统中如有uN个用户 ， 则接收到的信号可表示为 tntSAtr uNk kkk 1 （ 1.7a） 式中kA 第 k个用户信号经过信道传输至接收机的传输损耗 ：k 第 k个用户信号经过传输路径后的时延 ： )(tn 高斯白噪声。对于第 k个用户来说 ， 接收机接收到的信号可表示为 )()()( tntSAtr to tkkk （ 1.7b） 当系统完全同步时 ， 接收机以时间间隔sT检测到序列 )(tr ， 此序列包含有代表数据 kj的信息 ， 此时第 k个接收机的检测问题是一个标准假设检验问题。当 0)()(1)1( )1( ssfkfkNiiNjTjjT ckjfk dtTcjTtvtr （ 1.8） 时 ， 判决 kj。这里 txtxtv )( 为单脉冲的接收模板信号，且 1)1( )()()( ssNiiNj ckjfkb i tb i tb i t TcjTtvtxtxv （ 1.9） 为比特周期相关器所采用的接收模板信号。接收机的原理图如图 1.3 所示。 需要指出的是，当系统不止一个信源时 ， 接收所需信号的接收机模型不能简单的用 (1.9) 式来表示 ，其处理方式要复杂得多。 时域超宽带通信系统之所以具有良好的抗干扰能力 ， 是因为该系统采用了伪随机编码 ， 随机时间调nts 5 制和相关接收等方法 ,使其具有很高的处理增益。处理增益为射频带宽和信息带宽之比。对 CDMA ,一个 8kHz 的信息带宽的信息被扩展为 1125MHz 的信道带宽 ， 其处理增益为 156(22dB)， 而时间调制超宽带系统发射 8kHz 的信息则有 2G的信道带宽 ， 处理增益为 250,000(54dB) 。 图 1.3 接收机原理图 1.5、 UWB 的特点 （ 1） 抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与 IEEE802.11a、 IEEE802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下， UWB具有更强的抗干扰性。 （ 2） 传输速率高 UWB的数据速率可以达到几十 Mbit/s到几百 Mbit/s，有望高于蓝牙 100倍，也可以高 于 IEEE802.11a和 IEEE802.11b。 （ 3） 带宽极宽 UWB使用的带宽在 1GHz以上，高达几个 GHz。超宽带系统容量大，如果可以做到和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰，这在频率资源日益紧张的今天，将开辟了一种新的时域无线电资源。 （ 4） 消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗电能较大。而 UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按 0和 1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。 （ 5） 保密性好 UWB保密性表现在两方面：一方面是采 用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能接收到发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 nts 6 （ 6） 发送功率非常小 UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于 1mM的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这一特点大大扩展了 UWB的应用面。 1.6、 UWB 的应用 通常把无线电技术应用分为军用和民用。在 民用中， 目前 UWB的应用主要定位于短距离高速无线数据传输。 UWB可用于数字电视、摄影机、摄录一体机、 PC机、 机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网（ PAN, Personal Area Network）。总之，UWB定位于家用类设备和终端间的无线连接，家用类设备之多，决定了 UWB的应用之广。 UWB本来是为军事目的而开发的，而后的商机使 FCC批准其民用，并将 3.110.6GHz作为 UWB频带。UWB被批准民用后，众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上进行产品开发。如英特尔公司在 2002年就宣布成功试制出了采用宽带无线技术 UWB的系统，系统最大数据速率为 100Mbit/s，通信距离为 2m；IEEE802委员会已将 UWB作为个人局域网 PAN的基础技术之一来研讨；新加坡新龙公司在 2002年汉诺威CeBIT展览会上，演示了 UWB技术。 nts 7 第二章 超宽带通信系统组成 2.1、 超宽带通信系统的基本调制技术 图 2.1 单脉冲串时域波形及其频谱 图 2.2 脉冲位置调制及其频谱 为了携带上传输信息和采用匹配滤波技术进行优化接收 ， 发送脉冲串必须经过特殊的处理。除了上述的数据比特为 0时无附加时移和为 1 时有附加时移的调制方法外 ， 时间调制超宽带通信系统也可以采用下述的脉冲位置调制方 法。原理如图 2.2 所示。以 10Mpps 系统为例 ， 无信息加载时 ， 脉冲以间隔100ns 均匀出现 ， 当传输信息时 ， 数字比特 1 比正常间隔早到 100ps ， 数字比特 0 比正常间隔迟到 100ps，这时， 接收机同样可采用相关接收技术。 2.2、 全双工 UWB 通信系统 与常规无线通信系统相比 ， 超宽带通信系统具有宽频带、低平均功率、优良的抗检测性能和多径分辨能力等特点；与其它具有 GHz带宽的通信技术相比 ， 超宽带通信比红外通信具有更强的穿透能力 ， 比毫米波通信成本更低。由于上述特征的存在 ， 我们不可能通过改进常用的双工方法来实 现全双工 UWB通信系统。下面介绍采用脉冲交错技术来实现全双工 UWB通信系统。 超宽带通信系统全双工传输的目的是提供类似于电话又不同于常规无线电话的双向信息传输。因为它利用完全 (或至少大部分 )的电磁谱 ， 所以需要一种新技术而不是频分双工（ FDD） 的传统方法 ， 因此提出了脉冲交错技术加以解决。 图 2.3 是一个有代表性的全双工冲激无线电通信系统框图。第一个收发信机由发射机 T1 与接收机R1 组成 ； 第二个由发射机 T2 与接收机 R2 组成。发射的信号通过媒介 (空间或电缆等 ) 在 T1 与 R2， T2nts 8 与 R1之间传播。如图 2.4所示 ， 发射 机 T1发送出一串已调制的脉冲 ， 接收机 R1在脉冲的间隔时间内接收 T2发送的脉冲。 图 2.3 全双工 UWB通信系统 图 2.4 脉冲交错 这种实现的复杂性在于收发信机 (收发信机 1， 2)在某一范围内 ， 对一个或另一个信号保证能正确地同时收发 ， 但是在所允许功能的接收机内 ， 同时收发需要大量的动态范围。就是说由脉冲重复速率决定的离散区域里，同时收发对于每个收发信机是必要的。如图 2.5， 脉冲 ( T1 发 送的 )与脉冲 ( T2 发送的 )在相互紧接的位置 (这里把它称作争用区域 )上准确通过。这里存在实际不能移动的一系列争用区域。即使一个或两个收发信机都移动 ， 仍将产生争用区域。 图 2.5 脉冲传送 根据上述情况 ， 关于脉冲交错的信号捕获问题 ， 如图 2.6 所示。 T1 开始发射信号到 R2， R2 扫描检测并通过扫描装置获得同步。一旦 R2 同步 ， T2 开始发射 ， 然后 R1 扫描检测。如果 R1 正好工作在争用区域 ， 它就不会与 T2 同步。因此 ， 在它得知是否用 10ns 或 100 ns 的发射机接收时延之前 ， R1 必须等待一个来自 T1 的确认消息 ACK。如果收不到或某一段时间后收不到 ACK， T2 暂停发射 ， 并用 100 ns 延时发射脉冲 ， 再进行一次捕获 ， 这样形成一个有条件的循环。如果 T1 发送 ACK， R2 就译码捕获信息 ，T2 再回复一个 ACK。通信链路建立 ， 两收发信机同步。 由于移动环境带来了独特的争用区域问题 ， 因此下面的方案将明确地解决移动环境问题 ， 而且直接规定怎样免除死锁与争用区域问题。目前较好的方案是短脉冲串交错方法 ， 见图 2.7， T1开始发射短脉冲串 ， 如 10 s一个长度。在目前已有的实现中 ， 1个短脉冲串在 2 Mpps (pps 指 pulses per second， 1 Mpps = 每 s 有 1000 000个脉冲 )中有 20个脉冲或在 5 Mpps 中有 50个脉冲。由于传播时延 (也就是距离延迟 ，约等于 0.3048 m/ ns) 与 R2 扫描延迟， R2 在一段时间后接收到第 1个脉冲串。 在接收的短脉冲串的最后 ， R2 获得同步。 T2再发射包含信息调制的短脉冲串，经过与 R2 相同的距离延迟， R1扫描检测后并获得同步。如果短脉冲串间隔时间足够，即使两收发信机的位置不同，间距不同，也决不会发生短脉冲串碰撞。短脉冲串延迟的标准足够容纳来回路径 延迟与短脉冲串宽度。实际上 ，在接收机用尽全部接收时间且还未请求再次发射时，短脉冲串间隔应尽量的远。 nts 9 图 2.6 脉冲交错的信号捕获 图 2.7 短脉冲交错 2.3、全双工 UWB 通信系统规范实现 2.3.1 发射机 TM-UWB 发射机由一个工作在数字模式下的晶体管构成 ,晶体管在状态“ 0”和“ 1”之间跳变 ,从而产生阶跃波形脉 冲 ， 阶跃脉冲经过低通滤波器后很容易得到单脉 冲波形。与常规的窄带发射机不同的是 TM-UWB 发射机没有线性放大器 ,如图 2.8(a) 所示。 TM-UWB发射机 T1与 T2的具体实现见图 2.8（ b）。一个时间基准单元 ， 产生周期时钟信号 A 去时延调制器 ,时延调制器把周期时钟信号 A与来自信息源的信息信号 B进行调制，得到一个调制时钟信号 C，送码时间调制器，码时间调制器用 PN码调制 C，再输出一个调制编码过的信号 D到输出单元，已调制编码的信号 D触发输出单元，经天线将其转换成电磁脉冲 F发射出去。 图 2.8(a) TM-UWB发 射机示意图 nts 10 图 2.8(b) 全双工 UWB无线通信系统框图 2.3.2 接收机 TM-UWB发射机 R1 与 R2 的具体实现见图 2.8。 接收天线接收经信道传输的 UWB信号 G， 经传输线耦合到相关器 ； 接收机还有一个译码调制器 /译码源与可调整的时间基准 (包含压控振荡器与可变时延产生器 )， 译码调制器译码源产生一个与 PN 码一致的译码信号 H， 这里的 PN 码是与接收机通信的发射机使用的 PN码，可调整时间基准产生周期信号 I， I是与接收信号 G波形相同的模板信号脉冲序列。相关器检测过程 ： 先将接收信号 G与译码信号 H 进行相关操 作，再积分产生一个基带信号 K， 基带信号 K一路经解调器产生一个解调信息 L， L 实质上就是发射机发射的信息；另一路经低通滤波器产生一个误差信号 M，去捕获与同步控制器，提供一个小相位差到可调时间基准。 图 2.9 应用短脉冲交错技术的收发信机框图 图 2.9 是应用短脉冲串交错技术的收发信机组成框图。发射机短脉冲串控制器与接收机短脉冲串控制器添加到收发信机基本结构框图中。这两个控制器可以是可编程控制 (用 EEPROM)。 一个用来调节调制编码信号位置 ， 另一个用来调节调制的周期时钟信号。捕获与同步控制器决定并提供脉冲交 错的时延。与此类似，在其它实现中，捕获与同步控制器和短脉冲串控制器能可编程控制脉冲重复速率与抖动窗。 全双工 UWB无线收发机是由一个发射 UWB脉冲的发射机与一个接收 UWB脉冲的接收机组成。为了nts 11 实现 UWB脉冲的同步收发 ， 需采用脉冲交错技术。它可避免发送的 UWB脉冲信号与接收到的 UWB脉冲信号间的相互干扰。除脉冲交错通信之外，短脉冲串也能在两个工作在交错模式下的收发信机间进行传输。 2.4、超宽带通信系统中的现存问题 虽然 UWB技术具有很多优点，但是实际应用中，特别是物理层，还有很多关键技术尚待解决。 (1) 频带方案设计 可选择单频带方案或多子带方案。单频带方案采用亚纳秒级的基带脉冲进行通信，无须载波调制，实现简单。多子带方案将 s 级的基带脉冲调制到一个或多个子带的载波上进行传输。多子带方案增加了系统复杂度，但频谱利用率高，能够实现更高速率传输。 (2) 收发信机脉冲波形设计 对信道建模，通过研究信道的特性，考察传统的升余弦等脉冲波形，设计合适的脉冲波形 ,使发送信号适合高速无线信道传播，尽量抑制带外辐射，减小符号间干扰。 (3) 信道编译码与交织技术 传统的编译码方式有卷积码和 RS码，最新的技术有 Turbo码 以及 LDPC（低密度奇偶校验码）等。传统的交织方案为块交织。实际中要求两者有效结合且易于实现，这就必须合理设计与编码相适应的交织方案。 (4) 调制技术 有很多调制方式可供选择，需要探索合适的调制方式，实现传输距离和系统吞吐量的最佳折中。目前研究主要集中在 PPM、 PSK、 M-PAM等调制方式上。 (5) 多址技术 可选方案包括时分、频分、码分以及它们的混合形式，例如 TH-CDMA、 DS-CDMA或 CSMA等。也可以考虑使用正交多项式来实现多址方案。 (6) 空时处理技术 将空间和时间处理有效结合，利用信号的 空间和时间特征，可以采用多天线阵列，能够提供阵列增益和分集增益。该技术提高了网络容量，并显著改善系统性能。 (7) 自适应调制与编码（ AMC）技术 根据信道的质量情况，选择最合适的调制和编码方式，并根据需要动态调节调制方式以及编码速率，将传输误码率控制在系统规定值以下。 (8) 定时同步技术 高的时间分辨率增加了对同步精度的要求，这就需要设计相应的同步算法，以求提高同步精度，同时避免高复杂度。 (9) 信号检测处理技术 为了对抗多径传播和衰落，可以分别采用信道估计、 RAKE接收、多用户检测等信号处理技术。通过信道估计得到不同路径的时延、衰落幅度和相位等信息，合理设计 RAKE接收机对多径信号进行合并。nts 12 多用户检测性能最优，但是复杂度太高，需要进一步实用化。 (10) 抗干扰技术 为了与现有的多种无线通信系统共存，必须解决与 IEEE 802.11a 以及室内无绳电话等设备的互干扰问题，要求这些设备都能正常工作。 nts 13 第三章 超宽带通信系统的调制方式与多址接入 3.1、超宽带通信系统的调制方式 UWB系统有多种调制方式，主要有： 脉幅调制 PAM 跳时脉位调制 TH PPM 跳时 BPSK调制 TH BPSK 直扩 BPSK调制 DS BPSK 3.1.1、脉幅调制 PAM 用 )(tp 表示 UWB信号的波形，发送的短脉冲序列 )(ts 在时间轴上均匀分布， T为每个脉冲的时间间隔，第 k个脉冲发送的时刻是 kTt ，发送的数据控制 UWB脉冲信号的幅度k，则 PAM调制的 UWB信号 )(ts 为： k k kTtPtS )()( （ 3.1） 设发送的数据为独立同分布的随机变量，计算 )(ts 的自相关函数可求得信号 )(ts 的 PSD函数 f为： kTkfTkPTfPTf /)/()()( 22222 （ 3.2） 其中 2和分别是k的方差和均值， )(fP 是 )(tp 的傅氏变换， )(t 是冲激函数。可见， PAM的PSD包含连续谱和离散谱两部分，离散谱线的间隔是 1/T。 3.1.2、跳时脉位调制 TH PPM TH PPM调制方式中，脉冲的发送间隔 受两个参数控制，一个是伪随机序列，另一个是发送的数据。设系统内有uN个用户，第 k个用户发送的 TH PPM信号为： nts 14 )()( )( /)()( jk NjckjfktrsTcjTtxtS （ 3.3） 其中，fT和cT为帧持续时间和位持续时间，fT一般在几十 ns到几百 ns之间，cT一般在 0.20ns-1.5ns 之间， kjc为第 k个用户的伪随机序列，分布在hN0之间， kjc的周期为sN，定义fss TNT ，它是 )(tSktr 的周期， kj 为用户的信息位， z 表示取 z的整数部分， j是帧号，发送数据为 “1” 时，脉冲发送时间比调制数据为 “0” 时延迟 秒。fT一般远大于cT，且fch TTN ，保证每一帧只传送一个脉冲波形。 无调制数据时 )(tSktr的 PSD函数 f 为： k sDs TkffCfxTf 22 )(1 （ 3.4） 其中， 210(2e x p pNn ckmf TCnTfjfC 。 可见， )(tSktr在无调制数据时存在离散谱线，谱线间隔是sT/1，它的包络是 2fx 和 )(fC 两个因子的乘积其中， 2fx 是信号 )(tx 的能量谱密度函数， )(fC 由跳时序列决定。 3.1.3、 跳时 BPSK 调制 TH BPSK 设系统内有uN个用户， kjc为第 k个用户的伪随机序列，分布在 10 hN之间，第 k个用户的信号波形是 10sNj ckjfk TCjTtWtS （ 3.5） 第 k个用户发射的信 号为： fsskik Nikk TNNitSdAtxs / （ 3.6） 其中， 1,1kjd代表用户信息， z 表示取 z的整数部分， )(tW 是发送的脉冲波形。 如果数据序列是分布为独立同分布，且均值为零的随机变量，则 TH BPSK调制的 UWB信号 PSD函数 f 中仅包含连续谱，不含离散谱。 nts 15 3.1.4、直扩 BPSK 调制： DS BPSK 设系统内有uN个用户， 1,1kj代表用户信息， kA 是扩频码序列，周期为xN，fT和cT为帧持续时间和位持续时间，且cf TT /等于xN，第 k个用户发送波形为： cfkniNnkikk nTiTtxAPtS r 10 （ 3.7） 如果数据序列是分布为独立同分布，且均值为零的随机变量，则 DS BPSK调制的 UWB信号 PSD函数 f 中仅包含连续谱，不含离散谱。 表 3.1列出了 PAM、 TH PPM、 TH-BPSK、 DS BPSK调制实现的难易程度、离散谱线的间隔大小、低检测 /低截获 LPD/能力强弱及对现有无线电影响大小。 PAM TH PPM TH BPSK DS BPSK 实现的难易程度 易 中 中 中 离散谱线的间隔 小 中 信号独立同分布， 无离散谱线 信号独立同分布， 无离散谱线 LPD/I能力 弱 中 强 强 对现有无线系统影响 大 中 小 小 表 3.1 PAM、 TH-PPM、 TH-BPSK、 DS-BPSK调制的性能比较 3.2、超宽带通信系统的多址接入原理 多址通信的数字基础 信号正交分割原理，也就是信道分割理论，即：赋予各个信号不同的特征，然后根据各个信号特征之间的差异来区分不同的用户，实现互不干扰的通信。它们在通信过程中都包括多个信号复合（或混合），复合信号在信道中传输及分离（分割）。在多点之间实现双方通信与点到点的通信在技术上有所不同，随着社会的发展和 技术的进步，通信已由点到点通信发展到任意点、任意时间与任意对象进行信息交换，由此进一步促进了多址通信技术的迅速发展。 信道分割有两方面的要求：一是在采用各种手段（如调制、编码、变换等）赋予各个信号不同的特征时，要能不失真地还原各个原始信号，即这些手段应当是可逆的；二是要能分得清各个信号。所谓“分得清”，就是在分割时，各个信号之间互不干扰，从本质上讲就是要求在分割域内的各个信号相互正交。 3.3、超宽带通信系统多址接入的方式 超宽带通信系统多址接入的方式有很多，常见的方式有以下几种： 直接序列扩频方式 跳 频方式 跳时方式 nts 16 正交多项式方式 3.3.1、直接序列扩频方式 直接序列扩频（ Direct Sequence Spread Spectrum）又称直扩（ DS）。它与传统的调制方式相比较，发端多了扩频调制，收端多了扩频解扩。信息调制常用移相键控，如 BPSK， QPSK， OQPSK 等。扩频调制是用高速率的伪随机码序列与信息码序列模 2加后得到的序列。 图 3.5就是直扩系统的原理方框图。 图 3.5 直扩系统的原理方框图 在发送端信息码经扩频通信系统后进行频谱变换。伪随机码可以利 用 m 序列产生。在接收端用一个和发送端同步的伪随机码与接收到的信号进行相关处理，相关器输出的中频信号经中频电路和解调器，恢复原基带数据信号。由 m 序列性质可知，只有当发端、收端是用同一地址码时，自相关函数输出值才最大，反之很小。该方式同其他工作方式比较，实现频谱扩展方便，因此是一种最典型的扩频系统。 3.3.2、跳变频率扩频方式 跳变频率扩频（ Frequency Hopping Spread Spectrum）又称跳频（ FH）。它是用伪随机码构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的移频键控。跳频指 令由所传信息码与伪随机码模 2加的组合来构成，它又称为跳频图案。 跳频系统原理图如图 3.6所示。在发送端信息码与伪随机码调制后，按不同的跳频图案去控制频率合成器，使其输出频率在信道里随机跳跃地变化。在接收端，为了对输入信号解跳，需要有与发端相同的本地伪随机码发生器构成的跳频图案去控制频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收到的跳频信号差频出一个固定中频信号。经中频放大器后，送到解调器恢复出原基带数据信号信息。 nts 17 图 3.6 跳频系统原理图 3.3.3、跳变时间扩频方式 跳变时间扩频（ Time Hopping Spread Spectrum）又称为跳时（ TH），该系统是用伪随机码序列（ PN）来控制信号的发射时刻和持续时间。 跳时技术是超宽带无线电通信技术中的一个重要组成部分 ,它在超宽带无线电通信系统中起着至关重要的作用。跳时序列是超宽带无线电实现多址通信的来源，跳时序列族中序列的数目直接决定了该通信系统中用户的数目，同时它也是系统同步与信道检测的可靠保证，所以跳时序列性能的优劣直接影响到整个超宽带无线电通信系统性能的好坏 ， 与扩频系统相比 ， 时域通信系统结构简单 ,成本相对较低 。 然而，跳时序列虽然使得超宽带无线通信系统具有了多址能力，但它同时也不可避免地带来了多址干扰。目前，人们对超宽带无线通信系统性能的研究，都是将多址干扰看作独立同分布的零均值高斯噪声考虑，而没有分析跳时序列相关性能的因素。 3.3.4、正交多项式 以上介绍了一些常规的多址接入方式，我们还可以考虑用正交多项式生成超宽带通信系统的发射脉冲来实现多址通信。 （一）正交多项式概念 定义 1 设 bagf , , 为 ba, 上的权函数，若满足 ba dxxgxfxgf 0)()()(),( (3.8) 则称 f与 g在 ba, 上带权 正交。 nts 18 定义 2 设n是 ba, 上首项系数 an 0 的 n 次多项式， 为 ba, 的权函数，如果多项式序列 0: nn 满足 bajjiji jiAjidxxxx,0)()()(, (3.9) 则称为多项式序列 0: nn为在 ba, 上的带权 正交，并称n为 ba, 上带权 的 n 次正交多项式。 这样，我们就可以假设：若空间区域 ba, 存在有一正交并且完备的函数集，则可以将该函数集中的不同正交函数分配给不同的用户，利用多 项式的正交性来区分不同用户以实现多址通信。 （二）几种典型的 多项式 典型的多项式有 Legendre 多项式、 Chebyshev 多项式、 Laguerre 多项式和 Hermite 多项式。由于Legendre 多项式和 Chebyshev 多项的区间是 1,1 ， Laguerre 多项式的区间是 ,0 , 而 Hermite 多项式的区间为 , ，考虑到区间的限制，我们通常使用修正的 Hermit 多项式产生 UWB 通信系统的多 用户发送脉冲，由于这些脉冲彼此正交，当不同用户采用不同的脉冲波形时，用户身份将确定。 下面我们将修正后的 Hermit 多项式应用到 UWB 通信中，用来产生正交波形，实现多址通信。 Hermit 函数定义为： （ 3.10） 这里， tn ,2,1 ，叫做 Hermit 多项式。这个多项式的一个例子可以写为： （ 3.11） 与下列递推方