通信工程毕业设计论文

1、通信工程毕业设计论文(二4 超宽带无线的调制技术发射超宽带(UWB信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”(Impulse Radio,简写为IR。信息数据符号对脉冲进行调制,其调制方式可以有多种。脉冲位置调制(PPM和脉冲幅度调制(PAM是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外,为了形成所产生的信号的频谱,还要用伪随机码或伪随机噪声(PN对数据符号进行编码。一般是,编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移,这就是所谓的跳时超宽带(TH-UWB,Time-Hopping UWB。直接序列扩谱(DS-SS就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制,这

2、在冲激无线电(IR中被称为直接序列超宽带(DS-UWB,Direct-Sequence UWB,这种调制方式似乎非常有吸引力1。对于超宽带信号,也可以通过很高的数据速率来产生而根本不需要具备脉冲的特性。只要UWB定义所要求的相对带宽或最小带宽在整个传输过程中得到满足,那么,靠发射高速率数据而不是窄脉冲所产生的具有UWB射频带宽的系统,就不应该被排除在UWB 系统之外。诸如正交频分复用(OFDM,在数据速率适当的情况下也可产生UWB信号。因此,OFDM也是一种超宽带的调制方式。本文主要讨论TH-UWB、DS-UWB和OFDM调制方式。4.1 PPM-TH-UWB 调制方式在结合了二进制PPM的T

3、H-UWB(二进制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB中,UWB 信号的产生可以系统地描述如下(参见图4-1描绘的发射链路 1。SHAPE “* MERGEFORMAT图4-1 PPM-TH-UWB信号的发射方案给定待发射的二进制序列b=(,b0,b1,bk,bk+1,其速率Rb=1/Tb (b/s,图4-1中的第一个模块使每个比特重复Ns次,产生一个二进制序列(,b0,b0,b0,b1,b1,b1,bk,bk,bk,bk+1,bk+1,bk+1,=(.,a0,a1,aj,aj+1,=a新的比特速率Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s。这个模块引入了冗余,其实是一种被称为重复码的(N

4、s,1分组编码器。一般术语上称为信道编码。第二个模块是传输编码器,就是应用整数值码序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,和二进制序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,产生一个新序列d,序列d的一般元素表达式dj=cjTc+aj (4-1式中,Tc和是常量,对所有的cj满足条件cjTc+ Ts,通常Tc。这里的d是一个实数值序列,而a是二进制序列,c是整数值序列.现在我们遵循最常用的方法,假定c是企业界随机码序列,它的元素cj是整数,且满足0 cj Nh-1。码序列c可能为周期序列,其周期表示为Np。两种特殊情况值得讨论。第一种,码是非周期的,即;第二种是Np=Ns,这是最常用的一种,这时的

5、编码周期与二进制码重复的次数相等。我们必须牢记:传输编码扮演了码分多址编码和发射信号的频谱形成双重角色1。实数值序列d输入到第三个模块,即PPM调制模块,产生了一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts(脉冲/s的单位脉冲(Dirac pulses 序列。这些脉冲在时间轴上的位置为,因此脉冲位置在jTs基础上偏移了dj,脉冲的发生时间也可表示为( 。注意是码序列对c信号引入了TH位移,也正因为此,c被称为TH码。还要注意一点就是由PPM调制引起的位移,通常比TH码引起的位移cjTc小得多,即:,cj=0除外。Tc称为码片时间(chip time。最后一个模块是脉冲形成滤波器,其冲激响应为。必须保证脉

6、冲形成滤波器输出的脉冲序列不能有任何的重叠。以上所有系统级联以后的输出信号可表示(4-2比特间隔或比特持续时间,也即用于传输一个比特的时间Tb,可表示为:Tb=NsTs。在式(4-2中,cjTc定义了脉冲的随机性或者说是相对于Ts整数倍时刻的抖动。如果用随机TH抖动来表示由TH编码cjTc引起的时间上的位移,并假定在0和之间分布,则可得到(4-3正如前面提到的,通常远大于。这两个量的整体效果是产生一个分布在0和之间的时间随机位移量,用表示这个时间随机位移,可得发射信号的如下表达式(4-4更一般性地概括式(4-2所表示的信号,其思想是:对于信息比特“0”和“1”,可以发射两个不同的脉冲波形和来分

7、别表示。上面分析的PPM调制的例子,引入了这个时间位移量,它的值根据它所代表的比特而有所不同,其实是上述思想的特殊例子,其中的是位移以后的波形。一种更一般的表达式(4-5当将设置为- 时,式(4-5也表示了PAM和TH-UWB的结合,即PAM-TH-UWB模型1。系统模型如图4-2所示SHAPE “* MERGEFORMAT图4-2 PPM-TH-UWB 发射器的系统模型图4-2中的第一个模块表示二进制源。这个模块的输出是发射到物理信道的二进制流。第二个模块表示重复码编码器。二进制流的每一个比特都被重复次。第三个模块仿真TH编码和二进PPM。这里考虑伪随机TH码。最后一个模块是脉冲形成。这个模

8、块的冲激响应表示要发射的UWB信号的基本脉冲波形1。图(4-3显示了参数设置如下时所产生的UWB信号以dBm为单位的平均发射功率Pow,信号的抽样频率fc,由二进制源产生的比特数numbits,平均脉冲重复时间Ts(单位为秒,每个比特映射的脉冲数Ns,码片时间Tc(秒,跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm, 脉冲波形形成因子tau(秒,PPM时移dPPM(秒。Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=3e-9, Ns=5,Tc=1e-9, Nh=3, Np=5, Tm=0.5e-9, tau=0.25e-9,dPPM=0.5e-9由图4-3中

9、可以看到输出序列的前五个脉冲在其对应时隙的中间位置,而后五个脉冲则在其对应时隙的起始位置。图4-3 PPM-TH-UWB 发射机产生的信号图4-4 PPM-TH-UWB的幅度谱由图4-4可以看出,TH编码和PPM调制都对幅度谱的高斯形状产生扭曲。PPM-TH-UWB信号的幅度谱将完全包含在无TH编码和无PPM调制的幅度谱包络中,这是因为以同样的形状和同样的平均功率传输等间隔脉冲的结果。4.2 PAM-DS-UWB调制方式直接序列扩谱(DS-SS是一种着名的数字调制方式。这里,我们先回顾DS-SS 的基本原理,并把主要精力放在它在UWB的延伸方面。具有UWB特性的信号可以通过下面的过程产生:首先

10、,用伪随机码或二进制PN 码序列对要发射的二进制进行编码;其次,对一串窄脉冲进行幅度调制。这一过程可以看做是目前使用DS-SS系统的一种极端方式,此时脉冲在时域上是具有典型时间的奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远小于切普间隔,很容易得到DS-SS-UWB的解析表达式。在传统的DS-SS系统中,RF发射信号是对载波进行幅度调制后得到的,通常使用二进制相移键控BPSK方式。而在DS-UWB中,如果没有专门的要求,这一过程可省略。1更详细地,上述信号可以通过如下过程产生(见图所示发射链路。SHAPE “* MERGEFORMAT图4-5 PAM-DS-UWB 信号的发射方案假定待发射的二进制序列b

11、=(,b0,b1,bk,bk+1,其速率为Rb=1/Tb (b/s,图4-5中的第一个系统将每个比特重复Ns次,得到序列:(,b0,b0,b0,b1,b1,b1,bk,bk,bk,bk+1,bk+1,bk+1,=a*,其速率为Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s。与TH方式相似,系统引入的冗余相当于一个参数为(Ns,1的重复码编码器。第二个系统将a*序列转换成只含有正值和负值元素的序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,转换公式为:( .发射编码器将一个由1组成、周期为Np的二进制码序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,应用到序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,产生一个新序列d=a&#

12、183;c,其组成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns,更具一般性的假定是Np等于Ns的整数倍。注意,序列d的元素值为1,这一点与序列a相同,其速率为Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s。序列d进入第三个系统PAM调制器,产生一个速率为Rp=Ns/Tb=1/Ts (脉冲/s的单位脉冲(Dirac脉冲序列,其位置在jTs处。调制器输出的信号进入冲洲响应为p(t的脉冲形成滤波器。在传统的DS-SS系统中,冲激响应p(t是持续时间为Ts的矩形脉冲。而在DS-UWB系统中,与TH方式相似,p(t是持续时间远小于Ts的脉冲。以上系统级联后的输出信号可以表示为(4-6注意,与TH方式相似,比特间隔或比

13、特持续时间,即传输一个比特所用的时间是Tb=NsTs。输出的波形显然是一个PAM波形。很容易知道,由于没有时移而且脉冲以规则的时间间隔出现,计算式(4-6所示信号的PSD要比计算式(4-2所示信号的PSD更容易。上述方式的一种变形是使用PPM调制器代替PAM调制器,得到的信号可表示为(4-7注意到在式(4-7中,由于码的伪随机特性,编码会起到白化频谱的作用。其系统模型如图4-6所示.SHAPE “* MERGEFORMAT图4-6 PAM-DS-UWB 发射机系统模型图4-6中的前两个模块分别表示二进制源和重复码编码器。第三个模块是在重复码编码器的输出端实现DS编码和二进制PAM调制。我们考虑

14、伪随机DS码,分配给一般用户的是长度为NP的二进制码序列。最后一个模块是脉冲形成器1。图4- 7 由PAM-DS-UWB发射机产生的信号图(4-7显示了参数设置如下时所产生的UWB信号以dBm为单位的平均发射功率Pow,信号的抽样频率fc,由二进制源产生的比特数numbits,平均脉冲重复时间Ts(单位为秒,每个比特映射的脉冲数Ns,码片时间Tc(秒,跳时码的码元最大值Nh和周期Np,冲激响应持续时间Tm, 脉冲波形形成因子tau(秒,PPM时移dPPM(秒。Stx: Pow=-30, fc=50e9, numbits =2, Ts=2e-9,Ns=10, Np=10, Tm=0.5e-9,t

15、au=0.25e-9,这个信号由两组脉冲序列组成,每组包含10个脉冲,每组映射信息源的一个比特。从图4-7中可以看出每二组的10个脉冲与第一组的10个脉冲在极性上是相反的。图4-8 PAM-DS-UWB的幅度谱由图4-8可以看出,幅度谱的包络具有基本脉冲的傅氏变换的形状,即高斯形状。且Np(信号每比特发射脉冲数值越大,图形分布越宽,即幅度峰值越小。4.3 OFDM调制技术多频带(MB方式与本章前两节分析研究的IR原理不同。根据2002年,FCC公布的UWB定义,带宽超过500MHz的信号都是UWB信号。因此,按照FCC规定的频带范围3.110.6GHz,将此7.5 GHz的带宽分割成最小带宽为

16、500MHz的若干个频带。为了尽量减小同窄带通信系统的相互干扰,UWB采用较小的功率,于是UWB信号对于窄带通信系统来说相当于热噪声,并不被窄带通信系统的接收机检测到,也可以避免特定频带上的非人为干扰1。在每个子频带内可以使用不同的数据调制类型,并不一定要用IR方式,正确的频谱带宽可以通过合适的比特速率实现。应用最广泛的是众所周知的正交频分复用(OFDM。一个已调的OFDM信号由调制在不同载波频率上的同个并行发射的信号组成。这些载波等间隔地位于频域上,其间隔为。OFDM调制器输入的二进制序列每K比特编为一组,以产生具有N个符号的数据块 ,这里假定是L个可能的取值中的一个,K=N1bL。最后,每

17、个符号调制一个不同的载波。为了并行传输数据块的N个符号,不同的调制载波信号在频率上必须正交。所有调制器使用相同的矩形波,其持续时间为T(4-8如果符号在星座图中的点用表示,OFDM信号中有N个符号的数据块的表达式如下1(4-9而相应的复包络是（4-10） 其中 ，S（t）是周期为 T0 的周期函数。 式（4-9）中 OFDM 信号的数字变换相当于传输式（4-10）中复数包络的抽样值，也 就是说传输序列可表示 （4-11） tc 是抽样周期。 仿真 OFDM 调制信号， 考虑的是 OFDM 各个载波使用 QPSK 调制的情况。 仿真整个发 射链路，产生式（4-9）的信号。 433 OFDM 仿真

18、结果及其分析 要发射的总比特数 numbits； 调制信号的中心频率 fp； 抽样频率 fc； 每个符号在其相 应载波上的传输时间 T0； 循环前缀的持续时间 TP；保护间隔时间 TG， 矩形脉冲响应 的幅度为 A， OFDM 系统的子载波数 N。 (1 numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; T0=242.4e-9; TP=60.6e-9; TG=70.1e-9; A=1; N=4; 图 4-9 OFDM-UWB 信号 图 4-10 OFDM-UWB 幅度谱 图 4-10 中的幅度谱由子载波的幅度谱叠加而成。 (2numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; T0=

19、242.4e-9; TP=0; TG=50e-9; A=1; N=2; 图 4-11 OFDM-UWB 信号图 图 4-11 OFDM-UWB 信号幅度谱 对比以上两图，可以看出，在同样的时间里为了传输更多的符号，是以增加带宽为 代价的，也就是增加子载波的数量。 4.4 总结 通过一系列的仿真,我们可以得出以下结论:PAM、PPM 两种调制方法主要是为了进行信 息数据符号对脉冲的调制，而信号中的伪随机 TH 码和 DS 码主要是为了产生信号的频谱， 使信号的功率谱密度在采用伪随机码调制后变得更加平滑，不能干扰到其它已经存在的窄 带系统。 OFDM 具有良好的抗多径干扰性能， 通过频率的合理选择

20、，能够同现存的窄带系 统和开放频段的通信系统具有很好的共存性，同传统的超宽带系统相比有很大的优势11。 5 性能分析及应用前景 5.1 脉位调制(PPM和脉幅调制(PAM 脉位调制(PPM是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散 数据符号的状态数可以分为二进制 PPM(2PPM和多进制(MPPM。在这种调制方式中，一个 脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有 2 个或 M 个，脉冲位置与符号状态一一对应。根据 相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的 PPM 和正交 PPM（OPPM） 。 在部分重叠的 PPM 中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关

21、函数的 负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在 OPPM 中，通常以脉冲宽度为间隔确定 脉冲位置。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于 UWB 系统的复杂度和功率限 制，实际应用中，常用的调制方式为 2PPM 或 2OPPM。 PPM 的优点在于：它仅需要根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度 和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM 是 UWB 系统广泛采用的 调制方式。但是，由于 PPM 信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。对 此超宽带信号的幅度谱仿真也证明了这一点。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足 FCC 对辐射谱的要求10。 脉幅调制（PAM）是数据通信系统最为常用的调制方式之一。在 UWB 系统