（通信与信息系统专业论文）超宽带系统中信号设计与频谱优化问题的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 超宽带( u w b ) 无线通信技术具有传输速率高、功耗低、定位精度高、抗多径能 力强等许多优点，已成为短距离无线通信领域研究与开发的热点。其中脉冲波形设 计和频谱控制是超宽带通信系统解决频谱共存和相互干扰问题的关键。本文提出一 种基于频谱优化的多脉冲正交调制( m p o p p m ) 高速超宽带系统，该系统由多路并行 p p m 与脉冲优化器组成。调制前由频谱优化器运用最小面积准则( l a c ) 对正交脉冲 的参数进行优化计算并调整，使脉冲频谱符合f c c 频谱模板要求。仿真结果表明， 这种超宽带系统不仅能够提高系统的数据传输速率，而且能够在不降低系统误码性 能的基础上，有效地提高频谱利用率。 关键词：超宽带( u w b ) ，频谱优化，正交脉冲，脉冲组合 a bs t r a c t s i n c et h eu l t r aw i d eb a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sl o t so fa d v a n t a g e s s u c ha sh i g hd a t at r a n s f e rr a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n d s t r o n ga b i l i t yo fa n t i m u l t i p a t ha n ds oo n ，i th a sb e e nt h es u b j e c to fe x t e n s i v er e s e a r c hi n t h es h o n r a n g ew i r e i e s sc o m m u n i c a t i o na r e a a m o n gt h e m ，p u l s ew a v e f o m d e s i g na n d s p e c t r a lc o n t r o li st h ek e yt 0s o l v et h ep r o b i e m s0 fs p e c t r u mc o e x i s t e n c ea n di n t e r f e r e r t h eh i g hd a t ar a t eu w b s y s t e mu s j n gm u l t i p l ep u l s e so r t h o g o n a lm o d u l a t i o nb a s e d0 n s p e c t r a lo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sc o n s i s t so fp a r a l l e lp p m b r a n c h e sa n ds p e c t r a lo p t i m i z e r t h eo n h o g o n a lp u l s e sa r ea d j u s t e db yt h eo p t i m i z e r w h i c hc a l c u l a t e st h ep a r a m e t e r sb a s e do nl 启a s ta r e ac r i t e r i o n ( l a c ) b e f o r em o d u l a t i o n i no r d e rt 0f o l l o wt h e r e q u i r e m e n t s o ff c cs p e c t r a lm a s k s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a nn o to n l yi n c r e a s et h ed a t at r a n s f e rr a t e ，b u ta l s oc a n e n h a n c et h es p e c t r a lu t j l i z a t i o no nt h eb a s i so fn o ti n c r e a s i n gt h eb e r z h a ij i a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d j r e c t e db yp r o f q i y i n c h e n g k e yw o r d s ：u i t r a w i d e b a n d( u w b ) ， s p e c t r u mo p t i m i z a t i o n ，o r t h o g o n a l p u l s e s ，p u i s ec o m b i n a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 超宽带( u w b ) 无线通信技术具有传输速率高、功耗低、定位精度高、抗多径能 力强等许多优点，已成为短距离无线通信领域研究与开发的热点。其中脉冲波形设 计和频谱控制是超宽带通信系统解决频谱共存和相互干扰问题的关键。本文提出一 种基于频谱优化的多脉冲正交调制( m p o p p m ) 高速超宽带系统，该系统由多路并行 p p m 与脉冲优化器组成。调制前由频谱优化器运用最小面积准则( l a c ) 对正交脉冲 的参数进行优化计算并调整，使脉冲频谱符合f c c 频谱模板要求。仿真结果表明， 这种超宽带系统不仅能够提高系统的数据传输速率，而且能够在不降低系统误码性 能的基础上，有效地提高频谱利用率。 关键词：超宽带( u w b ) ，频谱优化，正交脉冲，脉冲组合 a bs t r a c t s i n c et h eu l t r aw i d eb a n d ( u w b ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nh a sl o t so fa d v a n t a g e s s u c ha sh i g hd a t at r a n s f e rr a t e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n d s t r o n ga b i l i t yo fa n t i m u l t i p a t ha n ds oo n ，i th a sb e e nt h es u b j e c to fe x t e n s i v er e s e a r c hi n t h es h o n r a n g ew i r e i e s sc o m m u n i c a t i o na r e a a m o n gt h e m ，p u l s ew a v e f o m d e s i g na n d s p e c t r a lc o n t r o li st h ek e yt 0s o l v et h ep r o b i e m s0 fs p e c t r u mc o e x i s t e n c ea n di n t e r f e r e r t h eh i g hd a t ar a t eu w b s y s t e mu s j n gm u l t i p l ep u l s e so r t h o g o n a lm o d u l a t i o nb a s e d0 n s p e c t r a lo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sc o n s i s t so fp a r a l l e lp p m b r a n c h e sa n ds p e c t r a lo p t i m i z e r t h eo n h o g o n a lp u l s e sa r ea d j u s t e db yt h eo p t i m i z e r w h i c hc a l c u l a t e st h ep a r a m e t e r sb a s e do nl 启a s ta r e ac r i t e r i o n ( l a c ) b e f o r em o d u l a t i o n i no r d e rt 0f o l l o wt h e r e q u i r e m e n t s o ff c cs p e c t r a lm a s k s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a nn o to n l yi n c r e a s et h ed a t at r a n s f e rr a t e ，b u ta l s oc a n e n h a n c et h es p e c t r a lu t j l i z a t i o no nt h eb a s i so fn o ti n c r e a s i n gt h eb e r z h a ij i a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d j r e c t e db yp r o f q i y i n c h e n g k e yw o r d s ：u i t r a w i d e b a n d( u w b ) ， s p e c t r u mo p t i m i z a t i o n ，o r t h o g o n a l p u l s e s ，p u i s ec o m b i n a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超宽带系统中信号设计与频谱优化问 题的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：匠塞必 日期：兰堂：j 墨 华北电力大学硕士学位论文 1 1 超宽带技术的发展历史 第一章引言 超宽带( u l t r a w i d eb a n d ，u w b ) 这个名称最早出现在1 9 9 0 年。当时，为了将使 用短时脉冲的雷达与传统窄带雷达区分开，美国d a r p a ( ，d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c h p r o j e c t sa g e n c y ) 将相对工作带宽在2 5 以上的雷达称为u w b 雷达1 1 1 。实际上，最 早的u w b 技术可以追溯到2 0 世纪初期。1 9 0 1 年，意大利工程师gm a r c o n i 成功 地利用火花放电产生的u w b 电磁波实现了越洋无线电报传输。然而在接下来的很 长一段时间，u w b 技术相对于窄带( n a 盯o wb a n d ，n b ) 技术却一直发展缓慢。这是 由于在当时的工艺和技术条件下，人们能够有效地产生、发送、和接收n b 电磁波， 却不能有效地控制u w b 电磁波的发送和接收i 引。 在2 0 世纪6 0 年代，一些美国科学家注意到在研究某些微波网络的宽带工作特 性时，传统的简谐频域分析不能给出具有清晰的物理意义的结论。然而，通过研究 和测量这些微波网络对输入u w b 激励信号的瞬态输出响应，能够方便地分析和理 解这些网络的工作特性。这促进了时域电磁学的发展和完善，并为u w b 技术的应 用开发提供了坚实的理论基础1 3 j 。而且，根据当时的工艺和技术条件，人们己经能 够有效地产生、发送和接收高功率的u w b 无线电波。由于u w b 电波的发送和接 收并不需要载波调制，因此u w b 技术在当时又被称为基带或无载波技术。随后， 一些研究机构将u w b 技术应用于宽带天线和雷达系统的研发中，取得多项专利【4 1 。 相对于n b 雷达，u w b 雷达具有许多优良的特征，例如高精度和良好的保密性等 等1 5 1 。因此，美国国防部开展了大量的关于军用u w b 雷达的研发工作。由于u w b 雷达的探测范围比较大( 往往在公里量级) ，因此当时的研发工作主要侧重于高功率 的u w b 雷达技术。 自从2 0 世纪7 0 年代，无线个人通信技术迅猛地发展，这使得无线频谱资源变 得越来越紧缺。为了更加有效地利用现有的频谱资源，研究人员们提出了大量的新 型频谱复用技术。在1 9 9 3 年，美国学者r a s h o l t z 等注意到低功率u w b 通信系统 可以用于短距离无线个人通信，并且能够与传统n b 通信系统共享频谱资源，从而 显著地提高了频谱资源的利用率【酬。这是由于u w b 通信系统占用的频带非常宽， 因此通过降低发射功率，可以使u w b 通信系统的辐射功率谱密度降到很低，从而 使u w b 通信系统与工作在其频带内的n b 通信系统之间的相互干扰足够低。更重 要的是，u w b 通信系统具有一些优点，例如很强的抗多径衰落能力、能够集成定 位测距功能等等，这些都是n b 通信系统不具备的i 7 1 。 1 9 9 8 年8 月2 0 日，美国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 ) 就u w b 无 1 。 华北电力大学硕士学位论文 线设备对原有n b 无线系统的干扰及其电磁兼容问题丌始广泛征求业界意见。在美 国军方和航空界等持有众多不同意见的情况下，f c c 仍然在2 0 0 2 年2 月1 4 日批准 了u w b 技术可以应用于短距离无线通信、地透雷达、穿透成像和测量等方面i s j 。 f c c 将u w b 系统定义为带宽在5 0 0 m h z 以上、或者相对带宽在2 0 以上的系统， 这种定义己经得到了研究人员们的广泛认可。f c c 也制定了针对u w b 无线系统的 频谱管理规则。随后，欧洲、日本、新加坡等地陆续颁布了针对u w b 无线系统的 频谱管理规则。这些频谱管理工作充分说明了u w b 技术具有巨大的潜力和广泛的 应用前景，并且引发了当今对u w b 技术的研发热潮。 1 2 两种主要的u w b 协议标准 世界各国和地区的频谱管理规则没有规定具体的u w b 协议标准。如今，研究 人员们提出了两种主要的u w b 协议标准。一种是脉冲u w b 协议标准【6 1 。这种协 议标准使用一组短时脉冲传输信息，这些脉冲具有u w b 特征，而且符合频谱管理 规则。这种u w b 信号采用b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) 、p a m ( p u l s ea m p l i t u d e m o d u i a t i o n ) 、或p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 调制信息符号，即通过脉冲极性、 幅度、或时间移位调制信息符号。当存在多个用户时，这种u w b 系统采用t h f t i m c h o p p i n g ) 或d s ( d i r e c ts e q u e n c e ) 扩频允许多个用户同时传输。t h 扩频使不同用户在 不同时刻发送脉冲，而d s 扩频对用户的脉冲极性进行编码。两种扩频方式都能降 低不同用户的信号之间的相关性，因而都能降低用户之间的相互干扰。脉冲u w b 信号降低了系统的实现复杂度，并且能够实现定位测距、穿透成像等等功能。然而， 脉冲u w b 技术对天线设计、兼容共存技术、信号设计等等方面提出了一些新问题。 另一种是多带u w b 协议标准。这种协议标准将u w b 工作频带分为很多个窄 频带，然后在每个窄带上以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 nm u l t i p l e x i n g ) 调制 方式传输信息符号。多带u w b 信号的符号持续时间较长，具有较强的抗符号间干 扰能力，因此适用于高速数据传输。多带u w b 信号能够动态地调整占用的频带， 从而灵活地与其他n b 系统兼容共存。然而，多带u w b 技术却提高了系统的实现 复杂度和功耗。脉冲u w b 协议标准己经成为面向低速w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a lm e a n e t w o r k ) 的i e e e 8 0 2 1 5 4 a 协议的物理层标准的主要候选协议。脉冲u w b 协议标准 和多带u w b 协议标准都试图成为面向高速w p a n 的l e e e8 0 2 1 5 3 a 协议的物理层 标准，然而业界对两种方式的支持势均力敌，每种方式都没有争夺到最后的标准制 定权，i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组也因为一直无法确定哪种方式作为最后标准而宣告解 散。目前，业界正在积极研发采用各自标准的产品，将最后的标准制定权交给市场。 1 3i j w b 通信系统的优点和应用 超宽带系统通过传送一系列持续时间极短的窄脉冲( 纳秒级) 来传送信息，从而 2 华北电力大学硕士学位论文 将发射能量以极低的功率谱密度( 背景噪声以下) 扩展到极宽的频带内。由于占据极 宽的频带带宽，超宽带通信具有常规窄带系统所没有的独特优点： ( 1 ) 具有高的数据传输速率和空间容量。根据著名的s h a n n o n 公式，高斯信道下 单用户的数据速率可达：c = b l 0 9 2 ( 1 + 孙( d ) ) 。按照f c c 分配的带宽p = 7 5 g h z ) 和允许的最大发射功率谱，可以很容易地计算出u w b 的高斯容量【9 l 。在较短的传 输范围内( 1 1 0 m ) ，超宽带技术的数据速率显著优于8 0 2 1 l a 和蓝牙技术。实际上， 在传输距离增大时，超宽带容量的快速下降主要是由发射功率受限引起的。如果放 宽对发射功率谱的限制，超宽带技术仍然有希望在较大的距离范围内提供高速率的 数据传输( 比如5 0 m ) 【1 0 l 。另一方面，无线通信的发展趋势使得对系统容量评价不仅 仅是考虑点对点之间的数据传输率，空间容量( 每平方米的数据传输率) 也成为重要 的衡量指标。通过采用多址方式( 比如跳时多址【1 1 1 、直接序列扩展多址【1 2 出】以及两 个的组合1 1 6 1 ) 来区分不同的用户，超宽带技术可以组成类似d s c d m a 的网络，实 现很高的空间容量。据报告【1 7 l ，i e e e 8 0 2 1 l b 的空间容量约为1 k b i t s s m 2 ，蓝牙技术 的空间容量约为3 0 k b i l s s 皿2 ，i e e e 8 0 2 1 l a 的空间容量约为8 3 k b j t s s 佃2 ，而超宽带 无线电的空间容量则高达1 m b i t s s m z 。 ( 2 ) 多径分辨能力强和路径损耗小。由于常规无线通信的射频信号多为连续信号 或其持续时间远大于多径传播时间，不利的多径叠加严重地影响了通信质量1 1 8 j 。而 超宽带技术由于将信号在极宽的频带范围内扩展，使得超宽带传输呈现出明显的频 率选择性衰落：多径分辨率可达1 纳秒甚至更小，接收信号中含有大量的可分离的 多径分量”j 。采用r a k e 接收结构可以有效地收集这些多径分量，从而充分利用 发射信号的能量来提高系统性能【2 0 2 1 1 。大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落 深达1 0 2 0 d b 的多径环境下，对超宽带信号的衰落最多不到5 d b 【1 8 】。 ( 3 ) 低成本多功能一体化的收发信机。产生超宽带信号的技术已经存在3 0 多年 了【2 2 1 ，近来在硅处理和切换速度上的最新进展使得可商用的低成本的收发信机成为 可能1 2 孓2 5 1 。另外冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带技术，可以将通信和定 位合为一体，而这是常规无线电难以做到的。超宽带信号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其可视范围内。与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。 ( 4 ) 低功耗和低干扰。根据f c c 给出的p s d 限制，其最大值是4 l d b m m h z ，可 以计算在7 5 g h z 的带宽范围内允许的最大发射功率约为0 5 5 m w 。虽然由于需要极 宽的带宽，超宽带技术必须与其它窄带系统共享频带，但是超宽带信号极低的功率 谱密度，使得它能够与窄带系统共存而不至于严重影响它们的性能1 2 6 。 超宽带技术属于w p a n 技术。在美国，w p a n 的标准化工作由i e e e 8 0 2 1 5 组 负责，它是一个由多个公司组成的国际标准化工作组。l e e e 8 0 2 1 5 工作组负责 华北电力大学硕士学位论文 w p a n 的多种标准的制定工作，它分为四个工作组，其中的i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作组 研究的w p a n 速率达5 5 m b i t s s 。标准草案规定在2 4 g h z s i m 频段系统可以工作在 1 5 个1 5 m h z 的信道上，其中两个信道与i e e e 8 0 2 1 l b 相互干扰。通过变换调制方式 ( q p s k 、d q p s k 、1 6 3 2 6 4 q 剐) 和编码方式( 格形编码调制) 可以提供5 种数据传 输率( 1 l m b i t s s 、2 2 m b i t s s 、3 3 m b i t s s 、4 4 m b i t s s 和5 5 m b i t s s ) 。m a c 层可提供多 媒体的服务质量( q o s ) 、功率控制和a d h o c 网支持。它的重点是采用超宽带技术使 w p a n 具有较高的数据速率。 按速率大小分，超宽带可以分为两类：高速超宽带系统和低速超宽带系统。高 速u w b 的传输速率目前可达1 0 0 m b i t s s 1 g b i t s s ，传输距离可达1 0 2 0 米，属 于高速短距离传输；中低速u w b 传输速率一般在1 m b i t s s 以下，最高不超过 3 0 m b i t s s ，传输距离可达1 0 0 米以上，甚至几公里，属于中低速中短距离传输。其 中，高速u w b 应用标准的传输速率可达4 8 0 m b i t s s ，目前实际已可达到1 g b i t s s ， 正在开发2 g b i t s s 的速率，并将进一步发展到5 6 g b i t s s ，预计在3 5 年内，能 够达到1 0 g b i t s s 4 0 g b i t s s 。 高速u w b 适用于短距离、高空间通信容量的高速无线接入系统( 移动互联网) ， 如用户密集的公共热点场景；适用于数字家庭影视网络，传播家庭娱乐内容、高清 晰影视内容等多、流媒体信息；适用于各种短距离高速无线连接( 代替有线电缆) 。 中低速u w b 的应用主要有：传感器网络的通信和定位应用；智能自动化家庭网络 应用，如抄表和三防报警、家电自动化控制操作和环保节能自适应生态环境功能等； 智能交通系统应用；其他领域如军事、消防、安全、救援、医疗等中的通信与雷达、 定位、跟踪、成像、穿透探测等功能相结合的各种应用。 1 4u w b 通信技术的研究现状 自从2 0 0 2 年2 月1 4 日f c c 批准了u w b 通信技术可以在美国应用以来，研究 人员们对u w b 通信技术开展了大量的研究工作。这些研究工作主要集中在调制方 式与信号设计、脉冲选择、频谱形成和控制技术等等方面，具体如下： ( 1 ) 调制方式与信号设计 u w b 的调制方式与信号设计是超宽带系统中一个主要的研究方向。早期由于 产生反向的短脉冲比较困难，一般采用脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ， p p m ) 和开断键控( o n o f f k e y i n g ，o o k ) 来传送信息。因为高斯波形能较好模拟天线 的输出，所以选用的短脉冲为高斯函数或其导数。每个信息传送符号( 可以是多进 制调制) 由多个短脉冲表示，短脉冲的发送间隔为一个时间帧( 功，其持续时间远大 于短脉冲的持续时间( 瓦) 。m p p m 调制选用的发送延迟脉冲可表示为仂0 历) ， 正交调制方案选择的延迟m = 朋( = 乃) 。而对于二进制调制，最优的延迟可以选择 4 华北电力大学硕士学位论文 使得两种发送波形的相关系数最小。o o k 调制则是在只对符号“l 发送短脉冲， 对符号“0 ”不发送脉冲。在相同的环境下，o o k 的性能不如p p m 。 采用p p m 调制需要选择最优的延迟，这可能是困难的，因为在高斯信道下得 到的最优设计，对于稠密多径信道未必是最优的。而且在一些特定的多径信道下， 比如，某些多径延迟和调制延迟相当时，p p m 调制会造成对符号“0 一和符号“1 不对称的误比特率，这通常是不希望的，需要采取额外的措施来加以平衡。随着技 术发展，反向短脉冲的产生变得容易，脉冲幅度调制( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i ， p a m ) 则开始引起人们更多的关注。考虑到p a m 是频谱有效的调制方式，而不是功 率有效的方式，所以在发送功率受限的超宽带系统中，考虑比较多的是二进制的 p a m 。另外，还可以将p a m 调制和p p m 调制结合起来得到混合调制【卅，比如将双 极性p a m 和m 维p p m 组合得到的双正交p p m ( b p p m ) 调制1 2 引，在相同的吞吐率 的情况下，具有比单纯的高维p p m 更好的性能，而需要的复杂度则只是后者的一 半。但是这种调制方式没有考虑到所采用的正交脉冲在通过天线辐射后仍然能够保 持正交这个问题。 在调制方面，如何降低系统复杂度、如何提高系统数据传输速率、如何获取更 好的误码性能等，仍是研究的热点。 ( 2 ) 脉冲选择 由于超宽带占据极宽的带宽，不可避免地要覆盖现有的窄带系统，比如g p s ， 所以f c c 为超宽带设备规定了极低的发射功率谱密度。目前，在u w b 通信系统中 研究的基带脉冲主要有简单脉冲、调制脉冲和组合脉冲三类。 简单脉冲主要是指不经任何变换而直接产生的脉冲，包括高斯导函数脉冲【2 9 1 、 h e r m i t e 脉冲1 3 0 1 、长球面波( p s w f ) 脉冲【3 1 1 以及各种小波脉冲【3 2 1 等。简单脉冲虽然 在超宽带冲激无线电中广泛使用，但它不满足f c c 的频谱规定，必须经过修改或 滤波。 调制脉冲是指以简单脉冲作为包络的正弦调制脉冲，如用正弦波对高斯包络的 调制波。调制脉冲可以在简单脉冲的基础上对脉冲的频谱做频移，使得其频谱的整 体形状能够符合f c c 的频谱模板要求。 组合脉冲主要是通过简单脉冲在时域移位或拉伸后叠加而成的脉冲，如：g a u s s d o u b l e t 脉冲等。组合脉冲的优点是能够对脉冲的各种参数( 如对组合脉冲基脉冲的 选择，基脉冲的频率因子，时间尺度因子等等) 进行有效的控制，使得组合脉冲的 功率谱密度不仅能够符合f c c 频谱模板的要求，而且能够更好的提高脉冲的频谱 利用率。组合脉冲的缺点是需要控制脉冲的参数比较多，控制时还需要考虑脉冲形 状对系统其他性能的影响( 如系统误码性能等等) 。 华北电力大学硕士学位论文 当前关于脉冲的研究，主要集中在脉冲的设计方面。而当脉冲具体应用在系统 的时候，根据系统的要求，还需对脉冲进行其他方面的修改。本课题中所需要应用 的脉冲须是一组正交脉冲，每个正交脉冲需要调制不同的信息。在经过天线发送后， 脉冲之间仍然需要保持其正交性。多支路发送的脉冲叠加后的频谱须符合f c c 频 谱模板要求，而且要尽量提高频谱利用率。 ( 3 ) 脉冲频谱形成和控制技术 f c c 规定了室内短距离通信体制i e e e8 0 2 1 5 3 a 工作于3 1 g h z 一1 0 6 g h z 的频 段，其辐射水平不超过4 1 3 d b m w m h z ，同时为了保护g p s 频段和i e e e 8 0 2 1 l a 使 用的频段，在与其共享的频段处设置了频谱要求低于7 1 3 d b m w m h z 的辐射要求， 这就要求发送电路必须作频谱控制，将窄脉冲对应的频谱落入到指定频段内，并在 指定频谱位置降低发射谱的办法，同时信号的调制方式和参数也对信号频谱的控制 有着很大的影响。 由于基带脉冲决定了超宽带系统p s d 的整体形状，因此基带脉冲p s d 在超宽 带系统p s d 研究中也占有非常重要的地位。从发射角度看，研究基带脉冲波形对 p s d 的影响主要有2 个目标：1 ) 提高频谱利用率；2 ) 灵活的频谱控制。提高频谱利 用率，最简单的方法是采用滤波，通过滤波器( f i r 或i i r ) 对基带脉冲波形的谱进 行整形，但此方法很难达到理想效果【3 3 j 。目前效果较好的方法是采用波形组合方式， 通过对多个单周期脉冲的加权组合来生成新的波形。基于修正的h e m i t e 多项式的 方法可以提供一组正交的短脉冲波形。这种脉冲是一类最早被提出用于高速超宽带 通信系统的正交脉冲成形方法。结合多进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速 率。这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借 助载波搬移频谱方可满足f c c 要求。利用p a r k s m c c l e l l a n 算法1 3 4 l 和半正定规划算 法( s d p 算法) 【3 5 】，可以将脉冲波形的优化问题转化为数字滤波器的设计，对于任意 的输入波形，输出满足f c c 频谱限制的最优波形，但是该方法不能够保证脉冲之 间的正交性。如何让生成的新脉冲波形既能适用于调制和发送又能使其功率谱密度 符合f c c 频谱模板要求，这是当前超宽带系统研究的重点和难点问题。 另外，一些研究工作集中在u w b 通信网络协议的设计，以及u w b 收发机结 构和电路设计等等方面。 1 5 本文的研究内容和组织结构 本论文全文分为六章，各章内容安排如下： 第一章为引言，介绍了u w b 技术的发展历史、协议标准、优缺点以及国内外 研究动态。 华北电力大学硕十学位论文 第二章主要介绍了u w b 无线通信技术。阐述了超宽带无线通信的基本原理及 其调制解调技术。 第三章对u w b 系统中的脉冲频谱优化进行研究。脉冲波形设计和频谱控制是 超宽带通信系统解决频谱共存和相互干扰问题的关键。本章在分析了脉冲一些参数 属性的基础上，对脉冲进行基于最小均方误差( m m s e ) 的组合，优化脉冲的频谱。 并在此基础上又提出了基于最小面积准则( l a c ) 的频谱优化方法。 第四章对u w b 系统的调制方式与信号设计进行分析，并对t h p p m 进行改进， 提出m p o p p m 以及其接收方法。随后对m p o p p m 的误码性能进行了理论推导， 并用m a t l a b 进行了仿真分析。 第五章把脉冲频谱优化的过程结合到m p 0 p p m 系统中进行分析与仿真。基于 频谱优化的m p o p p m 在对信息进行调制之前，由频谱优化器运用优化准则对正交 脉冲的各个参数进行优化计算并根据参数对脉冲进行调整。m p o p p m 使用经过优 化调整后的正交脉冲进行调制与接收。随后将该系统分别在a w g n 信道与i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的s v 信道下进行仿真。在s v 信道下仿真时，接收机使用理想 a r a k e 、有选择的s r a k e 和部分p r a k e 接收方法。最后将仿真结果进行分析，并与 t h p p m 进行了比较。 第六章为全文的结论。 华北电力大学硕士学位论文 第二章ir 、阳无线通信技术 经典的超宽带无线电通信系统采用基带脉冲传输技术，它具有高空问频谱效 率、高测距精度、低功耗、低成本、小体积等诸多优点和潜力，但同时也面临波形 失真等诸多挑战。根据超宽带信号的基本特性，超宽带无线电技术大体包括基带脉 冲传输方式和带通载波调制传输方式两大类。脉冲传输的特点是把信息调制在离散 脉冲信号上发射，而带通载波调制传输的特点则是把信息调制在正弦载波上发射。 本文是以采用基带脉冲传输技术的超宽带无线电通信系统为基础进行研究的。 2 1u w b 无线通信的基本原理 根据香农公式，通信系统的信道容量为 c c - b l o g ( 1 + ) ( 2 一1 ) v 其中，c 是信道最大容量，单位是b i t s s ；b 是信道带宽；s 是信号的功率；是噪 声的功率。 式( 2 1 ) 说明：在高斯信道中当传输系统的信号噪声比洲下降时，可用增加系 统传输带宽b 的办法来保持信道容量c 不变，以实现信道内无差错通信。从通信技 术的发展来看正是一步步由点频通信到跳频通信，到扩频通信，再发展到超宽带通 信的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍甚至几千倍。与超宽带脉冲通 信相比，扩频通信又是一种窄带通信体制，所以超宽带脉冲通信比扩频通信的信道 容量更大。香农还指出，在高斯噪声干扰下，有限平均功率的信道上，实现有效和 可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是由于高斯白噪声理想的自 相关特性6 “) d 2 所决定。 超宽带脉冲通信就是通过发射接收具有皮秒( p s ，1 0 。1 2 ) 量级的脉冲信号来传输 信息的。它以每秒数十兆的速率发射和接收脉宽小于1 n s 的窄脉冲信号，信息通过 脉冲位置调制( p p m ) 调制到精确定时的脉冲串中去。图2 1 是超宽带脉冲无线收发 信机中的t h s s p p m 的基本组成框图。 在发射端时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序列，根据用户要传输的信息和 表示该用户地址的伪随机码可编程延时器对系统时钟进行精确的延时，延时后的脉 冲序列驱动脉冲产生电路，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后耦合到超宽 带天线发射出去。 华北电力大学硕士学位论文 图2 1t h s s p p m 超宽带系统框图 在接收端，超宽带天线接收的信号送到相关器的一个输入端，相关器的另一个 输入端加入一个本地产生的与发端同步并经用户伪随机码调制的脉冲序列一起经 过相关器中的相乘、积分和采样保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信 号，其中仅含用户传输信息及其他干扰。然后对该信号进行解调运算，即根据发端 的调制方式对每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。 图2 2 是超宽带脉冲无线收发信机中的d s s s p p m 的基本组成框图。 图2 2d s s s p p m 超宽带系统框图 发射端根据用户要传输的信息调制伪随机码产生脉冲序列，脉冲序列驱动脉冲 产生电路，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后耦合到天线发射出去。 。 华北电力大学硕士学位论文 在接收端，宽带天线接收的信号送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输 入端加入一个本地产生的与发端同步并经用户伪随机码调制的脉冲序列一起经过 相关器中的相乘、积分和采样保持运算，产生用户信息及其干扰。然后对该信号进 行解调运算，即根据发端的调制方式对每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。 2 2i n 舳系统调制技术 超宽带系统与窄带通信系统不同，信号的传输是不基于载波的，信息是靠脉冲 自身的位置或幅度来携带的。通常有如下几种调制方式：脉冲位置调制佃p m ，p u l s c p o s i t i o nm o d u l a t i o n ) ，脉冲幅度调制( p a m ，p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，开关键控 ( o o k ，0 n - 0 f fk e y i n g ) 和正交频分复用( 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 m u l t i p l e x i n g ) 。其中应用较多为p p m 、p a m 和o f d m l 3 6 j 。 p p m 调制是通过对预先规定的脉冲间隔进行调制，在没有信息发送时，脉冲是 等间隔的；若有信息发送，脉冲的位置则会由发送的信息来决定，即有可能比无调 制时的位置提前，也有可能比无调制时的位置延迟。 cq s ) 图2 3b p p m 调制示意图 图2 3 为二元p p m 调制的示意图。图中表示若发送信息为0 ，则脉冲的位置 为无调制的位置，若发送信息为1 ，则脉冲的位置延迟6 ( d e l t a ) 。6 定义为调制 偏移( p p m o 仃s e t ) ，6 在纳秒量级。 同理，多元的p p m 调制可以由b p p m 推广得到，其原理与二元的p p m 调制 相同，二元的p p m 有两个位置发送脉冲，对于m p p m 则有m 个位置发送脉冲。 m p p m 调制的原理示意图如图2 4 所示。 华北电力大学硕士学位论文 t h c0 s ) 图2 4m p p m ( m = 4 ) 调制示意图 图2 4 描述了m p p m 调制m = 4 的情况。四个可以传输脉冲位置的间距6 大于 脉冲的宽度时，脉冲无交叠，为正交的四元信号；若6 小于脉冲宽度，则不满足正 交信号的要求。 p a m 调制是通过改变脉冲的幅度来携带信息的。在p a m 中脉冲的位置是固定 的，只有脉冲的幅度变化。 图2 - 5 为二元p a m 调制的举例。当发送的二迸制信息为o 时，脉冲的幅度 不变；当发送的信息为1 时，脉冲的幅度乘以1 。这时二元p a m 调制也可 以认为是b p s k 调制，这种调制也叫反极性调制。 一一r ， ； ：。o 。 x 。o 。 0疰蠢 1 i ：一洚掰奠w 二1 j r 7 v 图2 52 p a m 调制示意图 多元的p a m 调制由多个脉冲的幅度来实现，图2 6 为4 p a m 的示意图。 u勺昌a_hh吒 华北电力大学硕士学位论文 0 0 m 。1 0 。u 二 i l 曼一一一 ii 划 匠兰二二文k 二翌 扩 - ； _ ： 图2 64 p a m 调制示意图 在研究中，还出现了p p m 与p a m 的联合调制p p a m 。每一个发送的符号由两 个b i t 组成 6 j 比 ，其中第一个比特6 j 来调制脉冲的幅度，第二个比特幻调制脉冲 的位置。信号波形如图2 7 所示： 菱要i 竽| ! ( ， 2 3u w b 系统接收技术 图2 7p p a m 调制示意图 在接收机部分，主要介绍了本课题中用到的正交p p m 单脉冲接收机的结构。 2 3 1 二进制正交p p m 接收机 在二进制正交p p m 中，m = 2 ，两个可能的发射波形为 “叫舞怒。而肛，名：) p 2 ， 其中p d ( f ) 是基本脉冲经过能量归一化之后的波形，e 硝是每个脉冲携带的能量，f 为 由p p m 引入的时移。如果大于脉冲持续时间功，正交函数集可以由p 口( f ) 和p j o ) 构成，即 s ，( f ) ts 。o p o ( f ) + s ，l p l o ) ，朋一0 1 ( 2 - 3 ) 其中一i ，s 0 1 - o ，s 。= o ，j 。一i 。 1 2 - 华北电力大学硕士学位论文 上面信号的最佳接收机方案是由两个相关器组成的，如图2 8 所示： “f 甜e “疵卜轧 f z 。 z 。；一o 1 z otz i 三。1 妒e 州廊卜l 图2 8 正交2 p p m 最佳接收机 相关器输出端的判决变量为 z o 口o + 刀o ，z l 。口l + 肛l( 2 - 4 ) 其中厅d 和尼j 是两个独立同分布的高斯随机变量，均值是0 ，方差是2 。 当发送的比特相互独立且概率相等时，最佳接收机的平均错误概率为 11 p r 6 一去p r 曲( z o i6 1 ) + i p r d 易( z o i6 一o ) 一p r d 6 ( z o l6 一o ) 二二 一p r d 6 ( 口e