基于跳时脉位调制的超宽带发射机设计研究毕业论文

1、 基于跳时脉位调制的超宽带发射机设计研究第1章 超宽带无线通信1.1超宽带技术的定义及特点 “超宽带”是在辐射波形基础上定义定的，它的概念首先由美国军方于1990 年提出，其定义的特征是信号的相对带宽大于20%-25%的任何波形。这里的信号相对带宽指的是2(fh -fl)/(fh +fl) ,其中fh表示信号高端频率，fl表示信号低端频率，(fh -fl)表示信号带宽，即:相对带宽= （2-1）2002年2月14日，美国联邦通信委员会(fcc)4修订了第15标准。它是管理包括uwb设备在内的使用非授权频段的无线设备标准。在fcc的指导下，对uwb的使用提供了在短距离、低发射功率，有极高的容量的

2、要求。2002年4月，美国fcc给出了“超宽带”的两种定义。第一种定义是对军方的定义做了两点修改，一是信号带宽指1odb带宽，即fh和fl分别表示低于信号最大发射10db处的高端和低端频率，二是信号的相对带宽大于等于0.2;第二种定义是如果一个信号的10db带宽大于或等于500 mhz，不管它的相对带宽是多少，都可以认为它是一个uwb信号。uwb信号是持续时间非常短的脉冲串，占用的带宽很大，因此它有一些十分独特的特点。其具体特点5如下所示: 1. 传输速率高 uwb的传输速率可达到几十mbit/s 到几百mbit/s，有望高于蓝牙100倍。 2. 带宽极宽 uwb使用的带宽在1ghz以上，高达

3、几个ghz 。其系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。 3. 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1mw的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长了系统电源的工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，从而使uwb的使用更为广泛。 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，因此就要消耗一定的电能， 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，并且是在需要时才发送脉冲电波，因此耗电很小。 5. 抗干扰性强 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

4、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。在同等码速的条件下，uwb具有更强的抗干扰能力。 6. 保密性好 uwb的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解调出发射数据;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。 7. 多径分辨能力强，定位精确极短窄带脉冲在空间和时间上都不容易产生重叠，因此uwb信号具有很强的多径分辨能力，从而uwb系统也具有很强的抗衰落能力。同时uwb系统还具有极强的穿透能力，无论在室内或地下都可以精确定位，其定位精度可以达到厘米级。uwb通信性能6

5、也存在着一定的局限性，影响其使用的一个非常实际的问题就是干扰的问题。uwb系统占用的带宽很大，但实际上并不存在如此宽的空闲频带，总要有部分频带与现有的无线系统使用的频带相重叠，甚至会对gps等其他窄带无线通信形成干扰。从本质上来讲，uwb可以用更窄的脉冲去换取带宽和信噪比这两个可变参量，但要使用更大的带宽却需要得到批准，同时信号在高带宽上会平均降低信噪比，导致信道容量的下降，因此uwb系统也需要在带宽效率、发送峰值功率、复杂度、灵活支持多速率和性能之间取得平衡。1.2 超宽带技术的发展及现状1.2.1 超宽带技术的发展uwb技术最早出现在上世纪60年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激响应完整地

6、描述某一类微波网络地瞬时现象。随后，这种技术被用于带宽辐射天线振子的设计和短脉冲雷达通信系统的开发。1972年，一种高灵敏的短脉冲接收设备研制成功，进一步加速了uwb技术的研究进展。这时这项技术被称为基带无载波调制或冲击无线电技术。1978年，bennet和ross总结了所有知道的产生脉冲的方法，从那时起在各种会议上就有很多关于uwb的会议。到了80年代后期，美国国防部高级研究计划署(darpa)首先采用超宽带这一术语，并初步进行了定义。1.2.2 超宽带技术的现状及应用现代的超宽带通信7的应用开始于1993年美国南加州大学的scholtz教授将码分多址的概念和方法引入超宽带通信领域。1994

7、年之前，有关超宽带无线通信领域的研究主要限于美国政府和军方项目的研究，1994年之后，随着保密限制的逐渐解除，也由于网络接入和宽带信息的用户需求，人们开始关注超宽带无线通信，从而大大加快了这方面的研究。图2-1 各种短距离通信系统传播距离与数据速率之间的关系随着uwb通信技术的发展，人们对uwb特性的认识逐渐完善，人们已开始意识到，uwb信号在通信、雷达、定位、导航、电子对抗等领域有广泛的应用。图2-1所示，我们可以看出uwb的传输距离为10m以内，它的数据速率可达100mbits/s到1gbit/s，与zigbee相比，它的传输距离虽然可达100m，但是传输速率却只有10kbits/s到10

8、0kbits/s,这就表明，在目前所使用的短距离通信系统中，uwb占有更广的市场空间和很大的应用范围。超宽带无线通信技术的应用主要是民用和军用两方面。军用超宽带无线通信技术的研究和开发主要动因是利用超宽带信号的隐蔽性、抗干扰性能、高数据传输速率和系统的多功能集成等，其用途主要是战术电台和移动无线网络。民用领域目前研究得比较热的方面就是uwb通信技术在移动通信领域的应用。由于uwb系统具有耗能低的特点，若将其应用到移动通信领域中，将大大提高我们mobile的待机时间。为了满足低廉的宽带internet无线接入和宽带多媒体业务增长的需要，另一个主要的研究方向是建立短距离的高速连接和高速无线个域网(

9、wpan)。同时由于uwb系统的功率较低，从而可以避免干扰现象的发生。1.3 超宽带无线通信技术的原理无线超宽带(uwb)是指用冲激脉冲8作为信息载体的无线电技术。这种脉冲传输9技术的特点是，通过非常窄(往往小于1ns)的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。脉冲波形：为使天线能将信号能量有效地辐射出去，脉冲无线电采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形，可通过选择脉冲宽度和阶数来获得不同的带宽及中心频率位置。 调制方式：鉴于系统对功率有效性的要求较高，uwb的调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(ppm)或二进制相移键控(bpsk)。在多址接入方式上，有跳时扩频(thss)和直接序列

10、扩频(dsss)两种方式，本次设计采用的是跳时脉冲相位调制。图2-2 单用户uwb通信系统模型图2-2是一个单用户uwb通信10系统模型简图。uwb通信是通过发射和接收时域上很短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冲宽度小于1 ns的窄脉冲信号。信息通过脉冲相位调制或脉冲监控调制等方式调制到精确定时的脉冲串中去。1.4 任务的分析与方案的设计题目：基于跳时脉位调制超宽带发射机的研究要求：1、理解超宽带跳时脉位调制的概念；2、理解超宽带系统的工作原理；3、掌握ppm-th-uwb发射系统模型；4、实现发射系统仿真模型和时频波形和频域功率谱密度分析。设计方案：首先产生发射二进制

11、序列b，对b的每个比特重复ns次产生新的序列a，一般称这个过程为为信道编码。然后经过传输编码器，用整数值序列c和二进制序列a产生一个新序列d，再把序列d输入到ppm调制模块产生一个单位脉冲序列，这些脉冲是在jts基础上偏移dj。再经过最后一个脉冲形成滤波器形成信号，波形为s(t)=。在对其功率谱做出分析。关键问题：1、理解超宽带通信技术的原理；1、二进制为源信号，需了解其产生，并对其进行重复编码；2、了解th-ppm调制原理，熟悉脉冲形成的器产生脉冲信号；3、能应用matlab进行仿真实验；4、能对ppm-th-uwb信号功率谱密度进行分析。第2章 跳时脉位调制超宽带发射机超宽带无线通信的调制

12、方式被分为传统的基于冲击无线电(ir)的方式和非传统的基于频域处理的方式。基于脉冲无线电的方式包括采用跳时方式的th-ppm和th-pam、采用非跳时方式的直接序列调制(ds-uwb)、伪混沌调制(pc-uwb), ook调制和混合调制等。而基于频域处理的方式包括一种基于载波干涉(ci)脉冲波形的方式、基于脉冲的正交频分复用(ofdm)方式和基于脉冲的子带方式等等。在目前的研究中，最常用的方式是基于ir方式的th-uwb和ds-uwb技术。th-uwb是对脉冲除了进行调制外，还要用伪随机码或伪随机噪声(pn)对数据符号进行编码，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移;而ds-uwb则是用编码

13、后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制。而调制的方式也主要可以采用相位调制(ppm)和幅度调制(pam)两种。2.1 超宽带脉冲信号超宽带窄脉冲信号的产生11，一般要满足以下几个要求：1. 脉冲宽度窄，要实现超宽带，就必须压缩脉冲宽度，典型的脉冲宽度为lns以下;2. 优化脉冲波形，不同的脉冲波形，其频谱特性又很大的差别，因此波形应根据实际的应用来选择;3. 提高脉冲重复频率，以实现高速率的数据传输;4. 脉冲时间位置或者幅度(极性)可控，以适应脉冲相位调制或脉冲幅度调制的需要。在需要功率控制的情况下，脉冲的能量还应可控;5. 功率限制，由于超宽带通信占用很宽的频带，对辐射功率的控制必须严格，以

14、免对其它系统造成干扰;6. 稳定输出，由于发射脉冲信号的宽度较窄、系统的传输速率较高，因此在接收端为保证解调、捕获和同步的正确，避免因输出不稳定而带来的误码率上升，就必须使脉冲产生器输出的波形、相位保持较高的稳定性。7. 在超宽带通信系统中，当用一个满足阶跃函数的电流来激励天线时，天线的输出端就会产生一个脉冲，而这个阶跃电流跳变越陡峭，所产生的脉冲宽度就越窄。这就对脉冲形成器的单位冲激相应的选择是十分重要的，因为它会对发射信号产生较大的影响。在超宽带通信系统中，对脉冲形成器的滤波器单位冲激响应的选择是关重要的，因为它会影响传输信号的功率谱密度(psd)。一个高斯脉冲p(t)可以用式3-1描述:

15、 （3-1）这里是脉冲形成因子，为方差。调用函数waveform ，定义变量：输出信号抽样频率fc为100ghz，冲激脉冲持续时间tm为0.9ns，脉冲形成因子tau为0.2ns。可以得图3-1。图3-1 超宽带脉冲波形图3-1所示为一高斯函数的二阶导函数，脉冲宽度0.2ns小于1ns，可以看出其很窄，可以用于超宽带的脉冲波形进行传输。现改变冲激脉冲的持续时间tau，其他变量不变，tau分别为0.2ns, 0.3ns, 0.4ns,调用函数waveform。得图3-2。图3-2 不同脉冲形成因子情况下脉冲波形由图3-2可以看出脉冲宽度取决与脉冲形成因子(tau)，减小的值将会使脉冲宽度压缩，从

16、而扩展传输信号的带宽。因此，同一波形可以通过改变脉冲形成因子的值来得到不同的带宽。2.2 超宽带脉冲信号的调制2.2.1 ppm调制 脉冲相位调制12(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状态数可以分为二进制ppm(2ppm) 和多进制ppm (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。根据相邻脉冲位置之间距离与脉冲宽度之间的关系，又可分为部分重叠ppm和正交ppm。 ppm调制的优点在于，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，便于以较低的复杂程度实现调制与解调

17、。 2.2.2 跳时多址（thma）跳时多址(thma)技术可以方便的与ppm调制方式相结合形成跳时脉冲相位调制(th-ppm)系统方案。这种多址技术利用了uwb信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期ts(又称帧周期)划分成nh个持续时间为t,的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。将跳时技术与ppm结合，可以有效的抑制ppm信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的作用。跳时技术是超宽带无线通信技术的一个重要组成部分，在超宽带通信系统中起着至关重要的作用。uwb系统中，跳时序列是超宽带无线电实现多址通信的来源，它和传输的信息符号共同控制冲激脉

18、冲的发送时刻。由于帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时就会产生干扰，因此跳时序列族中序列的数目直接决定了超宽带无线电通信系统的用户数目。所以跳时序列性能的优劣13对整个超宽带无线电通信系统性能有很大的影响。2.3 ppm-th-uwb发射机的实现2.3.1 ppm-th-uwb信号产生原理在结合了二进制ppm的th-uwb（二进制ppm-th-uwb）中。uwb信号的产生14可以系统地描述如图3-3：图3-3 ppm-th-uwb信号的发射方案 给定待发射的二进制序列，其速率，上图中的第一个模块使每个比特重复次，产生一个二进制序列：新的比特速率。这个模块引入了冗余，其实是一种被称为重复

19、编码的分组编码器。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和二进制序列，产生一个新序列，序列的一般元素表达式如下： （3-2）式3-2中，和是常量，对所有的满足条件，通常。这里的是一个实数值序列，而是二进制序列，是整数值序列。遵循最常用的方法，假定是伪随机码序列，它的元素是整数，且满足。码序列可能为周期序列，其周期表示为。实数值序列输入到第三个模块，即ppm调制模块，产生了一个速率为（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，因此脉冲位置在基础上偏移了，脉冲的发生时间也可表示为。称为码片时间（chip time）。最后一个模

20、块是脉冲形成滤波器，其冲激响应为。必须保证脉冲形成滤波器输出的脉冲序列不能有任何重叠。以上所有系统级联以后的输出信号可表示如下： （3-3）比特间隔或比特持续时间，也即用于传输一个比特的时间，可表示为：。上式中，定义了脉冲的随机性或者说是相对于整数倍时刻的抖动。2.3.2 ppm-th-uwb发射机仿真通过对对整个ppm-th-uwb发射系统的分析，得到了最终的发射信号s(t),下面将用matlab对整个发射链路进行仿真。系统模型如图3-4：图3-4 ppm-th-uwb发射器的系统模型运用函数transmitter_2ppm_th,就能仿真出整个发射链路。函数执行bits(等概率二进制产生)

21、，repcode(bits,ns)（重复编码），th(nh,np)（th编码），2ppm-th（ppm-th调制）， waveform（脉冲形成器）。如图3-5所示ppm-th-uwb发射流程，由信号源产生的二进制信号源，首先经过重复编码器的重复编码，生成等概率的二进制码流，与应用整数值序列产生一个新序列，在经ppm调制，这个过程是编码的。然后经脉冲形成后，变成待发射的信号(如图3-6)，在信道传输过程中，有用信号叠加上噪声，振幅衰减(如图3-7)。图3-5 ppm-th-uwb发射流程可以设置信号特征参数：平均发射功率pow为-30dbm，信号的抽样频率fc为50ghz，由二进制源产生的比特

22、数numbits为2，平均脉冲重复时间ts为3ns，每个比特映射的脉冲数ns为5，码片时间tc为1ns，跳时码的码元最大值上界nh为3和周期np为5，冲激响应持续时间tm为0.5ns，脉冲波形形成因子tau为0.25ns，ppm时移0.5ns。调用函数transmitter_2ppm_th，命令如下bits,thcode,stx,ref=transmitter_2ppm_th; 得图3-6图3-6 ppm-th-uwb发射机产生信号由图3-6可以看出输出序列的前五个脉冲在对应时隙的其始位置，而后五个脉冲在对应时隙的中间位置，故可知bits产生序列为0，1。ppm对码冲位置的影响，可以看脉冲第一

23、个比特的第一个波形在相应的时隙起始点；第二个比特第一个波形在其相应时隙起始点后dppm秒。至于th序列可以从3.6中看每一个波形在其相应的片码时间中处那个位置，第一个时隙为0，第二个为1，第三个为2，不难看出th码为1，1，2，2，2。2.3.3 ppm-th-uwb信号抗噪声分析在信道模型中，应考虑信号受到加性噪声n(t) 污染15的情况，函数gnoise1用于产生一个加性高斯噪声信号并将其加到输入信号矢量input上。噪声电平根据给定的eb/n0，其中eb为接收机有用信号每比特的能量。调用该函数的命令为： output,noise=gnoise1(input,ebno,numbits);在

24、不同的信噪比情况下可以得出如图3-7到3-10的不同波形图3-7 信噪比为30输出波形从图3-7中可看出，虽然有高斯噪声叠加在信号中，但仍可以清晰的看到波形，噪声电平远小于信号电平。图3-8 信噪比为20输出波形从图3-8中大概可以看出信号波形，噪声电平与信号电平相差无几，不能正确判断信号。图3-9信噪比为10输出波形图3-10信噪比为0输出波形在图3-9，3-10中已经看不出有用信号的波形，有用信号基本上或完全淹没在噪声信号中。由3-7到3-10图，可以看出热噪声对有用信号的影响，这与理论信噪比越小，失真越明显相同。2.4 ppm-th-uwb功率谱分析给定调制信号m(t),ppm波形x(t

25、)的模拟形式由一串形状相同，严格不相重叠的脉冲组成，但这些脉冲的间隔不再是相同的时间tx，而是随m(jts)值偏移，m(jts,)是连续的严格平稳随机过程m(t)的抽样，且每个m(jts)值是统计独立的，其概率密度函数为w(m(jts) 。均匀抽样情况下，ppm调制下的模拟信号的表达式3-4: （3-4）其中的脉冲串严格不相重叠的充分条件可以如下表示: 当时， 可得如果满足上式所示的条件，那么就可以保证脉冲不相互重叠，并且脉冲的顺序也不会改变.时间抖动包含了th码引起的时间偏移以及由ppm调制所引起的时间偏移，由于比小得多，所以是准周期的，且其周期性非常接近th码的周期性。一般情况下，码周期n

26、p与每比特的脉冲数是相等的，在这种情况下，假设由引起的偏移对功率谱密度的影响比由引起的小得多，那么由ppm时间偏移产生的影响可以忽略。设一个信号如下： （3-5）上面的信号经过傅式变换为: （3-6）如果认为 v(t)是用于发射的基本脉冲，并且加上偏移，可以得到发射信号的表达式为: （3-7）这是一个ppm调制的波形，其偏移量是由数据符号b确定的，即b过程由信息源产生。如果假设b是一个严格平稳离散随机过程，由其抽取的不同随机变量bk是统计独立并具有相同的概率密度函数，则其功率谱密度可以表示为: （3-8）如果信源发射比特0(没有偏移)的概率为p，发射比特1(有偏移)的概率为1-p，那么可得:

27、（3-9）在信号源发等概率发射0和1的情况下，可简化为下式: （3-10）功率谱密度16表达式包含了连续和离散两个部分。连续部分由控制，离散部分的构成成分是在频率1/tb处的线性分量，即脉冲重复频率和谐波。离散部分谱线的幅度大小受信源统计特性加权，即受|w(f)|2的加权，在低频附近较大，而后在较高频率处减小。连续项相对于离散项的大小取决于m(jts)的值。如果m(jts)的值很小，那么ppm信号类似于一个周期信号，而离散部分在低频部分占优势;但若m(jts)值较大，ppm信号就失去了与周期信号的相似性，这时连续分量在低频和高频部分都占优势。下面对ppm-th-uwb信号的频谱占用情况进行仿真

28、分析，从而得出uwb发射信号的主要参数对其功率谱密度17的影响。首先考虑没有ppm调制和th编码的uwb信号，即ppm偏移量为零，跳时码周期np为1。其他参数设置为:平均发射功率pow为-30dbm, 信号抽样频率fc为50ns, 二进制源比特数numbits为1000,平均脉冲重复时间 ts为10ns, 没个比特映射脉冲数ns为5, 码片时间tc为1ns, 跳时码元最大值上界nh为10和周期np为1, 冲激响应持续时间tm为0.5ns, 脉冲波形形成因子tau为0.25ns, ppm时移dppm为0,不输出波形 g=0; 产生信号u0命令如下：bits,thcode,u0,ref=trans

29、mitter_2ppm_th;命令内存中存储矢量u0,u0表示待检测信号，这个信号特征是每个比特发射5个脉冲，所有脉冲在时间间隔相等，脉冲重复周期为ts。np=1，所以没个脉冲在时间间隔上处于相同位置。通过运行：psdu0,df=psd_(u0,50e9);所得功率谱密度为：图3-11 np=1无ppm和th编码的功率谱密度图3-11可以看出其功率谱密度的包络类似与二阶高斯微分波形的傅式变换。调制波形的周期对应于码周期气和脉冲间隔t的乘机，即tp =np ts,，因此调制波的基波频率为几 fp =1/tp.np=1对应的是没有码调制的情况，此时产生的功率谱密度谱线位于频率1/ts及其谐波处。引

30、入码调制，通常情况下常设np与ns相等，那么th码周期np =5,其他参数与图3-11中的相同，得到的功率谱密度为:图3-12 无ppm有th码，np=5的功率谱密度由图3-12可以看出，比特间隔tb=nsts=npts,，功率谱线出现在1/tb及其谐波处。np=5的谱线与np=1的时候相比，虽然谱仍然是离散的，但由于1/tb1/ts，所以谱线出现的频率比前面相同带宽情况下的要多，码的白化效果也是明显的:能量分布在一个更大的谱线范围内，并且谱线的峰值更小。所以th码有减小最强功率谱线数目的作用。然后继续增大码周期np，使th码周期np=5000，其他参数不变，所得的功率谱密度谱线为:图3-13

31、 无ppm有th码，np=5000的功率谱密度图3-13中可以看到，峰值谱线的数量进一步减少，且峰值也更小。虽然th码有减小最强功率谱线数目的作用，但仅仅通过增大th码的周期以去除功率谱密度的所有峰值谱线是不可能的。下面考虑增加th码的码元最大上界nh，也就是将时间间隔ts分成更多的小间隔tc，增大了脉冲在每个间隔ts中的位置的随机性。设参数跳时码最大值上界nh为100, 码片时间tc=0.1ns，得到的频谱为:图3-14 无ppm有th码，np=5000，增大nh时的功率谱密度比较图3-14和图3-13中的功率普密度，不难看出，由于增大了nk的值，每个脉冲在间隔ts中的可能的位置数增加，起到

32、了去除功率谱密度中强峰值的作用。实际上，这些谱线只是移到了脉冲波形的傅式变换的带宽外面而已。最后，考虑ppm调制的影响，也就是引入ppm偏移量，设ppm偏移dppm=0.25ns，代表比特符号1的偏移量为0.25ns得到的频谱如下所示:图3-15 引入ppm偏移的功率谱密度图3-15所示了最后ppm-th-uwb信号的功率谱密度。可以看到，ppm偏移的引入，使最强功率谱线的峰值进一步下降，峰值谱线的数目进一步减少。由图3-11-3-15不难看出，ppm和th码的引入将同样的功率分散到了更多的谱线中取，从而大大降低了功率谱的峰值和谱线的数量。ppm-th-uwb信号的各个参数，对其功率谱密度都有一定的影响th序列码的周期，码元上界以及ppm偏移都可以影响功率谱密度谱线的峰值和谱线数目，对功率谱密度的高斯形状产生扭曲。因此，可以通过对这些参数进行适当的选择，得到具有所需的频谱特性的ppm-th-uwb信号。 参考文献1u