超宽带基础知识

1、Page 2目录：目录： 1 1、超宽带系统的基本原理、超宽带系统的基本原理 1 1）概念）概念 2 2）分类）分类 2 2、超宽带系统的波形、超宽带系统的波形 3 3、超宽带系统的调制方式、超宽带系统的调制方式 4 4、超宽带系统的传播特性及信道模型、超宽带系统的传播特性及信道模型 5 5、超宽带系统的接收技术、超宽带系统的接收技术 1、超宽带系统的基本原理、超宽带系统的基本原理1 1）概念）概念超宽带无线电是指具有很高带宽比的无线电技术。FCC定义:式中：fH、fL分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率。fc是载波频率或中心频率。 频率范围：频率范围：3.110.6G

2、Hz 各向同性发射功率谱密度（EIRP） 小于-41.3dBm/MHz %20cLHfffMHzffLH500或2 2）分类）分类脉冲无线电（脉冲无线电（Impulse RadioImpulse Radio）：）：采用冲击脉冲（超短脉冲）作为信息载体的无线电技术。多频带多频带UWBUWB：将可用的UWB频谱划分成若干个子带，每个子带宽度不小于500MHz通信时可根据信息速率、系统功耗的要求以及与其他系统共存的要求等，动态的使用部分或全部子带。2、超宽带系统的波形、超宽带系统的波形最简单、最通用的超宽带波形是单周期脉冲信号。单周期脉冲信号。超宽带脉冲波形的设计原则：超宽带脉冲波形的设计原则： a

3、、脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽带的频谱。 b、为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。这一点不是绝对的当脉冲直流分量不为零时，可采用双极性调制，总的发射脉冲的直流分量为零。 c、满足FCC的频谱掩蔽要求，对于发射脉冲信号的超宽带系统，其发射信号的功率谱主要由发射脉冲波形的功率谱决定，因此超宽带系统的脉冲波形频谱应满足FCC功率谱密度敷设限制（即频谱掩蔽），避免对其他通信系统造成干扰。 高斯脉冲及其各阶导数：高斯脉冲及其各阶导数： 高斯函数表达式：为了简化表达式，令 ，则高斯函数表示为 为高斯脉冲成形因子。 增大，脉冲幅度减小，脉冲宽度增加。高斯脉冲各阶导数波形：高斯脉冲各阶导数波形：波

4、形分析：波形分析： 从时域波形来看，高斯脉冲导数的阶数越高，脉冲的峰值越多，过多的峰值不利于信号的检测和捕获，也不利于波形的实现。 高斯脉冲含有较高的直流分量，不利于信号辐射。但其k阶导数直流分量为零，信号能有效辐射。使用高斯脉冲的原因：使用高斯脉冲的原因： 超宽带脉冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲的信号。 使用高斯脉冲分析简便。 Gaussian monocycleGaussian monocycle，类似于高斯脉冲的一阶导数，其表达式为，类似于高斯脉冲的一阶导数，其表达式为 Scholtzs monocycleScholtzs monocycle，类似于高斯脉冲的二阶导数，其表达

5、式为，类似于高斯脉冲的二阶导数，其表达式为 高斯脉冲五阶导数，为满足高斯脉冲五阶导数，为满足FCCFCC的频谱要求而提出的频谱要求而提出 222mttmetptet已有的高斯脉冲种类已有的高斯脉冲种类 22214mttmtp tet 2253211971015222ttttp te HermiteHermite多项式脉冲分析：多项式脉冲分析： Hermite Hermite多项式的形式为：多项式的形式为： 上式不满足正交性，修正的上式不满足正交性，修正的HermiteHermite多项式的表达式：多项式的表达式： n n取不同的值（取不同的值（1 1，2 2，3 3，）可以得到一组相互正交的脉

6、冲：）可以得到一组相互正交的脉冲：022221 1nettnnenhdheedt 2224421ntttnnnendh tehteedt 2222240412423434244 1 3 63ttttthteh ttehttehttt ehttte Hermite多项式脉冲可以看成是时限信号，也可以看成频限信号，满足UWB脉冲的基本要求。 Hermite多项式脉冲的时域波形 -10100.20.40.60.81HzFrequency domain-10100.20.40.60.81Hz-10100.20.40.60.81Hz-10100.20.40.60.81Hz-10100.20.40.60.

7、81HzH0(f)H4(f)H3(f)H2(f)H1(f)Hermite多项式脉冲的幅度谱 -101x 10-8-1-0.500.51sTime domain-101x 10-8-1-0.500.51s-101x 10-8-1-0.500.51s-101x 10-8-1-0.500.51s-101x 10-8-1-0.500.51sh0h4h3h2h1 由于不同阶的Hermite多项式脉冲满足正交性，它可用在多用户UWB 系统中，将不同阶数的Hermite脉冲分配给不同的用户，可有效地抑制多址干扰。这是Hermite脉冲优于其他脉冲的地方。3、波形的调制方式、波形的调制方式 脉冲调制方式脉冲调

8、制方式 1、基本调制方式 1）脉冲幅度调制 2）开关键控 3）BPSK 4）脉冲位置调制 2、脉冲间隔调制 3、脉冲波形调制 4、M进制双正交键控 多频带脉冲调制多频带脉冲调制 1、频谱键控 2、其他方式：脉冲串行和脉冲并行 OFDMOFDM 几种基本调制方式的示意图几种基本调制方式的示意图脉冲幅度调制（脉冲幅度调制（PAM）kfkkTtpats)()(kfkTtp)( 定义：定义：把信息调制在脉冲幅度上的方式 数学表达式：数学表达式：当调制信息为ai，i=0,1,2,.，调制信号为： 其中，p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期； 是脉冲序列。 优点：优点：物理实现简单，只需一个匹配滤波器和

9、一个脉冲发生器。 可以使用非相干解调。 缺点：缺点：误码性能不是最好。 不适合在室内密集多径的环境中使用。 假如发送序列假如发送序列ai是独立同分布的随机变量，则其功率谱密度如下：是独立同分布的随机变量，则其功率谱密度如下：22222()()()()aaffffkkSfPfPfTTTTa2a ia2( )P f其中和分别是调制信号的均值和方差，是基本脉冲信号的功率谱密度。 当采用二进制PAM（设调制信息为：12,a a）时，在AWGN信道下的二进制PAM相干接收的误码率性能为：221220()()2()beaaaaEPQN开关键控（开关键控（OOK） 定义：定义：当调制数据是“1”的时候，发送

10、脉冲信号；当调制数据为“0”的时候，不发送脉冲信号。 数学表达式：数学表达式： 其中，bk0,1是调制信号；p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期。 优点：优点：物理实现方法非常简单，只需一个射频开关，适用于低复杂度的超宽带实 现。 缺点：缺点：信号中出现连零时，易造成接收机同步丢失。 误码率性能不高。kfkkTtpbts)()(22222( )( )()()44kffffAAkkS fP fPfTTTT222,4aaAA0()beEPQNBPSK BPSKBPSK也称二进制相位调制（也称二进制相位调制（BPMBPM）或二进制极性调制。可看做是）或二进制极性调制。可看做是PAMPAM的特的特例

11、例 数学表示式：数学表示式： 其中，bk-1,1是调制信号；p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期。kfkkTtpbts)()(kb1当调制信息等概出现，并且调制信号幅度为“A”时， 220, aaA22222( )( )()()aaffffkkS fP fPfTTTT22( )( )fAs fP fT221220()()2()beaaaaEPQN02()beEPQN比OOK有3dB优势脉冲位置调制（脉冲位置调制（PPM）定义：定义：2-PPM中，当调制信号为“0”的时候脉冲位置不变，当调制信号为“1”的时候出现一个偏移。数学表示式：数学表示式：其中，bk0,1是调制信号；p是脉冲偏移。优点：

12、优点：信号的正交性易得到保证。适合于多址和多进制调制。缺点：缺点：误码率和OOK一至。 符号间干扰（ISI）比较严重 。 PPM的实现比较复杂。 kpkfbkTtpts)()(222211( )( ) (1 cos(2)() (1 cos() ()22ppkfffffkkkS fP ffPfTTTTT 功率密度功率密度误码率误码率0()beEPQN脉冲间隔调制（脉冲间隔调制（DPIM）脉冲间隔调制脉冲间隔调制DPIMDPIM和和PPMPPM类似，类似，PPMPPM改变的是脉冲在一个改变的是脉冲在一个脉冲周期里的绝对位置来调制信息，而脉冲周期里的绝对位置来调制信息，而DPIMDPIM是通过是通是

13、通过是通过改变相邻脉冲之间的间隔来调制信息的。过改变相邻脉冲之间的间隔来调制信息的。bkBmLm bkBmLm0100040111010041012200104200133000143000144-PPM和4-DPIM对比当调制信号等概时，它们的平均时隙长度分别为：4-PPM：4，4-DPIM：2.5相对于PPM，DPIM的传输效率更高。且DPIM同步更简单，只需要时隙同步，而不需要符号同步。脉冲波形调制（脉冲波形调制（PSM） 数学表示式：数学表示式：二进制调制 其中，ai（0,1）是调制信号；s0（t）、s1（t）分别是不同形状的正交脉冲序列。 PSM可以进行多进制调制方式，并且在多址通信

14、中可以给不同的用户分配不同的波形。 缺点：缺点：误码率性能低。 脉冲性状的改变对PSM影响很大。 误码率：误码率：)()1 ()()(10tsatsatSii0()beEPQNM M进制双正交键控进制双正交键控 定义：定义：使用多个脉冲组成的正交脉冲串来传输信息，和PSM类似，这也是一种正交调制方式，但不同的是它使用正交脉冲串来调制数据，类似于传统的时频调制。,1,21,1,22() (1)(21) ()(1 2) ()iiiiS taaC taa C t 4-BOK：,1, 2,0 ,1iiaa1( )C t2( )C t分别为正交脉冲串。 、频谱键控调制（频谱键控调制（SK）概念：概念：在

15、SK调制中，每个脉冲用不同频带，发送信息以不同频率的发送顺序编码在符号中。因为符号中所有脉冲具有正交频率，所以不同频带的多径信号不会互相影响，并且符号间隔扩大若干倍。SK信号符号间存在保护时隙。保护时隙f1f2f3符号周期符号时间频率时间t1t2t3iiiTtStS)()(PRFT1发射信号表示式：发射信号表示式：T T是符号周期，是符号周期， ;P ;P（t t）满足）满足FCCFCC频率覆盖要求。频率覆盖要求。在高斯加性白噪声信道下，系统误码率性能在高斯加性白噪声信道下，系统误码率性能 M M是所用子带数。是所用子带数。)2() 1()(0NEQMMPSOFDMOFDM主要思想：主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的