通信工程畢業(yè)設(shè)計論文

1、通信工程畢業(yè)設(shè)計論文         1 引言 超寬帶（UWB,Ultra Wide Band）無線技術(shù)在無線電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，因此被認為是未來幾年電信熱門技術(shù)之一。1990年，美國國防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無線通信開始得到美國軍方和政府部門的重視。2002年4月，美國FCC通過了超寬帶技術(shù)的商用許可，超寬帶無線通信在民用領(lǐng)域開始受到普遍關(guān)注。目前“超寬帶”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬（或絕對帶寬）而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多種方式

2、產(chǎn)生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來實現(xiàn)1。超寬帶無線電是對基于正弦載波的常規(guī)無線電的一次突破。幾十年來，無線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無線通信則以納秒級的窄脈沖作為信息載體。其信號產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨特的優(yōu)勢，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時間很短，多徑分量在時域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過先進的多徑分離技術(shù)或瑞克接收機，可以充分利用多徑分量。目前，典型的超寬帶無線通信調(diào)制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無線通信中的調(diào)制技術(shù)，主要討論TH-PPM

3、、TH-PAM的基本原理，并且對比調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點，性能的好壞，并進行動態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調(diào)制方式，從而得出正確的結(jié)論，細致的研究超寬帶無線通信中的調(diào)制技術(shù)。關(guān)鍵字：超寬帶 調(diào)制方式 PPM調(diào)制 PAM調(diào)制 OFDM調(diào)制2 概述 2.1 總述 近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對帶寬(在- 10dB 點處) (fH - fL)/fc 20 %(fH ,fL ,fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中

4、心頻率) 或者總帶寬BW 500MHz。1它與現(xiàn)有的無線電系統(tǒng)比較,在花費更小的制造成本的條件下,能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(100500MbPs) 、更強的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ,同時具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內(nèi)) 。2.2 UWB基本原理 發(fā)射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電,因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號直接驅(qū)動天線輸出的;由信息數(shù)據(jù)對脈沖進行調(diào)

5、制,同時,為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據(jù)符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。從本質(zhì)上講,產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級的信號源是UWB 技術(shù)的前提條件。目前產(chǎn)生脈沖信號源的方法有兩類: 光電方法,基本原理是利用光導開關(guān)導通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達到皮秒(10 - 12 ) 量級。另外,由于光導開關(guān)是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發(fā)展前景的一種方法。電子方法,利用微波雙極性晶體管雪崩特性,在雪崩導通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長,從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短

6、脈沖。在電路設(shè)計中,采用多個晶體管串行級聯(lián),使用并行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達到進一步降低脈沖寬度的目的。              沖激脈沖通常采用單周期高斯脈沖,典型的單周期高斯脈沖的時域和頻域數(shù)學模型分別表示為:                  (2-1)  

7、         (2-2)單周期脈沖的寬度在納秒級(0. 11. 5ns) ,重復周期為251000ns ,具有很寬的頻譜,如圖2-1 所示。實際通信中使用的是一長串的脈沖,由于時域中信號的周期性造成了頻譜的離散化,周期性的單脈沖序列頻譜中出現(xiàn)了強烈的能量尖峰。這些尖峰將會對信號構(gòu)成干擾,通過數(shù)據(jù)信息和偽隨機碼來進行編碼P調(diào)制,改變脈沖與脈沖間的時間間隔,可以降低頻譜的尖峰幅度。圖2-1 單周期脈沖的時間域和頻率域的表示超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據(jù)對脈沖的調(diào)制方法可以有多種。脈沖位置調(diào)制( PPM) 和脈沖幅度調(diào)制(PA

8、M) 是UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常UWB信號模型為:                (2-3)其中,w ( t) 表示發(fā)送的單周期脈沖, dj , tj 分別表示單脈沖的幅度和時延。a  PAM- UWBPAM是一種通過改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中,一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在 - 1 , + 1之間變化(對于雙極性信號) 或在M 個

9、值之間變化(對于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復頻率,都可以增加一個固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達到的吞吐量和傳輸距離,可以看出這一效果與增加傳輸功率的峰值的效果是相似的。采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)的超寬帶信號波形如下:                (2-4)其中, dj 是信息序列, Tf 是脈沖重復周期。根據(jù)dj 的不同取值, 可將PAM調(diào)制方式分為以下三種:（1） OOK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號的幅度為

10、1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為0) ; （2）PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為2) ; （3）BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為- 1) 。對于這三種方式,在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。b  PPM- UWB脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱時間調(diào)制(TM) ,是用每個脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標準或特定時刻來表示某個特定信息的。二進制PPM 是超寬帶無線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法,相對其它調(diào)制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個重要原

11、因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機來接收檢測信號,而這種接收機有著非常好的性能。采用脈沖位置調(diào)制( PPM) 的超寬帶信號波形如下:               (2-5)其中, dj 取0 或1 ,為調(diào)制因子, 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個數(shù)量級。當發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時脈沖就會相應滯后一個時延。圖2-2 給出了上述四種調(diào)制方法的信號波形圖,對這四種調(diào)制方式給出了一個比較直觀的描述。除了這些對脈沖的調(diào)制方法外,用偽隨機碼或偽隨機噪聲(PN) 對數(shù)據(jù)符號

12、進行編碼以得到所產(chǎn)生信號的頻譜時,根據(jù)編碼的不同即擴頻和多址技術(shù)不同,超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴的超寬帶系統(tǒng)(DS - UWB) 、跳頻的超寬帶系統(tǒng)(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(tǒng)(MC - UWB) 等。圖2-2 不同調(diào)制方式的信號波形              2.3  UWB 技術(shù)特點 由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點:(1)系統(tǒng)容量大。香

13、農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應,這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低,也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百Mbps1Gbps。(3)多徑分辨能力強。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰

14、落深達1030dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號的衰落最多不到5dB。(4)隱蔽性好。因為UWB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 設(shè)備對于其他設(shè)備的干擾就非常低。(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內(nèi)和地下進行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級。(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 010. 001 ,具有比其

15、它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時間很短,一般在0. 20ns1. 5ns之間,有很低的占空因數(shù),所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要5070mW 的電源,是藍牙技術(shù)的十分之一10。盡管如此,UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術(shù)的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點,建立信道模

16、型,解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù),進一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復雜度等。2.4  UWB發(fā)射機和接收機組成框圖 UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機比現(xiàn)有的無線發(fā)射設(shè)備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2-3所示。         圖2-3  UWB發(fā)射機組成框圖調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天

17、線輻射出去。脈沖信號產(chǎn)生電路的一個關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當于一個濾波器。TH-UWB接收機采用相關(guān)接收方式，接收機框圖如圖4所示。圖4中虛線內(nèi)的部分是相關(guān)器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成。接收機與發(fā)射機類似，兩者的區(qū)別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電路，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。圖2-4  UWB接收機組成框圖2.5  UWB 技術(shù)的應用前景 UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下,UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢,最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率

18、,使UWB 同其它短距離無線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯,如表1 所示?，F(xiàn)有的各種無線解決方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制,UWB 的應用將使人們可以擺脫 無線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當中,對容量不斷增長的要求需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案,超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對于無線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競爭力的,隨著研究的深入,憑借多方面的優(yōu)勢,它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域,UWB 將有廣闊的發(fā)展空間。 &#

19、160;            表1 幾種短距離無線通信比較IEEE802. 11aBluetoothUWB工作頻率2. 4GHz2. 4022. 48GHz3. 110. 6GHz傳輸速率54Mbps小于1Mbps大于480Mbps通信距離10m100m10m小于10m發(fā)射功率1 瓦以上1 毫瓦100毫瓦1 毫瓦以下容量空間80kbps/m230kbps/m21000kbps/m2應用范圍無線局域網(wǎng)家庭和辦公室互連近距離多媒體終端類型筆記本、臺式電腦、掌上電腦、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)筆記本、移動

20、電話、掌上電腦、移動設(shè)備無線電視、DVD , 高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)3 MATLAB 軟件工具介紹 3.1  MATLAB語言的概述 MATLAB是一種科學計算軟件，適用于工程應用各領(lǐng)域的分析設(shè)計與復雜計算，它使用方便，輸入簡捷，運算高效且內(nèi)容豐富，很容易由用戶自行擴展。因此，它已成為大學教學和科學研究中最常用且必不可少的工具。MATLAB是“矩陣實驗室”（MATrix LABoratoy）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對科學計算、工程計算和繪圖的需求。與其他計算機語言相比，其特點是簡潔和智能化，適應科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用

21、解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機交互性能好，為科技人員所樂于接受。特別是它可適應多種平臺，并且隨計算機硬、軟件的更新而用時升級。因而，MATLAB語言是數(shù)值計算用得最頻繁的電子信息類學科工具。它大大提高了課程教學、解題作業(yè)、分析研究的效率。3.2  MATLAB的歷史 在1980年前后，美國的Cleve Moler博士在New Mexico大學講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應用其他高級語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了MATLAB（MATrix LABoratory，矩陣實驗室），它是集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學進行了幾次的試用之后，于1984年推出了

22、該軟件的正式版本。它是以著名的線性代數(shù)軟件包LINPACK和特征計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎(chǔ)發(fā)展而成的一種開放型程序設(shè)計語言，其基本的數(shù)據(jù)單元是一個維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據(jù)數(shù)值計算問題的復雜程序，對問題進行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級語言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運算變得異常的容易，后來的版本中又增添了豐富多彩的圖形圖像處理及多媒體功能，使得MATLAB的應用范圍越來越廣泛，Moler博士等一批數(shù)學家與軟件專家組建了名為MathWorks的軟件開發(fā)公司，專門擴展并改進MATLAB。為了準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入給計算機，

23、然后對之進行進一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為SIMULAB，該工具很快在控制界得致函廣泛的使用。但因其名字與著名的軟件SIMULA類似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應用打開了嶄新的局面。3.3  MATLAB語言的特點 MA

24、TLAB語言有以下特點。(1)  起點高每個變量代表一個矩陣，以矩陣運算見長。當前的科學計算中，幾乎無處不用矩陣運算，這使它的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。(2)  人機界面適合科技人員MATLAB的語言規(guī)則與筆算式相似。MATLAB的程序與科技人員的書寫習慣相近，因此，易寫易讀，易于在科技人員之間交流。矩陣的行列數(shù)無需定義。MATLAB不必有階數(shù)定義，輸入數(shù)據(jù)的行列數(shù)就決定了它的階數(shù)。鍵入算式立即得到結(jié)果，無需編譯。MATLAB是以解釋方式工作的，即它對每條語句解釋后立即執(zhí)行，若有錯誤也立即做出反應，便于編程者立即改正。這些都大大減輕了編程和調(diào)試的工作量。(3)  強大

25、而簡易的做圖功能能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖，能規(guī)定多種坐標系，（極坐標系、對數(shù)坐標系等），能繪制三維坐標中的曲線和曲面，可設(shè)置不同顏色、線型、視角等。如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需一條命令即可出圖。(4)  智能化程度高繪圖時自動選擇坐標，大大方便了用戶；做數(shù)值積分時自動按精度選擇步長；自動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調(diào)試。(5)  功能豐富，可擴展性強MATLAB軟件包括基本部分和專業(yè)擴展兩大部分。基本部分包括矩陣的運算和各種變換、代數(shù)和超越方程的求解、數(shù)據(jù)處理和傅立葉變換及數(shù)值積分等等?？梢猿浞譂M足大學理工科學生的計算需要。<   &

26、#160;     4  超寬帶無線的調(diào)制技術(shù) 發(fā)射超寬帶（UWB）信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時域上很短的脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖激無線電”（Impulse Radio,簡寫為IR）。信息數(shù)據(jù)符號對脈沖進行調(diào)制，其調(diào)制方式可以有多種。脈沖位置調(diào)制（PPM）和脈沖幅度調(diào)制（PAM）是最常用的兩種調(diào)制方式。除了要對脈沖進行調(diào)制外，為了形成所產(chǎn)生的信號的頻譜，還要用偽隨機碼或偽隨機噪聲（PN）對數(shù)據(jù)符號進行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據(jù)符號引起脈沖在時間軸上的偏移，這就是所謂的跳時超寬帶（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴

27、譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據(jù)符號對基本脈沖的幅度進行調(diào)制，這在沖激無線電（IR）中被稱為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調(diào)制方式似乎非常有吸引力1。對于超寬帶信號，也可以通過很高的數(shù)據(jù)速率來產(chǎn)生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對帶寬或最小帶寬在整個傳輸過程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據(jù)而不是窄脈沖所產(chǎn)生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復用（OFDM），在數(shù)據(jù)速率適當?shù)那闆r下也可產(chǎn)生UWB信號。因此，OFDM也是一種超寬帶的調(diào)制方式。本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調(diào)制

28、方式。4.1  PPM-TH-UWB 調(diào)制方式 在結(jié)合了二進制PPM的TH-UWB(二進制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信號的產(chǎn)生可以系統(tǒng)地描述如下(參見圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) 1。 SHAPE  “* MERGEFORMAT       圖4-1 PPM-TH-UWB信號的發(fā)射方案給定待發(fā)射的二進制序列b=(,b0,b1,bk,bk+1,)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個模塊使每個比特重復Ns次，產(chǎn)生一個二進制序列： (,b0,b0,b0,b1,b1,b

29、1,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)。這個模塊引入了冗余，其實是一種被稱為重復碼的(Ns,1)分組編碼器。一般術(shù)語上稱為信道編碼。第二個模塊是傳輸編碼器，就是應用整數(shù)值碼序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,)和二進制序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,),產(chǎn)生一個新序列d，序列d的一般元素表達式     dj=cjTc+aj          &#

30、160;           （4-1）式中,Tc和 是常量，對所有的cj滿足條件cjTc+ Ts，通常 Tc。這里的d是一個實數(shù)值序列，而a是二進制序列，c是整數(shù)值序列.現(xiàn)在我們遵循最常用的方法，假定c是企業(yè)界隨機碼序列，它的元素cj是整數(shù)，且滿足0 cj Nh-1。 碼序列c可能為周期序列，其周期表示為Np。兩種特殊情況值得討論。第一種,碼是非周期的，即 ；第二種是Np=Ns，這是最常用的一種，這時的編碼周期與二進制碼重復的次數(shù)相等。我們必須牢記：傳輸編碼扮演了碼分多址編碼和發(fā)射信號的頻譜形

31、成雙重角色1。實數(shù)值序列d輸入到第三個模塊，即PPM調(diào)制模塊，產(chǎn)生了一個速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses ) 序列。這些脈沖在時間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎(chǔ)上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時間也可表示為( )。注意是碼序列對c信號引入了TH位移，也正因為此，c被稱為TH碼。還要注意一點就是由PPM調(diào)制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱為碼片時間(chip time)。最后一個模塊是脈沖形成濾波器，其沖激響應為。必須保證脈沖形成濾波器輸出的脈沖序列不能有任何的重疊。  

32、0;           以上所有系統(tǒng)級聯(lián)以后的輸出信號 可表示             (4-2)比特間隔或比特持續(xù)時間，也即用于傳輸一個比特的時間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機性或者說是相對于Ts整數(shù)倍時刻的抖動。如果用隨機TH抖動 來表示由TH編碼cjTc引起的時間上的位移，并假定 在0和 之間分布，則可得到： 

33、60;           (4-3)正如前面提到的， 通常遠大于 。這兩個量的整體效果是產(chǎn)生一個分布在0和 之間的時間隨機位移量，用 表示這個時間隨機位移，可得發(fā)射信號的如下表達式：                (4-4)更一般性地概括式(4-2)所表示的信號，其思想是：對于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個不同的脈沖波形 和 來分別表示。上

34、面分析的PPM調(diào)制的例子，引入了 這個時間位移量，它的值根據(jù)它所代表的比特而有所不同，其實是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一種更一般的表達式：       (4-5)當將 設(shè)置為- 時，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結(jié)合，即PAM-TH-UWB模型1。系統(tǒng)模型如圖4-2所示 SHAPE  “* MERGEFORMAT 圖4-2  PPM-TH-UWB 發(fā)射器的系統(tǒng)模型圖4-2中的第一個模塊表示二進制源。這個模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進制流。第二個模塊表示重復碼編碼器。二進

35、制流的每一個比特都被重復次。第三個模塊仿真TH編碼和二進PPM。這里考慮偽隨機TH碼。最后一個模塊是脈沖形成。這個模塊的沖激響應表示要發(fā)射的UWB信號的基本脈沖波形1。圖（4-3）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時所產(chǎn)生的UWB信號  以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，   信號的抽樣頻率fc，     由二進制源產(chǎn)生的比特數(shù)numbits，  平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns，    碼片時間Tc（秒），     

36、60; 跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm,       脈沖波形形成因子tau（秒），         PPM時移dPPM（秒）。Stx: Pow=-30,   fc=50e9,   numbits =2,   Ts=3e-9,   Ns=5,Tc=1e-9,   Nh=3,   Np=5,  &

37、#160;  Tm=0.5e-9,   tau=0.25e-9,dPPM=0.5e-9   由圖4-3中可以看到輸出序列的前五個脈沖在其對應時隙的中間位置，而后五個脈沖則在其對應時隙的起始位置。 圖4-3  PPM-TH-UWB 發(fā)射機產(chǎn)生的信號圖4-4  PPM-TH-UWB的幅度譜由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調(diào)制都對幅度譜的高斯形狀產(chǎn)生扭曲。PPM-TH-UWB信號的幅度譜將完全包含在無TH編碼和無PPM調(diào)制的幅度譜包絡中，這是因為以同樣的形狀和同樣的平均功率傳輸?shù)乳g隔脈沖的結(jié)果。  

38、;            4.2  PAM-DS-UWB調(diào)制方式 直接序列擴譜（DS-SS）是一種著名的數(shù)字調(diào)制方式。這里，我們先回顧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特性的信號可以通過下面的過程產(chǎn)生：首先，用偽隨機碼或二進制PN碼序列對要發(fā)射的二進制進行編碼；其次，對一串窄脈沖進行幅度調(diào)制。這一過程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時脈沖在時域上是具有典型時間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠遠小于切普間隔，很容易得到D

39、S-SS-UWB的解析表達式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號是對載波進行幅度調(diào)制后得到的，通常使用二進制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒有專門的要求，這一過程可省略。1更詳細地，上述信號可以通過如下過程產(chǎn)生（見圖所示發(fā)射鏈路）。 SHAPE  “* MERGEFORMAT 圖4-5  PAM-DS-UWB 信號的發(fā)射方案假定待發(fā)射的二進制序列b=(,b0,b1,bk,bk+1,)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個系統(tǒng)將每個比特重復Ns次，得到序列：(,b0,b0,b0,b1,b1,b1,bk,bk,bk,bk+1,bk

40、+1,bk+1,)=a*，其速率為Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。與TH方式相似，系統(tǒng)引入的冗余相當于一個參數(shù)為(Ns,1)的重復碼編碼器。第二個系統(tǒng)將a*序列轉(zhuǎn)換成只含有正值和負值元素的序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,)，轉(zhuǎn)換公式為：( ).發(fā)射編碼器將一個由 1組成、周期為Np的二進制碼序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,)應用到序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,)，產(chǎn)生一個新序列d=a·c，其組成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns，更具一般性的假定是Np等于Ns的整數(shù)倍。注意，序列d的元素值為 1，這一點與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=

41、1/Ts (b/s)。序列d進入第三個系統(tǒng)PAM調(diào)制器，產(chǎn)生一個速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts   （脈沖/s）的單位脈沖（Dirac脈沖 ）序列，其位置在jTs處。調(diào)制器輸出的信號進入沖洲響應為p(t)的脈沖形成濾波器。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，沖激響應p(t)是持續(xù)時間為Ts的矩形脈沖。而在DS-UWB系統(tǒng)中，與TH方式相似，p(t)是持續(xù)時間遠小于Ts的脈沖。以上系統(tǒng)級聯(lián)后的輸出信號可以表示為              

42、0;  (4-6)注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時間，即傳輸一個比特所用的時間是Tb=NsTs。輸出的波形顯然是一個PAM波形。很容易知道，由于沒有時移而且脈沖以規(guī)則的時間間隔出現(xiàn)，計算式(4-6)所示信號的PSD要比計算式(4-2)所示信號的PSD更容易。上述方式的一種變形是使用PPM調(diào)制器代替PAM調(diào)制器，得到的信號可表示為：               (4-7)注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機特性，編碼會起到白化頻譜的作用

43、。其系統(tǒng)模型如圖4-6所示. SHAPE  “* MERGEFORMAT 圖4-6  PAM-DS-UWB 發(fā)射機系統(tǒng)模型圖4-6中的前兩個模塊分別表示二進制源和重復碼編碼器。第三個模塊是在重復碼編碼器的輸出端實現(xiàn)DS編碼和二進制PAM調(diào)制。我們考慮偽隨機DS碼，分配給一般用戶的是長度為NP的二進制碼序列。最后一個模塊是脈沖形成器1。圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機產(chǎn)生的信號圖（4-7）顯示了參數(shù)設(shè)置如下時所產(chǎn)生的UWB信號  以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，   信號的抽樣頻率fc，   &

44、#160; 由二進制源產(chǎn)生的比特數(shù)numbits，  平均脈沖重復時間Ts（單位為秒），每個比特映射的脈沖數(shù)Ns，    碼片時間Tc（秒），        跳時碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應持續(xù)時間Tm,       脈沖波形形成因子tau（秒），         PPM時移dPPM（秒）。Stx: Pow=-30,  

45、; fc=50e9,   numbits =2,   Ts=2e-9,      Ns=10,   Np=10,   Tm=0.5e-9,      tau=0.25e-9,這個信號由兩組脈沖序列組成，每組包含10個脈沖，每組映射信息源的一個比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個脈沖與第一組的10個脈沖在極性上是相反的。圖4-8  PAM-DS-UWB的幅度譜由圖4-8可以看出，幅度譜的包絡具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高

46、斯形狀。且Np（信號每比特發(fā)射脈沖數(shù)）值越大，圖形分布越寬，即幅度峰值越小。              4.3 OFDM調(diào)制技術(shù) 431 概述 多頻帶（MB）方式與本章前兩節(jié)分析研究的IR原理不同。根據(jù)2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過500MHz的信號都是UWB信號。因此，按照FCC規(guī)定的頻帶范圍3.110.6GHz，將此7.5 GHz的帶寬分割成最小帶寬為500MHz的若干個頻帶。為了盡量減小同窄帶通信系統(tǒng)的相互干擾，UWB采用較小的功率，于是UWB信

47、號對于窄帶通信系統(tǒng)來說相當于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機檢測到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾1。在每個子頻帶內(nèi)可以使用不同的數(shù)據(jù)調(diào)制類型，并不一定要用IR方式，正確的頻譜帶寬可以通過合適的比特速率實現(xiàn)。應用最廣泛的是眾所周知的正交頻分復用（OFDM）。432 多頻段OFDM-UWB信號產(chǎn)生             一個已調(diào)的OFDM信號由調(diào)制在不同載波頻率 上的同個并行發(fā)射的信號組成。這些載波等間隔地位于頻域上，其間隔為 。OFDM調(diào)制器輸入的二進制序列每K比特編為

48、一組，以產(chǎn)生具有N個符號的數(shù)據(jù)塊 ，這里假定 是L個可能的取值中的一個，K=N1bL。最后，每個符號調(diào)制一個不同的載波。為了并行傳輸數(shù)據(jù)塊的N個符號，不同的調(diào)制載波信號在頻率上必須正交。所有調(diào)制器使用相同的矩形波，其持續(xù)時間為T：           （4-8）如果符號 在星座圖中的點用 表示，OFDM信號中有N個符號的數(shù)據(jù)塊的表達式如下1：   （4-9）而相應的復包絡是        （4-10）其中

49、，S（t）是周期為T0的周期函數(shù)。式（4-9）中OFDM信號的數(shù)字變換相當于傳輸式（4-10）中復數(shù)包絡的抽樣值，也就是說傳輸序列可表示        （4-11）tc是抽樣周期。仿真OFDM調(diào)制信號，考慮的是OFDM各個載波使用QPSK調(diào)制的情況。仿真整個發(fā)射鏈路，產(chǎn)生式（4-9）的信號。433  OFDM仿真結(jié)果及其分析 要發(fā)射的總比特數(shù)numbits；   調(diào)制信號的中心頻率fp；   抽樣頻率fc；   每個符號在其相應載波上的傳輸時間T0；

50、60;   循環(huán)前綴的持續(xù)時間TP；保護間隔時間TG，   矩形脈沖響應的幅度為A， OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)N。(1)  numbits=8；   fp=1e9;   fc=50e9;   T0=242.4e-9; TP=60.6e-9;   TG=70.1e-9;   A=1;   N=4;    圖4-9  OFDM-UWB信號圖4-10 OFDM-UWB幅度譜圖4-10中的幅度譜由子載波的幅

51、度譜疊加而成。(2)numbits=8；   fp=1e9;   fc=50e9;   T0=242.4e-9; TP=0;    TG=50e-9;   A=1;    N=2;    圖4-11 OFDM-UWB信號圖圖4-11 OFDM-UWB信號幅度譜對比以上兩圖，可以看出，在同樣的時間里為了傳輸 通過一系列的仿真,我們可以得出以下結(jié)論:PAM、PPM兩種調(diào)制方法主要是為了進行信息數(shù)據(jù)符號對脈沖的調(diào)制，而信號中的偽隨機TH碼和D

52、S碼主要是為了產(chǎn)生信號的頻譜，使信號的功率譜密度在采用偽隨機碼調(diào)制后變得更加平滑，不能干擾到其它已經(jīng)存在的窄帶系統(tǒng)。OFDM具有良好的抗多徑干擾性能，通過頻率的合理選擇，能夠同現(xiàn)存的窄帶系統(tǒng)和開放頻段的通信系統(tǒng)具有很好的共存性，同傳統(tǒng)的超寬帶系統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢11。              5 性能分析及應用前景 5.1 脈位調(diào)制(PPM)和脈幅調(diào)制(PAM) 脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號的狀態(tài)數(shù)可以分為二進

53、制PPM(2PPM)和多進制(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個脈沖重復周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應。根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈沖位置。接收機利用相關(guān)器在相應位置進行相干檢測。鑒于UWB系統(tǒng)的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM。PPM的優(yōu)點在于：它僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需要進行脈沖幅度和極性的

54、控制，便于以較低的復雜度實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。因此，PPM是UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。對此超寬帶信號的幅度譜仿真也證明了這一點。如果不對這些譜線進行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求10。脈幅調(diào)制（PAM）是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關(guān)鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）。前者可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。當發(fā)射能量相同時，使用二進制PAM調(diào)制的信號可以比使用二進制PPM調(diào)制的信號獲得更好的性能。5.2  OFDM調(diào)制 OFDM有很多優(yōu)點：能夠提供較大的系統(tǒng)容量，具有較強的抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落和頻率擴散能力，適應多徑和移動信