硕士论文-冲激式超宽带通信系统理论及其多址技术研究.pdf

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1、西北工业大学硕士学位论文(学位研究生)题目：泣邀式超童董通信丕统理途及墓垒丝楚苤鲤究作者：盗蜇学科专业：通信量篮J 旦丕统2 0 0 7 年3 月两北工业大学硕十学竹论文摘要摘要超宽带(U l 仃a w i d e b a n d 简称u w B)技术是近年来研究机构和工业界广泛关注的技术，许多公司及高校也在进行这方面的研究。它具有结构简单、功耗低、隐蔽性能好、处理增益高、数据传输速率高和多径分辨能力强等优点，使得其非常适合在战场军事环境中应用。本文主要研究了无载波u w B 通信中系统设计方面的问题。主要可以归纳为：在无载波u w B 通信系统中，脉冲设计是最为独特和重要的部分之一。文中在对

2、几种不同的窄脉冲特性进行分析的基础上，研究了种混合波形设计方案，该方案能满足频谱规范对u w B 通信系统的要求，适合在超宽带通信中做为信息调制的脉冲波形。在u w B 通信系统中，为了进一步提升系统性能，需要对其做扩频调制处理，因此在设计u w B 系统时加入了码分多址调制。仿真结果表明，经过调制后的系统性能相对调制前有很大改善。在研究传统U w B 通信系统的基础上，提出了一种新的调制方式，这种调制方式将传统的脉幅调制和脉位调制结合起来。与传统的调制方式相比，由于加入了系统级联的思想，薪调制方式能在系统复杂度增加很小的情况下提高系统容量，并使系统的安全性及隐蔽性得到很大的改善。通过仿真结果

3、可以看出，新调制方式的功率谱密度相比传统调制方式更低，从而提高了系统的隐蔽性。关键词：超宽带，跳时，脉冲幅度调制，脉冲相位调制，功率谱密度，误码率西北1 二业大学硕+学付论文A B s l l 认c TA B S T R A C Tu l 仃a W i d cB a n d(U w B)i sat e c h n o l o g yt 1 1 a th 鹌b e e nd r a w nc o n s i d e r a b l ca n e n t i o nf b o mb o t ht h er c s e a r c hi n s t i t I l t i o na I l di I

4、 l d u s 竹r e c c n t l y，m 锄y m p 锄i e s孤dc o l l e g e sa l s 0c o n c e i m r a t eo nm i st e c l l l l o l o g y U W Bt e c h I l o l o g yh 髂t l I ef e a t u r e so fd e V i c cs i m p l e s s，l o w e rt r a I l s m i s s i 彻p o w e r h i 曲c rg a i n 锄dd a t ar a t e，m u l t i p a t l lr e l u

5、 t i o n p a b i l i t y nc a nb cd 印l o y e df o rm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n s 1 1 l i sp a p 盯m a i n l yd i s c I l s s e st h ck e yp o i n t si I In o-c a r r i c fU W B 锄m u n i c a t j o ns y s t 锄d e s i 印，t l l e s ec 孤b ec o n d u d e sa sf b l l o w s：n ep u l s ed e s i 印i

6、s 咖eO ft h em o s ts p e c i a la l l di m p o n a n tp a r t si nt h en o c a r f i c rU W Bc o m m u n i c a t i o ns y s t 锄T 1 l i sp a p c rb 咖gf o n】l，a r dam i x c dw a v e f o 彻d e s i 髓m e t h o db 鹞c d 彻m er c s e 砌O fs e V a ld i f f c r e n tp u I s ew a v e f o 玎n，t h i sm e t h o dc a

7、l lm e c tt l l es p e 咖mf c q u i r e m e mt ot h eU W Bc o m m u l l i c a t i o ns y s t c m T 1 l e r r f b r e，t l I i sd e s i g ni ss u i t a b l ef o ru s i l l gj nt h eU W Bs y s t e m ht h eU W Bc o m m u l l i c a t i o ns y s t e m，t o 锄h a n c ct l l es y s t e ma b i l i t y，s p r e a

8、 ds p e c t m mp r o c c s si sn e c e s s a 哆S Oi nt l l eU W Bs y s t 哪d e s i 印，t h e d cd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s(c D M A)1 1 h es i m u l a t i 衄r c s u l ts h o w st l l a tt h r o u g ht l l em o d u l a t j o n t l l es y s t e mp e r f b m l a n c eb e c o m e sb e t t e f n

9、 i sp a p e r b r i n gf b n a f dan e wm o d u l a t i o nm e t h o db a s e d t h er e s e a r c ho ft l I et r a d i t i o n a lm o d u l a t j o nm e t h o d T h en e wm o d u l a t i o nm e t h o du n i t e st h et r a d i t i o n a lt h ep u l s e 锄p l i t u d cm o d u l a t i o n(P A M)觚dp u

10、l s ep o s i 廿o nm o d u l a t i o n(P P M)，c o m p a f ct 0t l l et r a d i t i o n a lm o d u l a t i 伽m e t h o d，s j l l c ct h es y s t e mi sa d d e dt h ec o n c a t e n a t i o ni d，t h en e wm e t h o d 啪i m p r o V et h es y s t e mc a p a c i t y，s e c u r i t y 卸dj u s ta d dal i t t l e

11、i nt h cs y s t e m m p l c x i t y A c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr c s u I t s，t h ep O w c fs p e d r a ld e n s i t y0 ft h en e wm e t h o di sl o w e rt h a nt l l e 仃a d i t i o n a lm e t h o d，t t l e r c b yt h es y s t e m，sn c c a l m e n ta b j l i t yi si m p m v e d K e y

12、 w o r d s：U W B，t i m e h o p p i n g，n M，P P M，P S D，B E RI I西北工业大学学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为硒北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名沪7

13、 年夕彬日指导教师签名如。7 年?月，名|西北工业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导F 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名弘7 年，月如妞西北T 业大学硕十学伊论文第一章绪论第一章绪论1 1 论文研究背景及意义随着无线通信技术的发展，各

14、种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋饱和。然而，人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带(U l t r a w i d eB 翘du w B)技术引起了人们的重视，己逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个新热点。超宽带通信技术的特点使得它在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具有广阔的应用前景。在军事领域中，从超宽带通信技术问世以来，由于其优秀的性能，在未来的微型无人机(M A V)项目中有着广阔的发展前景。在像阿富汗那样复杂的地形以及伊拉克那样的城市环境中，需要飞行器更加接近地面执行任务。微

15、型无入机(M A v)的体积小、成本低、可探测性低、难于拦阻，组网灵活等众多优势使得其必将成为未来低空层次的主战无人机。而无人机在执行军事任务(尤其是进行攻击)时，进行必要地组网可以有效的提高其整体的抗毁性和战斗力。因此在实际的军事行动中，势必将多架微型无人机进行组网形成一体化的微型无人机群，然后将上百架这种微型无人机进行组网并投放到所需地区上空，并使其四处飘游。由于微型无人机几乎是不可探测的，所以该微型无人机群可以完成很多艰巨的任务，从监视、打击移动目标到重要区域保护，从探测大规模杀伤性武器到战场环境成像等等。更为重要的是，在战争中，攻击型微型无人机群可以对航母甲板上的舰载机群或军舰进行毁灭

16、性打击。对M A、，的研发，将面临着许多关键技术的进一步研究、论证和实验。而超宽带技术可以在近距离内获得极高的数据传输速率并且具有很强的隐蔽性，使得它非常适合作为无线网络的接入技术。本文结合国内某研究所无人机项目，对该所进行的小型无人机通信系统进行预研及技术论证，在此基础之上，对该项目中若干环节提出具体的设计方案，使得超宽带数据链在工程实践中的关键技术得到改进和提高。1 2 超宽带通信技术简介、系统组成及关键技术1 2 1 超宽带通信技术简介西北二r 业大学硕七学付论文第一章绪论目前各国对超宽带技术的定义不尽相同，美国F c 对于超宽带的定义为：翌釜二；盟 2 0(或者总带宽超过5 0 0 M

17、 H z)(1 1)c式中，H、，L 分别为功率较峰值功率下降1 0 d B 时所对应的高端频率和低端频率，五为载波频率或中心频率，如图1 1 所示。由图可以看出，u w B 信号的带宽不同于通常所定义的3 d B 带宽。图1 1 超宽带信号与窄带信号比较“超宽带”信号只是从信号带宽的角度定义无线电信号的，因此有多种不同的实现方式。其中，最典型的实现方式是采用冲激无线电(m，I l n p u l s e R a d i o，又称脉冲无线电，P u l s c R a d i o)它是以占空比很低的窄脉冲(纳秒级宽度)而不是以正弦载波作为信息载体的无线电技术。本文中所称“超宽带”都是指这种基于

18、窄脉冲实现的超宽带，即超宽带冲激无线电(u l t mw i d e b 锄dI l I l p u l R a d i 0)。显然，超宽带无线电直接发射冲激脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念。此时发射的信号既可看成是基带信号(依常规无线电而言)，也可看成射频(R F)信号(从信号的频谱特性而言)。超宽带信号的带宽主要由脉冲波形决定(发射天线通常作为带通滤波器)，一个信息符号可映射为多个这样的脉冲。由于脉冲的宽度很窄，发射信号具有很宽的频谱。超宽带信号的这些性质决定了它有如下特点：1 隐蔽性超宽带无线通信发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲宽度通常在1 n s 以下，射频带宽可达1 G H

19、 z 以上，且所需平均功率很小，信号隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检测。这是超宽带信号较之常规无线电通信最突出的特点。2 高处理增益处理增益定义为信号射频带宽与信息带宽之比。超宽带无线电通信可以傲到比目前实际扩频系统高得多的处理增益1 2 J。2两北下业大学硕士学位论文第一章绪论3 穿透能力超宽带信号的频谱从接近直流到几个G H z，信号中的低频成分具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。试验表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可以适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像。4 多径分辨能力由于超宽带信号是时间极短，占空比极低的脉冲，在

20、接收端，由于多径距离应小于脉冲宽度和传播速度的乘积，因此多径距离是很小的，多径信号在时问上能做到有效分离。大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达(1 0 弓O)d B的环境，对超宽带信号的衰落最多不超过5 d B。另外，由于多径信号在时间上很容易分离，可以方便的利用R a k e 接收技术，以充分利用发射信号能量，提高信噪比，从而改善通信质量。5 高传输速率数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。对于高质量的多媒体业务，高速率传输技术是必不可少的基础。从信号传播的角度考虑，超宽带无线通信由于能有效减小多径传播的影响而使其可以传输高速率数据。目前有文献表明，在近距离上(3

21、。4 m)的传输速率可达4 8 0 M b，s。6 空间容量大“空闻容量”(比特，(秒米2)：b(s m 2)是实际应用中的重要指标，根据h I t e l 公司的研究报告，正E E 8 0 2 1 1 b 的空间容量为1 k b(s m 2)，蓝牙的空间容量为3 k b(s m 2)，m E E 8 0 2 1 1 a 的空间容量为8 3 k b(s m 2)，超宽带无线通信的空间容量为1 0 0 0 k b(s m 2)。在空间容量方面，超宽带无线通信比现有的系统具有更大的优势。直观比较如图1 2 所示。8 u e 协撒h 2，I E E t#W，0，图1-2 超宽带无线通信与几种无线技术

22、的空间容苗比较3徽上TTTJJ+tlJ上娴潮。西北下业大学硕十学何论文第一章绪论7 收发设备简单因为可以直接发射无载波的脉冲串，不需要进行传统的中频和射频调制，收发设备也就比传统信号的收发信机简单。此外，由于纳秒级的窄脉冲具有很强的测距精度，采用超宽带无线通信，很容易将测距、定位与通信合一，这也是超宽带通信技术发展的一个新趋势。1 2 2 超宽带通信系统组成目前超宽带通信系统的组成方式依据其调制方式的不同有：脉冲幅度调制(P A M)、脉冲位置调制(P P M)调制、直扩调制(D S U w B)以及混合调制(如跳时脉幅调制或跳时脉位调制)等。本文重点对跳时脉幅调制(T H P A M)及跳时

23、脉位调制(T H P P M)进行研究，并提出一种新的调制方式，将之命名为脉幅置乱跳时脉冲相位调制。其系统组成如图1 3 所示。图1-3 超宽带脉幅置乱跳时脉冲位置调制系统组成框图对超宽带无线通信系统的研究包括脉冲波形设计，无线信道模型研究，冲激序列的产生、调制、发射、接收、同步，以及系统性能分析等方面，对该系统性能的研究将在后续章节中详细讨论。1 2 3 超宽带通信系统关键技术本文重点介绍的超宽带通信系统中的关键技术包括信号波形产生、信道模型分析、扩频及数据调制、数据解调及同步。下面对这几项技术做简单介绍。1 2 3 1 脉冲调制技术4西北丁业大学硕十学仿论文第一章绪论冲激式超宽带系统中信息

24、的发送是使用极窄脉冲来实现的。由于脉冲的存在时间极短，因此其频谱范围极宽。在设计超宽带通信系统时，一定要考虑与其它窄带系统之间的干扰问题。所以，调制脉冲的选择是系统设计中重要的组成部分。可以说，脉冲设计的好坏将直接影响到系统的性能。因此，设计具有良好特性的窄脉冲会为系统的建立打下坚实的基础。超宽带通信系统中窄脉冲的特性分析及脉冲的选择将在第二章中详细介绍。1 2 3 2 信道模型分析由于无人机使用的环境主要是在室外，因此，分析超宽带信号的室外信道模型将有助于了解超宽带无线电通信系统的性能。超宽带信号传播特性分析对于系统设计，如天线分集、均衡、编码等问题和性能分析等诸多方面都是非常重要的。由于国

25、内外介绍超宽带室外信道模型的相关文献并不多，因此寻找适合超宽带信号的室外信道模型是一项非常有意义的研究工作。本文将在第三章重点介绍几种超宽带室外信道模型，并对其进行分析。1 2 3 3 扩频及数据调制超宽带通信系统的建立，并不只是简单的脉冲形成及发送。任何通信系统都需要在发射端进行数据的调制处理，超宽带系统也不例外。当发射系统只是简单地发送窄脉冲时，实验表明，系统的性能并不理想，有必要对其进行调制处理。由于扩频通信的诸多优点，以及近年来该技术的快速发展，在本文中的系统设计时，融入了扩频通信中的码分多址技术。即使用跳时码进行数据调制，这样不仅能够满足系统实际应用中对多用户的要求，也改善了系统的频

26、谱性能。众所周知，扩频通信能够有效改善信号频谱的特性，使信号频谱具有类似高斯白噪声的特性。在超宽带系统中使用扩频技术，对系统的鲁棒性以及隐蔽性都具有很重要的意义。另外，目自U 超宽带系统主流的调制技术有P P M 及P A M 等。P P M 及P A M 调制都具有各自的优点，但是这两种调制技术也都存在不可避免的不足，如P A M调制数据速率低，而P P M 调制抗干扰能力差。因此，本文在对这两种技术研究的基础上，提出了一种基于伪随机脉幅置乱跳时脉冲相位调制(T H P P M)方法。该方法能够将P P M 及P A M 调制的原理结合起来，使系统同时具有它们的优点。经过仿真分析表明，新调制

27、方式能够有效改善系统性能，具有一定的实践应用价值。5两北T 业大学硕十学付论文第一章绪论1 2 3 4 数据解调及同步在超宽带通信数据解调中，最常用的是相关接收，即将接收到的信号与本地参考信号相乘并在一定时间上积分，得到相关值，然后通过与门限比较来判断超宽带信号所携带的信息。而同步是接收端正确接收解调信号的前提，其原理是令接收端脉冲序列与接收到的超宽带序列对齐，以保证相关运算的有效性。由于超宽带信号是纳秒级的脉冲序列，所以超宽带系统对同步要求精度很高，尤其是本文中使用的脉位调制系统。这一方面要求超宽带系统采用精度极高的时钟，目前超宽带系统的时钟精度可达3 D s，基本满足要求；另一方面，也要求

28、采用快速、精准的同步方法。本文将在第五章重点介绍系统解调及同步。1 3 超宽带通信发展历史、现状及未来发展方向超宽带技术源于时域电磁学中用莫雷微波网络固有的冲激响应描述其瞬时特性的研究。最早的超宽带脉冲通信可追溯到1 0 0 年前马可尼试验越洋无线电通信获得成功，这可看做早期的粗糙的脉冲无线电。1 9 4 2 年，D eR o s a 提交了随机脉冲系统的专利，但因为二战的影响直到5 0 年代才予以发表。1 9 6 0 年以后，学术界才逐渐认识到用做无线传输和雷达的信号，并不一定必须具有近似正弦函数的时间变化规律。为了测量微波网络的冲激响应，必须提供冲激函数的适当近似，产生极短持续时间、非正弦

29、的脉冲信号。当将冲激测量技术用于宽带辐射天线单元时，显然可以用同样的装置丌发短脉冲雷达和通信系统。超宽带信号在上世纪6 0 年代开始应用于科学研究、仪器和检测领域，并在7 0 年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注。8 0 年代通信领域研究人员开始研制超宽带脉冲无线电通信系统，但由于受到当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛应用。9 3 年R A S c h o l t z 在国际军事通信会议发表的论文论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而开辟了将超宽带脉冲作为无线电通信信息载体的新途径，它具有的优越性也使其日益受到重视。超宽带信号优异的传输特性决定了其在军事与安全领域的地位，所

30、以在1 9 9 4 年以|j 超宽带领域的早期研究，特别是冲激无线电通信领域的研究，属于美国政府的机密计划。1 9 9 4年以后，许多研究计划才取消了保密限制，从而加快了超宽带技术的发展速度。超宽带技术研究涉及超宽带信号的产生、调制、辐射、传播、检测等诸多方面。目前美国曩m ed o m a i n 公司处于该技术研究领域的前沿，采用脉冲定位调制6两北1=业大学硕十学位论文第一章绪论(P P M)和优化的接收匹配滤波器技术已研制出通信原形样机。包括全双工1 3 G H 匕系统(码速率3 9 或1 5 6 k b p s，通讯距离1 6 k m，平均功率2 5 0 I l w)和全双工1 7 G

31、 H z 系统(码速率3 2 k b p s，通讯距离9 0 0 恤，平均功率2 m w)以及单工工作2 G 数传系统(码速率5 M b p s，通信距离l O 米)。M u l t i s p c c t r a lS o l u t i s 研究所(M S s I)以开发通信解决方案和高解析度雷达见长，1 9 9 4 年以来，M s S I 公司已经承担了三十多项美国政府和军事部门有关超宽带的研究项目，所采用的超宽带信号产生技术的调制方式不同于啊m eD o m a i n 公司。n m eD o m a i n 公司使用短脉冲直接激励天线，而M s s I 使用谱滤波法，谱滤波法可以有效

32、地控制输出频谱的范围。调制方式分别为P P M 和幅度键控。M s s I 开发的超宽带装置有超宽带手持式无线电，数据速率1 2 8 K b p s(C V S D 语音)或1 1 5 2 l【1)p s(数据)，峰值功率1 W，L 波段中心频率，带宽为中心频率的2 7，传输距离1 2 k m；超宽带网络无线电，其信道速率可达1 5 4 4 M b p s，峰值功率1 0 w，传输距离l 2 k m；高速超宽带无线电速率则可达2 5 M b p s。为了推广超宽带技术民用产品的市场应用，F c C(美国联邦通信委员会)在1 9 9 8 年8 月发布了超宽带技术应用调查通告(N O I：N o

33、t i c co fI n q u 打y)，得到来自对关注超宽带技术应用的众多公司机构的积极响应。2 0 0 0 年5 月F C C 发布了有关超宽带技术的条例制定建议通告(N P R M：N o t i c co f P r o p o s e dR u l eM a l【i n g)，旨在就超宽带设备的可能发送限制、测量方法及用法的局限性征求意见。2 0 0 2年2 月F c c 通过了超宽带在民用领域应用的初步规范。2 0 0 3 年2 月F C c 又对该规范进行了确认，并局部放宽了对成像系统频带的限制，这是超宽带走向商业化的一个重要晕程碑。而且，F c C 将在今后继续探讨超宽带技术

34、的完善，并有可能进一步放宽超宽带应用标准值方面的限制。因此，有理由相信，在不久的将来，超宽带技术一定能得到飞速地发展。正如啊m eD 锄a i n 公司总裁R a l p hP e 仃o f f所说的“目前超宽带通信技术还不为众人所知，但此项技术将会对以后的社会和经济带来重大的影响”，“它现在的位置就像j n t e m e t 在9 3 到9 4 年时期的一样”1 3 1。国内在超宽带技术的研究方面取得的成果主要集中在超宽带信号产生及有效辐射，但国内对超宽带无线通信的研究起步较晚，国内市场上还没有任何产品，其电路实现技术研究刚剐起步，组网及其应用技术研究几乎空白。目前国家8 6 3计划己立项

35、进行超宽带无线通信的研究，超宽带无线通信的研究己开始引起国内通信业界的关注。砷北T 业大学硕十学何论文第一章绪论1 4 论文内容及结构安排本文重点对超宽带调制种的波形调制，超宽带信道模型，以及几种常见的超宽带通信系统模型进行研究，并提出一种基于伪随机脉幅控制的T H P P M 调制方式，建立调制发射机、接收机系统模型，在此基础上使用m a t I a b 仿真工具进行系统仿真，并分析所提调制方式的系统性能，最后提出设计方案发展的方向。论文的结构安排如下：第一章首先说明了论文的研究目的及意义，对超宽带通信及其系统组成、关键技术做简单介绍，分析了该研究领域的历史及研究现状，并进行论文的结构安排。

36、第二章详细介绍了超宽带信号波形调制方式及其频谱性能，分析了波形参数设置对系统性能的影响以及在F C C 室外辐射掩蔽条件下相应的波形参数选择。第三章主要对超宽带信号室外信道模型及传播特性进行了分析。首先介绍了超宽带信号在室外模型中的几个重要参数。接下来对超宽带信号在室外环境下的性能进行了分析，并给出了几种典型的室外信道模型。最后，对在室外环境下的超宽带信号的功率限制和链路预算进行了分析，并推导了在给定功率及系统输入信噪比条件下，信号最大传播距离的计算公式。第四章研究了超宽带通信系统的几种典型调制方式，如T H P P M 和T H P A M方式。主要研究了二者的调制原理、特点，以及相关的频谱

37、性能。在此基础上，提出了一种新调制方式，并对该调制方式的性能进行分析，最后得出结论。第五章主要对超宽带通信系统的解调以及同步进行了研究，给出了典型的超宽带通信接收方式以及P P M 和P A M 调制误码率推导公式。在此基础上，还推导了第四章中提出的新调制方式的误码率计算公式。第六章对全文进行总结，并提出了下一步对系统进行改进的方法和深入研究的方向。8西北T 业大学硕十学竹论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究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至关重要的，因为它会影响传输信号的功率谱密度(P s D)1 4】。超宽带通信与普通的窄带通信有

38、所不同，在超宽带通信系统中，不是使用连续的正弦波对信号进行调制，而是采用离散的冲激窄脉冲对信号进行调制。事实上，产生非正弦脉冲要比产生脉冲调制正弦波更容易，更经济。超宽带大电流辐射(、R，L a r g eC u 盯e n tR a d i a t o r)天线的问世，使得利用一些经济的技术和工艺(如c M O s 芯片)来产生持续时间在n s 级的脉冲成为可能。实验表明，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，而且这个阶跃电流跳变越陡峭，所产生的脉冲宽度就越窄【5 J。2 1 超宽带系统脉冲超宽带系统中有几种典型的窄脉冲，窄脉冲是信息载体，通过对窄脉冲的调制寄载

39、要传输的信息。为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零，即对脉冲p，有：仁p(f)出-o(2-1)2 1 1 高斯脉冲脉冲产生器最容易产生的脉冲波形其实是一个钟形，一个高斯脉冲p(f)可以用下面的函数描述：，(f)_ 寿e 寺令口2 一口2 4 石，则有：类似于高斯函数波形，(2 2)巾)。亚。一等(2 3)o 影响脉冲的宽度及幅度，称为脉冲波形的成型因子，选取适当的口，可以9西北T 业大学硕十学付论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究产生多种脉宽及能量谱(E S D)不同的脉冲。当口由0 5 n s 开始，以步长为0 1 n s增加到1 5 n s 时，厂O)的波形和E s D 如图2

40、1(a)所示。由图可以看出，脉冲的宽度取决于脉冲成型因子口。减小口的值将会使脉冲宽度压缩，从而扩展传输信号带宽。因此，同一波形可以通过改变脉冲成型因子的值来得到不同的带宽，图2 1(a)中不同波形相应的频谱图如图2 1(b)所示。众所周知，高斯脉冲具有无限的持续时间，这将会不可避免地导致脉冲混叠和符号间干扰(I S I)。因此，可以考虑通过设计合理的脉冲有限持续时间，使其截断能量低于一个给定的门限，在这样的情况下，脉冲形成因子的口的上限由不超过u w B 通信时每切普(c h i p)持续时间孔给定，而下限则由产生极窄脉冲的技术水平限制。图2 1 成型因子不同时的高斯脉冲波形及频谱图事实上，虽

41、然高斯脉冲波形不满足式2 1 所示的条件，但是由高斯脉冲的各阶导函数表示的波形都满足式2 1 所示的条件。高斯脉冲O 至5 阶导数函数如表2 1 所示，其对应的脉冲波形如图2 2 所示，其对应的功率谱密度波形如图2 3所示。其中，成型因子a 设置为O 7 1 4 n s。表2 一l 高斯脉冲各次微分及其功率谱密度时域波形时域波形0一。一“31 缸k。弓!二堑：!塑：2加2口61竺。舌4蜥2 e 一L 2 等2“一d 2一恤。；(一口2+钿2)5m k 哪5。L 4 等2“，1 0两北T 业大学硕十学位论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究釜高斯脉神争5 次微分棱形图图2-2 高斯脉冲及其前5 阶

42、导函数波形图2-3 高斯O 巧次微分脉冲功率谱密度图通过对高斯脉冲微分及能量谱密度波形的观察，发现对高斯脉冲的微分也会影响其能量谱密度。峰值频率和脉冲带宽都会随微分阶数的增加而改变，峰值频率，删。、导函数的阶七和脉冲成型因子口三者之|日J 的关系式【6 1 为：，t-抠j 尸(2 4)“、，J 式(2 4)表明，随着高斯导函数阶数的增高，其峰值频率也相应提高。因此，微分是一种将能量搬移至更高频段的方法。式中三个参数对应关系如图2 4两北T 业大学硕十学付论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究所示。图中计算时取成型因子口最小值为0 2 加7 n s 之间变化，增量步长为0 1 n s。图2-4 高

43、斯脉冲导函数峰值频率与口关系曲线图由以上分析可知，微分和求导都可以影响高斯脉冲能量谱密度，二者都可以在形成发射脉冲时对脉冲能量起到调制作用。但是，通常情况下普通高斯脉冲所具备的频谱很难满足某些特定要求。2 1 2 其它脉冲信号除了上节所提出的高斯脉冲之外，还有很多其它脉冲可以作为超宽带通信的调制脉冲，比较常见的有：升余弦脉冲、多周期脉冲、高斯脉冲改进、R a y l e i 曲脉冲等。升余弦脉冲的信号时域表达式为：坼从铬)【器】(2-5)其中，劬是-6 d B 频率点，A；B 一，五，B 是脉冲带宽，|I l(f)为一个低通信号(一，6 n，+，。)，需要搬移到超宽带信号通信频段，取3 1 1

44、 0 6 G H z 频段，中心频率为，c(6 8 5 G H z)，这样，传输信号为：，p)=p)c o s(2 嗔f)(2-6)(f)的频域表达式为：H(，)一1I，l B两北丁业大学硕十学位论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究其中，五=，盔一厶，式2 6 所示信号波形及频谱如图2-5 所示。图2 _ 5 升余弦脉冲波形及频谱图升余弦脉冲的频谱更适合F c C 关于超宽带信号的规范1 6】，但是由图可以看出，升余弦脉冲有旁瓣脉冲，设计产生这样的信号是很困难的。另一种产生超宽带信号的方法是使用一小段正弦信号，该信号由个正弦周期组成，其表达式1 7 l 为：一r?笔一沼8，一s i n(。咋f

45、)m(f)一H(f 一r)1其中，畔-2 万r，r 为正弦波的周期，“(f)为阶跃信号，对于整数的N，脉冲信号的傅立叶变换为：烈奶-(1-e x p(-硼揣一卅，等瑚n c 等，品心母图2 6 为多周期正弦脉冲信号的波形和频谱图。图2 6(a)为多周期正弦脉冲，图2 6(b)为在N 分别取1、2、3 时，相应周期正弦脉冲的频谱图。由图可以看出，这种正弦周期脉冲信号以F 弦波频率为中心，主瓣宽度和正弦波周期数成反比。西北工业大学硕士学付论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究：Il；jI，7“+“4。”1|f 7|f；j!|j!IlI?1 一j!l(a)周期正弦脉冲图(b)多周划正弦脉冲频谱图图2

46、6 多周期止弦信号波形和频谱图最后介绍一种高斯脉冲改进信号，这种方法使用双极性高斯脉冲，它由一正一负的两个高斯脉冲组成，脉冲间有一个间隔t，如图2 7(a)所示。其傅立叶变换对应的表达式为：P(叻t2 玎e x p(一w 2)【1 一e x p(一V r)】。4，石e x p(一w：一J 等)s i n(半)2 加图2 7(b)中虚线所示为普通高斯脉冲频谱，实线为双极性高斯脉冲频谱。由图可以看出，由于双极性高斯脉冲信号中没有直流分量，功率谱中存在零点，这样可1 4西北T 业大学硕十学位论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究以设计脉冲使得零点对应现有窄带系统占据的零点，从而减小相互干扰。因此，双极

47、性高斯脉冲功率谱特性较之普通高斯脉冲有很大改善。(a)双极性高斯脉冲信号波形(b)双极性两斯脉冲与普通高斯脉冲频谱比较图2 7 双极性高斯脉冲波形与频谱它的时域表达式为：p(f)。善仞。一，乃)一p(f 一，弓一f)其中，P(f 一，弓)为周期为乃的高斯脉冲串，其傅立叶变换为：p(w)一2 石e x p(一w 2)【1 一e x“一，f)】4，石e x p(_ w 2 一，等)s j n(詈)2 2F C C 室外辐射掩蔽及相关传输脉冲设计(2 1 1)(2 1 2)F C C 室外辐射掩蔽是美国联邦通信委员会(F C C)为了限制超宽带信号的无1 5两北T 业大学硕七学付论文第二章超宽带信号

48、极窄脉冲特性研究线电发射功率而制定的。共包括四个部分：室内系统辐射掩蔽、室外手持式设备辐射掩蔽、穿墙系统监视系统辐射掩蔽以及透地雷达成像、墙内成像及医疗成像辐射掩蔽。制定辐射掩蔽的目的是为了尽量降低超宽带系统对其它无线通信系统的干扰。本节将具体讨论在F c C 室外手持式设备频谱规范的条件下设计合适的超宽带通信系统窄脉冲。2 2 1F C C 室外辐射掩蔽模型通常来说，超宽带无线电信号与其它无线电信号同时存在于自由空间中，因此，可能对其它通信系统产生干扰，这就需要在任意给定频率上的空中接口都必须有一个最大允许功率，以保证对其它通信系统的干扰被限定在一个范围内，这个功率由辐射掩蔽(啪i s s

49、i o nm 硒k)决定。由于课题背景涉及室外特别是无人机投放环境下超宽带无线电信号传播，文中重点讨论F c c 对手持式和室外超宽带无线电信号的辐射掩蔽规定，其辐射掩蔽如图2 8 所示，具体数值由表2 2 所示。同时，在应用背景条件改变的情况下，也可以改变脉冲辐射掩蔽参数，以适应新的环境要求，本文只讨论F c c 规范下的脉冲设计情况。J ，薹一”M y m G o 图2 8 手持超宽带和室外超宽带的F C C 辐射掩蔽表2 1F c C 对室外超宽带通信的辐射掩蔽值F r e q u e n c yE I R PM H zd B m M H zO 一9 6 04 1 39 6 0 1 6

50、1 07 5-31 6 1 0 1 9 9 06 3 31 9 9 0 3 1 0 06 1 33 1 0 0 1 0 6 0 04 1 3A b o v e1 0 6 0 06 1 3西北丁业大学硕十学位论文第二章超宽带信号极窄脉冲特性研究2 2 2 传输脉冲设计根据第一节的讨论可知，单个高斯脉冲并不能够满足F C c 对于室外辐射掩蔽的规定。因此，根据求导运算对脉冲频谱的搬移作用，可以考虑合并前文所讨论的若干参考脉冲波形来调节脉冲的能量谱密度，使之逼近辐射掩蔽。为简化讨论，假设所要产生的脉冲为单个脉冲而不是多个脉冲。相关实验表明，只要单个脉冲能逼近辐射掩蔽，那么其经过调制和编码后的脉冲也能