基于SAW器件的超宽带无线通信系统设计dkba.docx

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1、基于线性性调频脉脉冲压缩缩技术的的超宽带带通信系系统设计计张文杰，王王艳芬（中国矿矿业大学学 信息息与电气气工程学学院， 江苏苏 徐徐州 22110088）摘要：基基于线性性调频脉脉冲压缩缩技术产产生的线线性调频频信号具有有良好的的自相关关性以及及匹配滤滤波后尖尖锐的时时域特性性，本文将该技术用用于超宽宽带无线线通信，研究了线性调频信号频谱结构，设计了线性调频调制的超宽带无线通信系统，并对该系统的各点波形和传输特性进行了仿真。结果表明Chirp信号的频谱能很好的满足FCC对UWB辐射掩蔽的限制，信号具有较高的频谱利用率。在满足一定误码率的情况下，信号传输距离可以达到900米。关键词：超宽带带；

2、线性性调频扩扩展频谱谱；声表表面波；线性调调频信号号中图分类类号: TN992秒年年Ultrra wwideebannd wwireelesss ccommmuniicattionn syysteem ddesiign bassed on commpreesseed cchirrp ZHANNG WWen-Jiee, WWANGG Yaan-FFen(Schhooll off Innforr. aand Eleectrr. EEngiineeerinng, ChiinaUUnivverssityy off Miininng TTechhnollogyy, XXuzhhou, Jiianggsu

3、22210008)Absttracct:WWithh thhe eexceelleent auttocoorreelattionn annd kkeenn eddgedd tiime prooperrty aftter thee maatchhed fillterr off chhirpp. TThe chiirp sprreaddspeectrrumttechhniqque appplieed ffor Ulttra-Widdebannd bbaseed oon ccomppresssedd chhirpp.We ppressentted thee sppecttrumm annd ppre

4、ssenttedtthe CSSS UWWB wwireelesss ccommmuniicattionn syysteem. Simuulatte eeachh waave andd thhe ttrannsmiit ccharractteriistiic oof tthiss syysteem. Theesimmulaatioon rresuultss shhow thaat tthe powwer speectrral dennsittydiistrribuutioon (PSDD) oof tthe pullse genneraatedd heere cann coompllywiit

5、h FCCC emmisssionn maask reggulaatioons on UWBB, aand thiispuulsee haas vveryy hiigh speectrrum utiilizzatiion rattio.The siggnall trranssmitt diistaancee caan aachiievee 9000 mmeteers.Key worrd:UUWB; Chhirpp Sppreaad SSpecctruum ；Surrfacce aacouustiic wwavee; CChirrp1. 引言超宽带（UWB）通信是利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄

6、脉冲序列进行通信的一种技术。窄脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯波形、厄密特脉冲等，然而在基带窄脉冲UWB通信中，基带窄脉冲包含较多的低频分量，因此在FCC关于UWB通信功率谱的规定下,频谱利用率不高。这就要求我们选取的脉冲波形在时域上应当平滑，并且功率谱密度容易由时域参数控制。而传统的高斯波形、厄密特脉冲等形式不能保证波形之间的正交性,从而在接收端用户间存在较大的干扰,造成误码率上升，影响系统性能。Chirrp(线线性调频频)信号号由于其其具有较较大的时时间带宽宽积、便于匹匹配滤波波检测，容容易产生生等特点点在雷达达系统中中被广泛泛采用，随着现代模拟信号处理技术声表面波器件（SAW）的发展，

7、可以由低成本、低功耗、低复杂度的声表面波滤波器利用脉冲压缩技术产生和检测线性调频信号。Chirp信号的频谱满足FCC（美国联邦通信委员会）对超宽带（UWB）辐射掩蔽的限制，具有较高的频谱利用率，我们可以适当的提高其带宽来提高传输距离和传输速率。本文将线性调频脉冲压缩技术用于超宽带无线通信，设计了线性调频调制的超宽带无线通信系统，并对该系统的线性调频信号频谱和传输特性进行了仿真， 该系统可以作为超宽带远距离通信的模型。2线性性调频信信号特性性分析线性调频频矩形脉脉冲信号号可表示示为（1）式中矩形形调制函函数为（2）式中，为为中心频频率，BB为调频频带宽，TT为矩形形调制脉脉冲的时时宽，aa为矩形

8、形调制脉脉冲的幅幅度，为为调频斜斜率，。称为正正向线性性调频脉脉冲(Up-Chiirp)，其瞬瞬时频率率不断增增大；为为反向线线性调频频脉冲(Dowwn-CChirrp)，其频频率不断断减小。当Chiirp信信号通过过匹配滤滤波器后后，其输出出信号可可以表示示为（3）从式中可可以看出出经过匹匹配滤波波器输出出的波形形其包络为为辛格函函数，具有尖尖锐的时时域特性性，输出出压缩脉脉冲的包包络幅度度增加倍倍，即输输出信号号的峰值值功率增增加为输输入信号号的D倍倍。相对对于发送送的Chhirpp信号在在时域上上被压缩缩了BTT倍（称称为压缩缩增益比比），相相当于符符号宽度度减小，多多径叠加加的效应应被

9、减弱弱，符号号间干扰扰相应的的减小。匹匹配滤波波器的设设计可以以由SAAW器件件完成，称称为声表表面波相相关器，对对于实际际信道传传输造成成的信号号幅度衰衰减和时时间延迟迟参数都都可以通通过编程程调节SSAW的的相关参参数来实实现。线性调频频信号的的频谱为为 （4）根据式（44），我我们仿真真得出了了Chirrp脉冲冲的功率率谱密度度，如图11所示。其中参参数选择择为：信号持持续时间间T=11e-66s, B=7GGHZ，=7GHHZ，当当时，。从图中中可以看看出Chirrp信号号的频谱谱能很好好的满足足FCCC对UWBB辐射掩掩蔽的限限制，并并且具有有较高的的频谱利利用率。在FCC对UWB辐

10、射掩蔽的范围内，可以调整带宽及发射功率的办法来满足不同用户的需求。相对于传统的高斯脉冲，Chirp脉冲信号可以更好地满足FCC要求，从而可以更充分地利用其提供的频谱资源，实现远距离通信。图1 cchirrp信号号功率谱谱密度3.基于于线性调调频脉冲冲压缩技技术的超超宽带无无线通信信系统设设计与仿仿真3.1 系统设设计与波波形仿真真基于线性性调频脉脉冲压缩缩技术的的线性调调频扩谱谱发射机机的原理理如图22所示，发发射机的的关键部部件是两两个分别别具有正正负调频频斜率的的SAWW-Chhirpp滤波器器。输入入数据首首先对时时钟脉冲冲进行选选通。当当输入编编码信号号为“1”时，激激励脉冲冲产生器器

11、产生的的窄脉冲冲激励UUp-Chiirp滤滤波器，输出正斜率的线性调频信号。当输入编码信号为“0”时，激励脉冲产生器产生的窄脉冲激励Down-Chirp滤波器,输出负斜率的线性调频信号。将波形（2）和（3）相加，即可输出连续的正斜率（对应于编码信号“1”）和负斜率（对应于编码信号“0”）的线性调频扩谱信号。发射机各点波形图如图3所示。时钟脉冲信号输入 1发射天线 激励脉冲产生器激励脉冲产生器Up-chirpDown-chirp+功放234图2线性性调频UUWB通通信系统统的发射射系统方方框图(a)波波形1（输入入数据：1 00 0 1 00）(ff)波形形6(b)波波形2 (gg) 波波形7(

12、c)波波形3(h) 波形形8(d) 波形4 (i)波形9(e) 波形5(j) 波形形10图3线性性调频UUWB通通信系统统的发射及接接收系统统各点波波形接收机的的原理框框图如图图4所示，输输入的线线性调频频扩谱信信号经放放大后同同时加至至下降和和上升CChirrp滤波波器。对对于正斜斜率的线线性调频频扩谱信信号（对对应于编编码信号号“1”），由下下降Chhirpp滤波器器进行匹匹配滤波波，并输输出一个个经过脉脉冲压缩缩的中频频相关峰峰，而此此时上升升Chiirp滤滤波器对对正斜率率的线性性调频的的频谱进进一步扩扩展，使使能量分分散。当当输入为为负斜率率（对应应于编码码信号“0”），上上升Chh

13、irpp滤波器器输出一一个经过过脉冲压压缩的中中频相关关峰，同同样理由由，此时时下降CChirrp滤波波器对正正斜率的的线性调调频的频频谱进一一步扩展展，而不不输出压压缩脉冲冲。包络络检波器器的输出出波形（8）和（7）加到比较器。波形（8）对应于正斜率Chirp的压缩脉冲，此时比较器输出为“1”；波形（7）对应于负斜率Chirp的压缩脉冲，此时比较器输出为“0”。与此同时，包络检波器输出波形（8）和（7）相加之后控制定时器输出稳定的定时脉冲。比较器的输出波形对稳定的定时脉冲进行选通，最后经过判决取样电路（判决电平取归一化电平0.8v）输出被传送的编码信号。显然可见，这里输出的波形（10）与原始

14、编码信号（1）相同。接收机各点波形图如图3所示。数据输出比较器接收天线Down-chirpUp-chirp包络检 波包络检 波+同步器选通器判决取样高放46587109图4 线线性调频频UWBB通信系统统的接收收系统方方框图32系系统传输输特性仿仿真IEEEE 8002.115.44a任务务小组已已将线性性调频扩扩频(CChirrp SSpreead Speectrrum)物理层层技术作作为基准准物理层层标准。可可用于最最大范围围60米米的室内内环境或或最大范范围9000米的户外外环境。该标准即可用于短距离高速通信，又可用于远距离低速通信。我们对线性调频通信系统传输距离随速率的变化作了仿真，如

15、图5所示。其中发射功率为0.55mw，误码率为1e-6。仿真结果表明在传输速率为14Mbps时，CSS UWB在室外的传输距离可以达到900米。图5 线线性调频频UWBB通信系系统传输输距离随随速率的的变化曲曲线图4 .结结论声表面波波滤波器件件具有低低功耗、低复杂杂度、低低成本等等特点，它它可以用用来产生生和检测测Chirrp信号号，并且且Chirrp信号号的频谱谱能很好好的满足足FCCC对UWBB辐射掩掩蔽的限限制，信信号具有有较高的的频谱利利用率。设计的的基于线线性调频频脉冲压压缩技术术的超宽宽带通信信系统结结构简单单、易于于实现，在满足一定误码率的情况下，传输距离可以达到900米，该系

16、统可以作为超宽带远距离通信的理想选择。 参考文献献：1HHUANNG LLingg, ZZHANNG HHongg-Xin, LUU Yiing-Hua. A NNoveel MMethhod To Genneraate UWBB Shhapiing Pullsess Baasedd onn Chhip pullseC. 20006 6thh Innterrnattionnal Connferrencce oon IITS Tellecoommuuniccatiionss Prroceeediingss.20006,772PPengg Zhhangg, HHao Liuu. Ann Ulltr

17、aa-Wiide Bannd SSysttem witth CChirrp SSpreead Speectrrum Traansmmisssionn TeechnniquueCC. 20006 6thh Innterrnattionnal Connferrencce oon IITS Tellecoommuuniccatiionss Prroceeediingss. 20006,73贺贺鹏飞，吕吕英华等等. 基基于ChhirppBOOK调制制的超宽宽待无线线通信系系统研究究J.南京京邮电大大学学报报，20006，224耿耿富录， 现代模模拟信号号处理技技术及其其应用M 国防工工业出版版社 11

18、9900年5月月5葛葛利嘉，朱朱林等. 超宽宽待无线线电基础础M 电子子工业出出版社 20005年55月作者简介介：张文杰（119822-），男男，山东东济宁人人，中国国矿业大大学硕士士研究生生，研究究方向为为超宽带带无线通通信。王艳芬（119622-），女女，中国国矿业大大学教授授，硕士士生导师师，研究究方向为为超宽带带无线通通信、信信道建模模与仿真真、信号号处理等等。基金项目目：中国国矿业大大学科技技基金项项目OCC45001（tthe Sciienttifiic RReseearcch FFundd off Chhinaa Unniveersiity of Minningg & Tecchnoologgy NNo.OOC45501）单位：中中国矿业业大学信信息与电电气工程程学院通信地址址：江苏苏徐州中中国矿业业大学信信电学院院（文昌昌校区）研邮编：22210008 手机：113377220002994Emaiil：zzhanngweenjiie666361266.coom