【正文】 轉(zhuǎn) 通信工程畢業(yè)設(shè)計論文 通信工程畢業(yè)設(shè)計論文來源：織夢內(nèi)容管理系統(tǒng) 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(yīng)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。 2021 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 THPPM、 THPAM 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 THPPM、 THPAM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 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 )(fHfL)/fc 20%(fH,fL,fc 分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率 )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(100~500MbPs)、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) )。 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 %)的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為 沖擊無線電 (IR).UWBIR 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 [6]；由信息數(shù)據(jù)對脈沖進行調(diào)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。 脈沖信號從本質(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：①光電方法 ,基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)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 (1012)量級。另外 ,由于光導(dǎo)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。②電子方法 ,利用微波雙極性晶體管雪崩特性 ,在雪崩導(dǎo)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 [7]。[來源：論文 ][1][2][3][4][5][6][7][8][9]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(xué)模型分別表示為： (21)(22)單周期脈沖的寬度在納秒級 (~),重復(fù)周期為 25~1000ns,具有很寬的頻譜 ,如圖 21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 [2]。圖 21 單周期脈沖的時間域和頻率域的表示 UWB 的調(diào)制技術(shù)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 (PAM)是 UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常 UWB 信號模型為： (23)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 PAMUWB PAM 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(fù)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。 [8]采用脈沖幅度調(diào)制 (PAM)的超寬帶信號波形如下：[4](24)其中 ,dj是信息序列 ,Tf 是脈沖重復(fù)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 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β 1；發(fā)送數(shù)據(jù)為 0,UWB 信號的幅度為β 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 PPMUWB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(biāo)準(zhǔn)或特定時刻來表示某個特定信息的 [3]。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： (25)其中 ,dj 取 0或 1,δ為調(diào)制因子 ,與脈沖寬度 Tm(1/Tf)是一個數(shù)量級。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為 1 時脈沖就會相應(yīng)滯后一個時延δ。圖 22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) (THUWB)、直擴的超寬帶系統(tǒng) (DSUWB)、跳頻的超寬帶系統(tǒng) (FHUWB)和基帶多載波超寬帶系統(tǒng) (MCUWB)等 [9]。圖 22不同調(diào)制方式的信號波形 [4][來源：論文 ][1][2][3][4][5][6][7][8][9] 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 [4]：(1)系統(tǒng)容量大。香農(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(yīng) ,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 Mbps~1Gbps。 (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)無線電信號多徑衰落