【文章內(nèi)容簡介】 高斯脈沖的頻域波形類似。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 圖33 = （a）基本高斯脈沖；（b）k=1；（c）k=2；（d）k=3；（e）k=4；（f）k=5。 形成因子對(duì)高斯脈沖的影響 高斯脈沖形成因子決定著脈沖幅度和脈沖寬度，減小將會(huì)使脈沖寬度壓縮，從而擴(kuò)展傳輸信號(hào)的帶寬。因此，同一波形可以通過改變脈沖形成因子的值來設(shè)置不同的帶寬。以高斯一階導(dǎo)函數(shù)為例，研究形成因子對(duì)其具體影響。由高斯一階導(dǎo)函數(shù)可知，當(dāng)時(shí)，得到脈沖幅度。習(xí)慣上，將正、負(fù)峰值之間的寬度定義為一階高斯脈沖的脈沖寬度，由定義可得到脈沖寬度。因此，當(dāng)增大時(shí)，脈沖幅度減小，脈沖寬度變寬；反之，脈沖幅度增大，脈沖寬度變窄。圖34所示是形成因子取不同值時(shí)一階高斯脈沖的波形。 圖34 一階高斯脈沖的波形 基本的高斯脈沖具有很大的直流分量，而且不滿足正交性，但是對(duì)其設(shè)計(jì)改造之后，可以使其適用于UWB系統(tǒng)，所以研究高斯脈沖是十分必要的。k階高斯脈沖沒有直流分量，所以一般都是用高斯脈沖的k階導(dǎo)函數(shù)用作UWB的發(fā)射脈沖，可以通過改變脈沖形成因子和其導(dǎo)函數(shù)的階數(shù)k來設(shè)計(jì)出具有不同頻譜特性的高斯脈沖，以便滿足FCC對(duì)UWB信號(hào)的頻譜要求。在具體的設(shè)計(jì)中，通常采用兩種方法。第一種是對(duì)高斯脈沖求導(dǎo)，其二階導(dǎo)數(shù)經(jīng)常在UWB系統(tǒng)中被采用。通過選擇最佳階數(shù)k和最佳脈沖形成因子，使其盡量逼近FCC對(duì)UWB系統(tǒng)的發(fā)射限制。一般情況下，為了保持較寬的帶寬，室內(nèi)UWB系統(tǒng)最好選用高斯脈沖的五階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，而室外UWB系統(tǒng)應(yīng)選用七階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖。 超寬帶脈沖調(diào)制技術(shù) 由于超寬帶脈沖本身并不攜帶信息，所以必須通過調(diào)制技術(shù)將數(shù)字信息加載到脈沖上才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。與傳統(tǒng)正弦體制通信系統(tǒng)相比，由于超寬帶通信系統(tǒng)占用很大的帶寬，采用納秒或亞納秒級(jí)的脈沖以很低的占空比進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，因此其調(diào)制方式也會(huì)有所不同。超寬帶無線通信的調(diào)制方式有兩種：傳統(tǒng)的基于脈沖無線電方式和非傳統(tǒng)的基于頻域的處理方式。 脈沖位置調(diào)制（PPM） 脈沖位置調(diào)制是最典型的超寬帶無線通信調(diào)制方式。它是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式，即采用改變發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔或發(fā)射脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的位置來傳遞信息，脈沖的極性的幅度都不改變。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號(hào)狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制THPPM（二進(jìn)制跳時(shí)位置調(diào)制）和多進(jìn)制THPPM(多進(jìn)制跳時(shí)位置調(diào)制)。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或者M(jìn)個(gè)，脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。 PPM的優(yōu)點(diǎn)在于：它僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)，因此，PPM是早期UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號(hào)為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。 脈沖幅度調(diào)制（PAM） 另一種典型的超寬帶無線通信調(diào)制方式為脈沖幅度調(diào)制，它利用信息符號(hào)控制脈沖幅度，PAM既可以改變脈沖幅度和極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對(duì)值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對(duì)值，即信息直接觸發(fā)超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器以產(chǎn)生超寬帶脈沖。對(duì)于數(shù)字信號(hào)“1”，驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)較大幅度的超寬帶脈沖；對(duì)于數(shù)字信號(hào)“0”，則產(chǎn)生一個(gè)較小幅度的超寬帶脈沖，而發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔是固定不變的。二相調(diào)制（BPM）和開關(guān)鍵控（OOK）是PAM的兩種簡化形式。BPM通過改變脈沖的正負(fù)極性來調(diào)制二元信息，所有脈沖幅度的絕對(duì)值相同；OOK通過脈沖的有無來傳遞信息。 脈沖幅度調(diào)制（PAM）是一種把信息調(diào)制在脈沖幅度上的方式，其采用不同的脈沖幅度代表不同的調(diào)制信息，經(jīng)PAM調(diào)制后的信號(hào)表示為： （） 其中，是信息序列；為每幀的持續(xù)時(shí)間，即脈沖重復(fù)周期。 根據(jù)的不同取值，可將PAM調(diào)制方式分為以下幾種： （1）00K（開關(guān)鍵控） 發(fā)送數(shù)據(jù)為1時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=1， 發(fā)送數(shù)據(jù)為0時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=0。 （2）PPAM（脈沖位置調(diào)制） 發(fā)送數(shù)據(jù)為1時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=， 發(fā)送數(shù)據(jù)為0時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=。 (3)BPSK（二進(jìn)制相位調(diào)制） 發(fā)送數(shù)據(jù)為1時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=1， 發(fā)送數(shù)據(jù)為0時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=0。 多頻帶脈沖調(diào)制 為了降低單個(gè)脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在UWB脈沖無線系統(tǒng)中，往往采用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息。 當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時(shí)，把傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步；第一步為每組脈沖內(nèi)部單個(gè)脈沖的調(diào)制；第二部為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個(gè)脈沖通常采用PPM或BPM調(diào)制；在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎肞AM、PPM、BPM調(diào)制。一般把第一步稱為擴(kuò)譜，第二步稱為信息調(diào)制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時(shí)擴(kuò)譜(THSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置；把BPM稱為直接序列擴(kuò)譜(DSSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性；在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。 超寬帶系統(tǒng)多址技術(shù) 超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展，很大程度上依賴于高效的多址技術(shù)的發(fā)展。多用戶無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)基于采用多用戶接入方式，系統(tǒng)中多個(gè)用戶共用空間頻譜資源，并且相互之間存在的干擾大小會(huì)受到特別的控制。當(dāng)通信系統(tǒng)允許不同的用戶使用相同的物理媒體來發(fā)送和接受數(shù)據(jù)流時(shí)，就認(rèn)為該系統(tǒng)提供了多址功能。一種好的多址技術(shù)能有效減少通信系統(tǒng)中多用戶間的相互干擾，也有效解決了多個(gè)用戶共享信道的問題，有助于提高UWB通信的性能和用戶容量。 多址接入技術(shù)是超寬帶通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)相比,超寬帶多址接入系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面較小、用戶數(shù)較少、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域重疊(即SOP系統(tǒng))等特點(diǎn)。 THPPM多址方式 THPPM（跳時(shí)脈沖位置調(diào)制）是用N_{S}個(gè)單周期脈沖傳送一個(gè)二進(jìn)制信息符號(hào)，脈沖的發(fā)送時(shí)刻由跳時(shí)序列與待傳送的數(shù)據(jù)信息共同控制。 典型的THPPM超寬帶信號(hào)波形如下： （） 其中，表示發(fā)送的單周期脈沖波形，上標(biāo)（k）表示第k個(gè)發(fā)送用戶。由式中看出，k用戶發(fā)送的信號(hào)是由偏移到特定時(shí)刻的單周期脈沖序列組成，其中第j個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為： 脈沖序列 由間隔的單周期脈沖組成，為幀周期或脈沖重復(fù)時(shí)間，典型的值約為單周期脈沖寬度的幾百倍或幾千倍。因此，直接由等間隔分布的單周期脈沖構(gòu)成多址信號(hào)時(shí)，他們之間容易發(fā)生碰撞，對(duì)系統(tǒng)容量是不利的。 偽隨機(jī)跳時(shí)碼：為了減少多址通信中的碰撞概率，每個(gè)用戶指定一個(gè)待定的脈沖偏移模式{}，稱為跳時(shí)碼。跳時(shí)碼是以為周期的周期偽隨機(jī)碼，即對(duì)任意的整數(shù)j和i，有，跳時(shí)碼為脈沖序列提供了一個(gè)額外的時(shí)間偏移。跳時(shí)碼的另一功能體現(xiàn)在將間隔為的譜密度變?yōu)殚g隔為的線譜密度，從而降低了功率譜密度。 數(shù)據(jù)調(diào)制PPM：以二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制為例，第k個(gè)用戶待發(fā)送的數(shù)據(jù)為，系統(tǒng)采用過采樣調(diào)制，調(diào)制符號(hào)每隔脈沖變化一次，數(shù)據(jù)調(diào)制使得偽隨機(jī)跳時(shí)碼調(diào)制的功率譜更加平滑。 在多址系統(tǒng)中，當(dāng)Nu個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí)，接受信號(hào)r（t）表示為： （）其中，表示發(fā)射機(jī)k的信號(hào)經(jīng)路徑傳輸后到達(dá)接收機(jī)的衰減；隨機(jī)變量是與接收機(jī)時(shí)鐘相比較，第k個(gè)用戶信號(hào)的延遲；表示加性高斯白噪聲。在多址通信系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí)，上述判決準(zhǔn)則已不是最佳的，此時(shí)最佳接收機(jī)應(yīng)考慮多用戶干擾情況，使結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。THPPM接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖35所示。 圖35 THPPM接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖 DSCDMA多址方式 直接序列碼分多址(DSCDMA)是通過將攜帶信息的窄帶信號(hào)與高速地址碼信號(hào)相乘而獲得的寬帶擴(kuò)頻信號(hào)。不同用戶使用不同的PN序列，這些PN序列需相互正交，利用PN序列來區(qū)分不同的用戶。 通過DS擴(kuò)頻，將信號(hào)功率譜在一個(gè)很寬的頻譜上進(jìn)行了平均，或者說是在背景噪聲不變的情況下，信噪比S/N變得很低，好像是將信號(hào)在噪聲中隱藏了起來。因此，DSCDMA系統(tǒng)具有抗窄帶干擾、抗多徑衰落和保密性好的優(yōu)點(diǎn)。 在單載波DSCDMA方案中，經(jīng)過DSCDMA擴(kuò)頻之后的信號(hào)再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，用單載波DSCDMA方案中通過頻譜搬移解決無載波UWB存在較多低頻分量問題。 第k個(gè)用戶CDMS擴(kuò)頻碼傳輸波形為： （） 其中，表示傳輸?shù)膯沃芷诿}沖；{}表示偽隨機(jī)序列，每個(gè)用戶序列的周期用表示；表示符號(hào)周期；表示碼片周期。 DSCDMA UWB的多址接收機(jī)結(jié)構(gòu)與THPPM UWB接收機(jī)類似，也是基于假設(shè)檢驗(yàn)理論的相干數(shù)據(jù)檢測，采用相關(guān)器進(jìn)行接收。為了方便分析，假設(shè)接收機(jī)與發(fā)信機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)建立同步，DSCDMA接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖36所示： 圖36 DSCDMA 接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖 PCTH超寬帶多址技術(shù) 偽混沌跳時(shí)方式PCTH調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代THPPM中的偽隨機(jī)序列和調(diào)制數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時(shí)刻，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，PCTH不僅能減少對(duì)現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且不易被檢測到。 在PCTH系統(tǒng)中，在每個(gè)幀周期Tf內(nèi)，指定一個(gè)特定的脈沖位置，如圖43所示。在每個(gè)Tf間隔內(nèi)，只傳輸一個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的位置可以是N=2m個(gè)離散時(shí)隙中的任一個(gè)，m表示移位寄存器的長度，時(shí)隙長度用Tt表示。如果脈沖發(fā)生在一幀的前半部分，則表示“0”被傳輸，反之表示“1”被傳輸。幀周期以及對(duì)應(yīng)PPM調(diào)制的時(shí)隙示意圖如圖37所示。 圖37幀周期以及對(duì)應(yīng)PPM調(diào)制的時(shí)隙示意圖 幾種多址技術(shù)的比較 在超寬帶通信系統(tǒng)中，最常見的多址接入方式有THPPM多址技術(shù)和DSCDMA多址技術(shù)等。TH方式通過給不同的用戶分配不同的跳時(shí)碼，在時(shí)間上避免用戶脈沖發(fā)生碰撞的可能。DS方式通過DS碼之間的正交性控制脈沖的極性實(shí)現(xiàn)多址。相對(duì)而言，TH對(duì)于遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DS高。在DS體制的系統(tǒng)中，接收端的抗干擾能力取決于多址碼元之間互相關(guān)性的好壞，當(dāng)遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響較大時(shí)，即不同用戶信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)幅度相差較大時(shí)，DS碼元之間的互相關(guān)性就會(huì)變得很差，同時(shí)，DS多址方式采用多個(gè)脈沖代表一幀信息，因而在傳輸相同信息時(shí)，發(fā)送沖突的概率更大。而采用TH體制的系統(tǒng)時(shí)，由于它的幀結(jié)構(gòu)中只有跳時(shí)位置處具有發(fā)送沖突的可能，因而不同用戶信號(hào)間發(fā)送沖突的概率更小，從而在誤碼性能上更好。第4章 超寬帶接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù) 超寬帶的信號(hào)傳輸受到大尺度路徑損耗、陰影效應(yīng)、小尺度多徑衰落等因素的影響，因此，到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)波形存在嚴(yán)重的失真；同時(shí)，信號(hào)還可能受到多址干擾、窄帶干擾和背景噪聲的影響。因此，UWB的研究與開發(fā)需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：接收機(jī)技術(shù)、同步技術(shù)、信道估計(jì)。 RAKE接收機(jī) 超寬帶無線通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為家庭、辦公室等室內(nèi)密集多徑環(huán)境，多徑信道的最大時(shí)延擴(kuò)展達(dá)200ns以上，可分辨多徑數(shù)量與信號(hào)帶寬成正比，通常高達(dá)幾十至上百條。傳統(tǒng)的寬帶碼分多址系統(tǒng)利用偽隨機(jī)擴(kuò)