【導(dǎo)讀】取得的研究成果。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）。出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。交論文（設(shè)計）的電子版和紙質(zhì)版。贏利目的的少量復(fù)制并允許論文（設(shè)計）進入學(xué)校圖書館被查閱。計）在解密后適用本規(guī)定。超寬帶通信技術(shù)是一種全新的短距離無線通信技術(shù)。它利用極窄脈沖傳。譜的功率譜密度極小，它通常具有擴頻通信的特點。該技術(shù)以其獨有的特性。日益廣泛的應(yīng)用。利用MATLAB仿真分析了PPM-TH-UWB和PAM-TH-UWB信號時域。表達式及其功率譜密度，同時對修改的S-V室內(nèi)信道模型進行建模，型參數(shù)對信號傳輸?shù)挠绊憽?

　　

【正文】 其能量譜密度圖（α =） 如果要改變波形而獲得頻譜形成主要有以下三種方法改變脈沖寬度、對脈沖進行微分和對基函數(shù)的組合。脈沖寬度取決于脈沖形成因子 ? 。減小 ? 的 22 值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴展傳輸信號的帶寬。因此，同一波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。 注意到高斯脈沖有無限的持續(xù)時間， 這將不可避免地導(dǎo)致脈沖混疊和符號間干擾（ ISI）。但是，我們可以合理地為高斯脈沖考慮一個有效的持續(xù)時間 MT ，其截斷能量低于一個給定的門限值。在這樣的假設(shè)條件下，脈沖形成因子 ? 的上限由不超過切普（ chip）持續(xù)時間 cT 的 MT 給定，而下限則受到產(chǎn)生極窄脈沖的技術(shù)的限制。 對高斯脈沖微分也會影響其能量譜密度。峰值頻 率和脈沖帶寬都會隨微分階數(shù)的增加而改變。特別地，觀察 k 階導(dǎo)數(shù)的傅式變換性質(zhì)： 222() fkkX f f e ??? （ ） 我們可以得到關(guān)于峰值頻率 peakf 、導(dǎo)函數(shù)的階 k 和脈沖形成因子 ? 三者之間的一般關(guān)系式。 由上式進一步可以得到 peakf 和 k 的關(guān)系式： 1pe akfk??? （ ） 式（ ）表明隨著高斯導(dǎo)函數(shù)階數(shù)的增高，其峰值頻率也相應(yīng)提高。因此，微分是一種將能量搬至更高頻段的方法。 實際中，普遍采用的脈沖波形是高斯函數(shù)的一、二階導(dǎo)函數(shù)，因為它沒有直流分量。而且高斯函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)表示的波形都具有該特點。其表達式： 23 2222( ) 4 tdp t t edt ???? ?? （ ） 22222() (1 4 ) td p t t edt ??? ? ??? （ ） 式（ ）一所表示的高斯函數(shù)二階導(dǎo)函數(shù)形式的脈沖是最常采用的脈沖波形，它經(jīng)常被作為接收端的脈沖，即通過了發(fā)射機和接收機天線后的脈沖波形。理想情況下，如果一個波形為高斯函數(shù)的一階導(dǎo)函數(shù)（其直流分量為零）的電流脈沖被饋入天線 ， 那么，在天線的輸出端將會得到一個高斯二階導(dǎo) 函數(shù)形式的脈沖波形。 信號調(diào)制技術(shù) 在超寬帶通信系統(tǒng)中，信息載體是脈沖，我們既可以用單個脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息 [4]。 單脈沖調(diào)制 脈沖的幅度和位置都可以用于傳遞信息。經(jīng)典的單脈沖調(diào)制技術(shù)包括：脈沖幅度調(diào)制 (PAM)、脈沖位置調(diào)制 (PPM)、二相調(diào)制 (BPM)和開關(guān)鍵控 (OOK)等。 PAM 調(diào)制是用信息改變脈沖幅度的大小的一種調(diào)制技術(shù)。 BPM 調(diào)制和OOK 調(diào)制方法是 PAM 調(diào)制的兩種特殊形式。 BPM 調(diào)制通過改變脈沖的正負極性來調(diào)制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值 相同。 OOK 調(diào)制通過脈沖的有無來傳遞信息。在 PAM、 BPM 和 OOK 調(diào)制中發(fā)射脈沖的時間間隔是固定不變的。而 PPM 調(diào)制的原理是通過改變發(fā)射脈沖的時間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準(zhǔn)時間的位置來傳遞信息。在 PPM 調(diào)制中，脈沖的極性和幅度都不改變。PAM 調(diào)制和 PPM 調(diào)制還可以通過多個幅度調(diào)制或多個位置調(diào)制提高信息傳輸速率。 24 多脈沖調(diào)制 為了降低單個脈沖幅度或 提高通信系統(tǒng)的抗干擾性能，在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調(diào)制的基本思想。多脈沖調(diào)制技術(shù)有： THPPM、 DSPPM、 THPAM、 DSPAM、 THBPM、DSBPM。 多脈沖調(diào)制不但可以通過提高脈沖重復(fù)頻率來降低單個脈沖的幅度或發(fā)射功率，而且可以利用不同用戶使用的擴頻序列之間的正交性或準(zhǔn)正交性實現(xiàn)多址接入。在多脈沖調(diào)制中，利用不同擴頻序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信效率。 超寬帶系統(tǒng)發(fā)送信號 THPPMUWB 是一種常用的調(diào)制方式，下面以 THPPMUWB 信號為例簡單的介紹一下超寬帶系統(tǒng)的發(fā)送信號的形式 [5][18]。 基本信號 在超寬帶通信系 統(tǒng)中往往采用多脈沖調(diào)制。發(fā)射端和接收端是由一串高斯脈沖完成的。發(fā)射端產(chǎn)生脈沖串可用式 (310)表示，這里基本脈沖式高斯二階微分形式： ( ) ( )sjs t p t j T??? ????? () 其中， sT 為脈沖重復(fù)周期。 調(diào)制信號 假設(shè)利用脈沖位置調(diào)制方式，我們規(guī)定：若信息比特位“ 1”，則脈沖后 25 移 ? ，若信息比特位“ 0”，則脈沖不移位。那么調(diào)制信 號表達式為： ( ) ( )sjjs t p t jT a???? ??? ? ?? (38) 由于 UWB 通信系統(tǒng)的頻段范圍比較廣，一定會遇到各種信號的干擾，造成信號的失真。為了降低通信系統(tǒng)之間的干擾，一般采用擴頻技術(shù)，而跳時擴頻和直接序列擴頻對于 UWB 脈沖序列來說是一種常用的擴頻技術(shù)。如果采用跳時擴頻技術(shù)，就是用 PN 碼對信號進行處理。經(jīng)過處理后的信號形式為： ( ) ( )sjjs t p t jT a???? ??? ? ?? () 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 bT ，可表示為：b s sT NT? 。在上式中， jccT 定義了脈沖的隨機性或者說是相對于 sT 整數(shù)倍時刻的抖動。如果用隨機 TH 抖動 j? 來表示由 TH 編碼引起的時間上的位移，并假定 j? 在 0 和 T? （ sT ）之間分布，則可得到： ( ) ( )s j jjs t p t j T a????? ??? ? ? ?? （ ） 發(fā)送信號 典型的 THPPMUWB 調(diào)制的發(fā)射端信號波形如下： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ / ]( ) ( )sk k k k ks j c j Njs t p t j T c T a???? ? ?? ? ? ?? () 26 式中 k 表示第 k 個用戶， sT 指脈 沖重復(fù)周期， ()pt 為脈沖波形函數(shù)， cT 是由跳時碼控制的脈沖時延， ()/skjNa 表示第 j 個符號。假定信號在 t =0 時刻開始發(fā)送的，那么第 k 個發(fā)射機發(fā)送的第 j 個符號的發(fā)送時間是在 ( ) ( )[ / ]skks j c j NjT c T a??? 。 下面對偏移時刻的特征進行分析 [2]： (1)均勻脈沖間隔。形式為 ()sj p t jT????? ??，以 sT 為周期的脈沖信號。典型的脈沖重復(fù)間隔 sT 可以是脈沖寬度的幾百到幾千倍。 (2)偽隨機跳時碼。為了減少多址通信中的碰撞概率，每個用戶指定唯一的跳時碼 (){}kjc ， 01jkcN? ? ? 。它在每個脈沖序列的第 j 個脈沖上 加入了 jccT的時移。因為跳時碼 (){}kjc 是以 pN 為周期的，所以波形 ( ) ( )()kks j cj p t jT c T????? ???也是周期的，周期為P p sT NT? ，為使跳時能夠在一幀時間 sT 內(nèi)進行，所以要求 c h sTN T? 。如果 /c h sTN T 太小，則發(fā)生破壞性脈沖沖撞的概率就會大大增加；如果足夠大 并有設(shè)計良好的跳時碼，則在許多情況下多址干擾可被模型化為一高斯隨機過程。 (3)數(shù)據(jù)調(diào)制。代表 {0,1}的二進制序列 (){}kja 起調(diào)制作用。在 PPM 中，如果數(shù)據(jù)為 0，則沒有附加的時移調(diào)制到脈沖上，如果數(shù)據(jù)為 1 就會有一個時移 ? 調(diào)制在脈沖上，調(diào)制度 ? 的選擇可是系統(tǒng)性能優(yōu)化。 (4)雖然 PN 碼減小了用戶間干擾的可能性，但隨著用戶的增加，同時收到兩個用戶脈沖可能性也增大， 因此不能 一個脈沖而是通過對多 ()sN 個脈沖的采用統(tǒng)計值判決發(fā)送信息。系統(tǒng)性能隨 sT 變化。 sT 和 sR 的關(guān)系式由式 (314)來確定。 1(1 / )s s sR N T s ?? () 27 多徑信道 PPMTHUWB接收機 如果考慮發(fā)射機和接收機之 間的多徑，那么信道模型和接收機結(jié)構(gòu)都會變的復(fù)雜。首先，信道模型中必須體現(xiàn)信道的時變特性；其次，由于失真的存在，接收信號與發(fā)射波形之間相似性更差。在室內(nèi)傳輸情況下尤其如此，因為此時傳播受到許多干擾物體的影響。多徑的存在會嚴(yán)重影響接收機性能，但是，如果接收機已知多徑信道的詳細特性，就可以想辦法減小其影響 。 連續(xù)時間信道沖激響應(yīng) 從第 2 章中，我們可以得到連續(xù)時間的信道沖激響應(yīng)： 1( ) ( ) ( )Nn n nnr t a p t n t??? ? ?? 這里，一個特定的脈沖波形 ??tpn 與路徑 n 對應(yīng)。另外，上式也適用于與方向有關(guān)的失真。此時，不同路徑對應(yīng)與接收天線的不同到達角和發(fā)射天線的不同發(fā)射角。在天線的非均勻方向圖情況下，這些路徑存在不同的失真。上式所示模型對將來表征脈沖失真很有幫助。 離散時間信道沖激響應(yīng) 表征多徑信道更方便的模型是使用離散時間沖激響應(yīng)模型。在這個模型中，時間軸被劃分成小的時間分區(qū)，每個時間區(qū)間稱為一個時間倉，每個時間倉或者包含有一個多徑分量，或者不包含多徑分量，但不容許一個時間倉包含多個多徑分量。此時，可以把時間倉看作接收機能夠區(qū)分的兩條多徑分量的最大時間間隔，換句話說，也就是信道估值設(shè)備的分辨率。 根據(jù)離散時間信道模型，式（ ）的沖激響應(yīng)可以重寫為： 28 ? ? ? ?m a x1N nnh t a t n???? ? ?? （ ） 其中 maxN 是一個觀測時間區(qū)間內(nèi)時間倉的最大數(shù)目， ?? 是時間倉的持續(xù)時間。 THPPMUWB 接收機 當(dāng)信 號 通過信道后，發(fā)射信號經(jīng)過衰減、時延、最終失真之后在接收端得到多個信號的疊加。若在觀測時間 T 內(nèi)（ bTT?? ）傳播信道波動和與路徑有關(guān)的失真可以忽略，那么接收機 的 信號可以表示為： ( ) ( ) ( )j m jjr t a s t n t?? ? ?? （ ） 其中， ()nt 是接收機輸入端的 AWGN。 當(dāng)信道用離散時間沖激響應(yīng)表示時， Rake 接收機方案可以大大簡化。此時，接收機的不同分量在時間上間隔整數(shù)倍個時間倉的時間長度 ?? ， Rake接收機可以使用單相關(guān)結(jié)構(gòu) 。如圖 中 ，相關(guān)器將 ??tm 與接收波形 ??tr 相乘，然后積分，其輸出結(jié)果經(jīng) ?? 間隔抽樣，再傳送給延時單元和合并器。 29 檢測器? ?? ????)( tr)( tm?????dt ?? ??RN?1?RN? 2? 1?RNz1?RNz2z1zTOTz???? Rs NjTt估計信號??? kt 圖 離散時間信道 Rake 接收機 多徑信道下 Rake 接收機的性能可以通過如下方法估計：首先選取一個具有特定信道沖激響應(yīng)的模型，然后計算不同分集方式下誤符號率 Pre 與0/NERX 的函數(shù)關(guān)系。通常這種分析是在假定完全知道信道沖激響應(yīng)的系數(shù)或者經(jīng)過完全估值之后進行的。 使用 Rake 接收機增加了接收機的復(fù)雜性，其復(fù)雜程度隨判決前分析和合并的多徑數(shù)目的增加而增大，因此可以通過減少接收機處理的多徑分量數(shù)目來降低復(fù)雜性。然而，減少分析的多徑數(shù)目會使接收機獲取的能量減少。不同超寬帶傳輸系統(tǒng)的模型統(tǒng)計，有利于更深入、直觀的研究超寬帶信號受信道的影響，從而由接收機最大程度消除影響，提高傳輸效率。 本章小結(jié) 本章 從 信號的脈沖成形、調(diào)制 和 發(fā)送 闡述超寬帶信號 的基本發(fā)送流程。分析 多徑信道下的 PPMTHUWB 接收機 結(jié)構(gòu) 。 重點探討 多徑信道中的連續(xù)和離散沖激響應(yīng) 及信號在信道中的傳輸過程，為后續(xù)的仿真分析打下理論基礎(chǔ)。 30 第 4 章 IRUWB 無線通信信道仿真 前幾章明確了路徑損耗模型和多徑衰落模型對超寬帶信號傳輸?shù)挠绊?，并且分析? 推薦的標(biāo)準(zhǔn)信道模型，對該信道模型的各個參數(shù)都有一定的認知和理解。 在此基礎(chǔ)上本章 將對發(fā)射端，不同的信道環(huán)境及信號通過不同信道環(huán)境后進行 仿真 分析。 發(fā)射端信 號的仿真 二進制 THUWB 信號 一般意義的數(shù)字基帶信號可以表示為： ( ) ( )asns t p t n T????????