【正文】 在第 4 章的基于時(shí)域的 超。由于脈沖窄，先天有很好的抗多徑干擾的能力。第一 ，定義在高帶寬，根據(jù)香農(nóng)公式 2* lo g (1 )SCB N??,帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。 31 第五章 結(jié)束語 通過對 UWB 脈沖信號研究及對信號發(fā)生和功率譜密度的 MatLab 仿真使我進(jìn)一步認(rèn)識了 UWB 脈沖信號一些特性和優(yōu)點(diǎn)，并且也為以后對 UWB 信號的進(jìn)一步研究提供了思路。 [4] 高斯脈沖不適合用作 IRUWB 系統(tǒng)的脈沖，可以用作基于頻移的脈沖方式的 UWB 系統(tǒng)的脈沖。 [3] 從頻域上來說，求導(dǎo)階數(shù) k 越高，系統(tǒng)發(fā)射信號越容易滿足 FCC 的輻射限制；從時(shí)域上來說，求導(dǎo)階數(shù) k 越高，脈沖時(shí)域波形的主峰不明顯，不易捕獲，會使系統(tǒng)的誤碼率升高；從實(shí)現(xiàn)上來說，求導(dǎo)階數(shù) k 越高，電路越復(fù)雜，越不 容易實(shí)現(xiàn)。調(diào)整 α，可以得到所需要的頻譜寬度的脈沖。 2 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091012 0 2x 1 091010 2 4 6 8 10 12x 1 09105510501045104010351030102510201015F r e q u e n c y [ H z ]從左至右階數(shù)增加1st d e r i v a t i v e 15th d e r i v a t i v e? = 0 . 7 1 4 n s 圖 45 k 階高斯脈沖的能量譜密度 就高斯脈沖而言， 頻帶隨著高斯脈沖階數(shù)的上升而向高頻移動。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數(shù)的增加而改變。高斯脈沖求導(dǎo)次數(shù) k 與其對應(yīng)波形過零點(diǎn)數(shù)目相等，但其功率譜形狀沒有大的改變。因此，用高斯脈沖的導(dǎo)數(shù)做發(fā)射脈沖，信號能夠有效輻射。 另外，從時(shí)域波形可以看出，基本高斯脈沖 的 2k+1 階導(dǎo)數(shù)直流分量趨于零。過多的峰值不利于信號的檢測和捕獲，因此從時(shí)域角度來說，導(dǎo)數(shù)的階次越小，脈沖波形越好。 脈沖微分 高斯脈沖的 k 階導(dǎo)數(shù)可用如下的遞推公式 求得： () ( 2 ) ( 1 )221( ) ( ) ( )k kkktt x t x tx?????? ? ? （ 42） 通過計(jì)算可得基本高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)函數(shù) : 22224( ) ( ) tptp t A e ?????? ?? （ ） 2222244( ) ( 4 )tpAp t e t??? ?????? ? ? ? （ ） 28 222 2236( 4 )( ) ( 3 4 )tpAp t e t t??? ??????? ?? （ ） 222 2 2( 4 ) 2 2 462( 4 ) ( 4 )( ) ( 3 2 4 )tpAp t e t t??? ??????? ? ? （ ） 223 2( 5 ) 4 2 3 2 510( 4 )( ) ( 1 5 4 0 1 6 )tpAp t e t t t??? ? ? ? ???? ? ? ?（ ） 依此類推到 k 階高斯脈沖。減少 α的值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴(kuò)展傳輸信號的帶寬。上圖中不同 α情況下，脈沖能量都主要集中在 納秒，可以作為超寬帶脈沖。波形及相應(yīng)的能量譜密度如下圖 ： 2 1 . 5 1 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2x 1 091 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81T i m e [ s ]Amplitude [V]In c r e a s i n g ? 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2x 1 010106010501040103010201010F r e q u e n c y [ H z ]ESD [(V2)*sec/Hz]In c r e a s i n g ? 圖 43 高斯脈沖波形束及能量譜密度 由上圖可以看到，當(dāng) α增大，脈沖寬度增大 。 圖 是式（ 41）取正號時(shí)所得的高斯脈沖波形及相應(yīng)的能量譜密度（ ESD）： 2 1 . 5 1 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2x 1 091 0 . 8 0 . 6 0 . 4 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 81T i m e [ s ]Amplitude [V]0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2x 1 010106010501040103010201010F r e q u e n c y [ H z ]ESD [(V2)*sec/Hz] 圖 42 高斯脈沖波形及相應(yīng)的能量譜密度 27 改變 α，可改變高斯信號的寬度，使其成為一個(gè)納秒級的脈沖。本節(jié)我們將分析寬度變化和微分對脈沖波形的影響，并研究其相應(yīng)的能量譜密度特性。頻譜形成主要可以采取三種不同的方法：改變脈沖寬度、對脈沖進(jìn)行微分和對基函數(shù)的組合。 高斯脈沖的時(shí)域和頻域特性 高斯脈沖以其易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于 UWB 無線通信中。 26 最早被提出來用作超寬帶脈沖波形的是高斯脈沖及其各階導(dǎo)數(shù)函數(shù)脈沖，原因就是因?yàn)楦咚购瘮?shù)的時(shí)域波形和頻譜形狀都是鐘形，符合超寬帶脈沖既是時(shí)限又是頻限的要求；高斯脈沖及其各階導(dǎo)數(shù)也具有 UWB 脈沖的特性，同時(shí)高斯脈沖函數(shù)容易實(shí)現(xiàn)。另外，超寬帶脈沖要易于實(shí)現(xiàn)、便于檢測，使系統(tǒng)的誤碼率低。所設(shè)計(jì)的脈沖應(yīng)該容易實(shí)現(xiàn)，且產(chǎn)生的信號穩(wěn)定、可控制。 25 [4] 頻譜利用率高 所設(shè)計(jì)的脈沖越能充分利用 FCC 給定的頻率范圍 3 .1 GHz~ ，即占用的頻帶越寬，超寬的頻帶所帶來的優(yōu)點(diǎn)就越明顯。 由于超寬帶通信系統(tǒng)占用超寬的頻帶，與窄帶通信的 ，為了防止超寬帶通信系統(tǒng)對已有的窄帶通信 (比如： ， GSP)造成干擾，美國 FCC 對超寬帶通信設(shè)備制定了嚴(yán)格的能量輻射限制，限定了超寬帶通信設(shè)備在不同的頻率段的輻射限度。 這一點(diǎn)不是絕對的，當(dāng)脈沖直流分量不為零時(shí)，可以采用雙極性調(diào)制，使總的發(fā)射脈沖的直流分量為零。否則，當(dāng)相關(guān)檢測時(shí)，微小的延時(shí)會造成匹配不上，不利于檢測接收。 超寬帶脈沖的設(shè)計(jì)原則 根據(jù)超寬帶的技術(shù)特點(diǎn)、超寬帶規(guī)范，本文歸納基本的超寬帶設(shè)計(jì)原則如下： [1] 脈沖寬度納秒級，確保占用超寬的頻譜。一種是從時(shí)域到頻域的方向上設(shè)計(jì)超寬帶脈沖，即根據(jù)脈沖的時(shí)域表達(dá)式分析其頻譜是否滿足 FCC的頻譜掩蔽，按 FCC 的頻譜掩蔽約束修訂脈沖參數(shù)；一種是從 頻域到時(shí)域的方向上設(shè)計(jì)超寬帶脈沖，即根據(jù) FCC 的頻譜掩蔽約束求得脈沖的時(shí)域表達(dá)式。 OFDM 技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用于 WiFi， DAB 中，技術(shù)越來越成熟， MBUWB受到 WiMedia 聯(lián)盟的支持，也就是說受到大多數(shù)企業(yè)的支持。 DSUWB 在 IRUWB 的基礎(chǔ)上采用了頻移，所以 DSUWB 系統(tǒng)具有脈沖方式超寬帶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) — 低成本、低功耗、定位精度高、抗多徑衰落能力強(qiáng)，又克服了 IRUWB 系統(tǒng)固有的含有大量低頻分量的缺點(diǎn)，同時(shí)在誤碼率、干擾性方面優(yōu)于 IRUWB 和 MBUWB。MBUWB 則可以結(jié)合 MIMO 來進(jìn)一步提高傳輸 速率。 DSUWB 有兩個(gè)工作頻段，低頻段為 GHz~，高頻段為~，這樣工作在這兩個(gè)頻段可分別獲得 GHz和 ，而 MBUWB 每個(gè)子帶的帶寬規(guī)定為 528MHz，顯然， DSUWB 比 MBUWB 有更大的帶寬空間，也就有獲得更大的傳輸速率的可能。 DSUWB 與MBUWB 比較， DSUWB 近似于脈沖無線電，實(shí)現(xiàn)電路也比 MBUWB 簡單，所以 DSUWB 功耗比 MBUWB 低。電路越復(fù)雜，使用的門電路越多，器件上的總功耗越多；無線通信時(shí)，連續(xù)載波調(diào)制比極窄脈沖調(diào)制功耗多，因?yàn)橹辉诎l(fā)射脈沖時(shí)才消耗能量。 [1] 成本方面 IRUWB 實(shí)現(xiàn)起來最簡單，因而成本最低； DSUWB 與 MBUWB 比較，前者需要 Rake 接收機(jī)，后者需要 IFFT/FFT 器件 ， DSUWB 成本比 MBUWB 低，但 隨著專用的 IFFT/FFT 處理單元出現(xiàn)的大規(guī)模生產(chǎn)，兩者差別在縮小。 MBOFDMUWB 調(diào)制信號波形的 Matlab 仿真將在以后的的研究中涉及。時(shí)頻作用函數(shù)根據(jù)時(shí)頻碼產(chǎn)生載頻，也就是說，這里的載頻是快速跳變的，使信號在不同的時(shí)刻在不同的子帶上傳輸，即在規(guī)定的邏輯信道上傳輸。 MBUWB 系統(tǒng)采用專用的 IFFT 處理器合適，可以保證較小的體積，規(guī)格上至少是 128 點(diǎn)的 IFFT處理器。 QPSK 映射模塊將輸入的數(shù)據(jù)流按 QPSK 調(diào)制的星座圖進(jìn)行映射，輸出的是復(fù)數(shù)信號，實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制。 22 交織模塊將輸入的數(shù)據(jù)按塊交織后輸出，接收時(shí)進(jìn)行解交織。 差錯(cuò)控制編碼模塊對輸入的信息進(jìn)行信道編碼，提供檢糾錯(cuò)能力。這樣，某個(gè)給定用戶的數(shù)據(jù)在相繼的時(shí)間區(qū)間內(nèi)在不同的子帶上傳輸，從而避免特定頻帶上的非人為干擾。 二進(jìn)制信息源 數(shù)位重復(fù)模塊 SN DSPAM調(diào)制模塊 cpTc， 波形生成模塊 ()trw 21 對發(fā)射鏈路的各個(gè)模塊進(jìn)行編碼可以得到 DSPAM 調(diào)制信號波形，如圖所示： 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4x 1 086420246x 1 03T i m e [ s ]Amplitude [V] 圖 34 DSPAM 調(diào)制信號波形仿真結(jié)果 MBUWB 信號的產(chǎn)生 FCC 公布的 UWB 的定義是，帶寬超過 500MHz 的信號都是 UWB 信號。 10 ( ) ( )sNc p j kj t j T c d?? ? ? ? ?? 10 ( ) ( )sNtr c p j kj w t j T c d?? ? ? ? ?? kd k k kd d d???， ， ， 共 SN 個(gè) 1SSRT? 1f f S SR T N T?? 1f f S SR T N T?? 圖 33 DSPAMUWB 信號調(diào)制邏輯框圖 其中，從是表示 1 個(gè) symbol需要的脈沖數(shù)量 (在 DS 中也是 1 個(gè) symbol的 chip 數(shù)量 )， kd 是要傳輸信息的第 k 位， Tc 是 chip 寬度， pc 是直接序列偽隨機(jī)碼序列 (DSPR), ()trw 是脈沖波形， SR 是 symbol 速率， CR 是 chip 速率。在箭頭上是每個(gè)模塊生成的信號。