【正文】 值為 零，則 THBPSK 調(diào)制的 UWB 信號(hào)的 PSD 函數(shù)中僅包 含連續(xù) 譜，不含離 散譜。 若跳時(shí)脈沖位置調(diào)制不是產(chǎn)生時(shí)延，而是改變 UWB 脈沖極性，則變成跳時(shí)二相調(diào)制 THBPSK。 UWB 的二相調(diào)制包括跳時(shí)二相調(diào)制 THBPSK 和直擴(kuò)二相調(diào)制 DSBPSK。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。 二相調(diào)制 BPSK 二進(jìn)制相位調(diào)制的形式類似于傳統(tǒng)數(shù)字通信中的 BPSK 調(diào)制方式。用 ()Pt 表示 UWB 信號(hào)的波形，發(fā)送的短脈沖序列 ()St 在時(shí)間軸上均勻分布， T為每個(gè)脈沖的時(shí)間間隔，第 k 個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)刻是 t KT? ，發(fā)送的數(shù)據(jù)控制 UWB 脈沖信號(hào)的幅度 ka ，則 PAM 調(diào)制的 UWB 信號(hào) ()St 為 : ( ) ( )kkS t a P t KT???????? （ 34） 設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)為 (.. )iid 獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，計(jì)算 ()St 的自相關(guān)函數(shù)可求得信號(hào) ()St的 PSD 函數(shù) ()f? ： 22222( ) ( ) ( / ) ( / )aa kf P f P k T f k TTT?? ???? ? ?? ? ? ?? （ 35） 17 式（ 35） 中 2a? 和 a? 分別是 ka 的 方差和均值 ， ()Pf 是 ()Pt 的傅氏變換 ， a? 是 單位沖擊函數(shù)。 脈幅調(diào)制 PAM PAM 調(diào)制方式是 UWB 信號(hào)的一種典型波形調(diào)制方式。無(wú)調(diào)制數(shù)據(jù)的 ()()ktrSt的PSD 函數(shù) ()f? 為； 221( ) ( ) ( ) ( )DkPPkf f C f fTT?? ??? ? ?? ? ?? （ 33） 式（ 33） 中， ? ? 21 ()0( ) e x p 2 ( )PN kf n cnC f j f n T C T???? ? ?? 。 設(shè)系統(tǒng)有 k 個(gè)用戶，第 k 個(gè)用戶發(fā)送的 THPPM 信號(hào)為： ( ) ( ) ( )[ / ]( ) ( )sk k ktr tr f j c j NjS t W t jT C T d???? ? ?? ? ? ?? （ 32） 式（ 32） 中， fT 和 cT 分別為幀持續(xù)時(shí)間和位持續(xù)時(shí)間 ， fT 一般在幾十 ns 到幾百 ns 16 之間， cT 一般在 之間， ? ?()kjC為第 k 個(gè)用戶的偽隨機(jī)序列，分布在 10 hN?? 之間， ? ?()kjC的周期為 pN ，定義 p p fT NT? ,它是 ()()ktrSt的周期， ? ?()kjd為用戶的信息位， ??z 表示取 z 的整敦部分， j 是幀號(hào)， ()trWt是發(fā)送的脈沖波形， ? 對(duì)應(yīng)于 2 進(jìn)制脈位調(diào)制，當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)為“ l”時(shí)，脈沖發(fā)送時(shí)間比調(diào)制數(shù)據(jù)為“ 0”時(shí)延遲 ? 秒，如果為“ 0”，則無(wú)時(shí)移。采用跳時(shí)脈沖位置調(diào)制對(duì)長(zhǎng)脈沖序列進(jìn)行調(diào)制時(shí)，每一用戶的下一塊信息將在時(shí)間上隨機(jī)分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的信號(hào)功率分布，這使得 UWB 信號(hào)在頻域中類似于背景 噪 聲。在現(xiàn)有的 UWB 系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式 主要有跳時(shí)脈位調(diào)制 THPPM、脈幅調(diào)制 PAM、二相調(diào)制 BPSK、開關(guān)鍵控 OOK、偽混沌跳時(shí)調(diào)制 PCTH、 M 狀態(tài) Walsh 碼調(diào)制以及這些調(diào)制方式的結(jié)合方式。 UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級(jí)脈沖串，脈沖寬度 m? 遠(yuǎn)小于脈沖之間的平 均間隔且兩個(gè)脈沖之 間的間隔可以固定也可以時(shí)變。在勘探 領(lǐng)域，利用 UWB 技術(shù)，可以探測(cè)到地表以下數(shù)米深的物質(zhì)。 2020 年 2 月，美國(guó) TimeDomain公司推出了穿墻透視儀 Radar Vision 采用了 UWB 技術(shù)，可以透過 23 層一般的墻壁，探測(cè) 10 米范圍內(nèi)的物體，為警察、特種部隊(duì)士兵等制服藏匿在室內(nèi)的持槍 歹 徒提供了強(qiáng)有力的先進(jìn)工具。 采 用無(wú)線連接，可以避免使用額外的電纜，而且放置方便、靈 活。如果距離低于警界值， UWB 設(shè)備通知汽車內(nèi)的電腦系 統(tǒng)，采取相應(yīng)的措施。 (2)智能交通系統(tǒng) UWB 系統(tǒng)同時(shí)具有無(wú)線通信和定位的功能，可以方便地應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為汽車防撞系統(tǒng)、智能收費(fèi)系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)等提供高性能、低成本的解決方案。 ⑤向個(gè)人手持媒體播放器（ PMP）傳輸數(shù)字媒體文件，如完全長(zhǎng)度的電影，只需幾秒時(shí)間即可完成，供用戶在旅途中欣賞。 ③只要 MP3 播放器進(jìn)入個(gè)人電腦 /手提電腦、家庭影院 MP3 服務(wù)器的覆蓋范圍，即可傳輸數(shù)兆的 MP3 音頻數(shù)據(jù)。 ②將圖像從數(shù)碼相機(jī)即時(shí)傳輸?shù)絺€(gè)人電腦 /手提電腦、電視或其他顯示設(shè)備上。借助 UWB， 用戶甚至沒必要將所有這些設(shè)備都安裝在同一個(gè)房間內(nèi)。 根據(jù)上述的功能 ， UWB 技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)線多媒體家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)， 雷達(dá)定位和成 14 像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。 UWB 技術(shù)，特別是采用無(wú)載波脈沖方式時(shí)，具有較強(qiáng)的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進(jìn)行通信、成像或定位。 UWB 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 根據(jù)種種 UWB 的優(yōu)點(diǎn) ， UWB 無(wú)線通信技術(shù)的主要功能包括無(wú)線和定位功能。此外， FCC 制定的標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)中心頻率 cf 附近 50MHz 頻帶范圍內(nèi)輻射信號(hào)峰值給出了限制指標(biāo)，這個(gè)極限值為0 /50dB MHz ，即對(duì)中心頻率 cf 附近 50MHz頻帶范圍內(nèi)計(jì)算的功率應(yīng)限定在 0dBm內(nèi)。對(duì)于室內(nèi) UWB 系統(tǒng)，掩蔽限制是針對(duì) 到 范圍內(nèi)的 10bB 帶寬，對(duì)于帶外的輻射掩蔽也有嚴(yán)格的限制。特殊情況下，如果整個(gè)帶寬 B 范圍內(nèi)，由掩蔽所確定的 mbEIRP 值為一常數(shù)，則可以得到： 2 24377Smb VBE IR P E IR P Dmb ??? (25) 式（ 25）給出了 mbEIRP 作為帶寬 B mb? 的信號(hào)的最大容 許 EIRP 的正式定義。這個(gè)功率我們用 mbEIRP 表示，只有當(dāng)傳輸信號(hào)的帶寬 B 等于測(cè)量帶寬 mb 時(shí)，該功率等于總的可允許 EIRP。但一般來說，在 某一給定的頻率處，輻射掩蔽是以功率值（典型單位是 dBm）而不是以功率密度值給出的。平均功率相同，脈沖重復(fù)頻率低的信號(hào)脈沖能量 12 PE 較大，也就是說，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，對(duì)于平均功率相當(dāng)?shù)男盘?hào)，其最大瞬時(shí)功率卻可能有明顯的差別。假設(shè)單個(gè)脈沖的能量為 PE ，則代表一個(gè)比特的所有脈沖的總能量為 SPNE ,在b S ST NT? 假設(shè)下的平均功率 avP 就為： S P S P Pav h S S SN E N E EP T N T T??? （ 24） 式 （ 24） 中， 1/ST 指脈沖的重復(fù)頻率。場(chǎng)強(qiáng) (單位是 /Vm)與功率（單位 W ）的關(guān) 系如下： 2 24377SVEIRP D?? （ 23） 式（ 23）定義的功率是平均功率。 FSZ 跟自由空間的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，大約等于 377? （精確值為 120? )。 如果發(fā)射機(jī)的輸出阻抗 oTXZ 與天線的輸出阻抗 ATZ 相匹配，即 *oTX ATZZ? ， 則滿足最大功率傳輸條件，即發(fā)射機(jī)的最大可用功率可以有效地傳遞到天線。 圖 兩次變頻收發(fā)機(jī)（傳統(tǒng)方案） 圖 直接變頻收發(fā)機(jī)（改進(jìn)型方案） 圖 直接中頻采樣收發(fā)機(jī)（軟件無(wú)線電方案） 圖 超寬帶 UWB 收發(fā)機(jī) 11 功率限制和輻射掩蔽 通常來說，超寬帶無(wú)線電信號(hào)是與其他的無(wú)線電信號(hào)同時(shí)存在的，因此，可能對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾必須要限定在某一范圍內(nèi)，這就意味著在任一給定頻率上的空中接口都必須有一個(gè)最大允許功率，這個(gè)功率的值一般由輻射掩蔽 （ emission mask） 來確定。一般來講， UWB 系統(tǒng)主要涉及功能單元有：脈沖產(chǎn)生單元、基帶調(diào)制 /解調(diào)單元、信道編 /解碼單元、信道估計(jì)及均衡、同步單元。它是每秒數(shù)十兆的速率發(fā)射和接收脈寬小于 lns 的窄脈沖信號(hào)，信息通過脈沖位置調(diào)制（ PPM）調(diào)制到精確定時(shí)的脈沖串中去。香農(nóng)還指出，在高斯噪聲干擾下， 有限平均功率的信道上，實(shí)現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號(hào)是 具有白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)，這是由于高斯白噪聲理想的自相關(guān)特性 0 ()2N?? 所決定的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍甚至幾千 倍。 式 （ 21） 說明：在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲比 /SN下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬 B 的辦法來保持信道容量 C 不變，以實(shí)現(xiàn)信道內(nèi)無(wú)差錯(cuò)通信。本論文是以采用基帶脈沖傳輸技術(shù)的經(jīng)典超寬帶無(wú)線電通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究的。根據(jù)超寬帶信號(hào)的基本特 性，超寬帶無(wú)線電技術(shù)大體包括基帶脈沖傳輸方式和帶通載波調(diào)制傳輸 方式兩大類。 第五章總結(jié)了全文的工作。 第三章主要介紹了超寬帶無(wú)線通信的調(diào)制方式，并做了 簡(jiǎn)單 的比較。 論文的主要內(nèi)容 本文 在 對(duì) UWB 技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的介紹和分析的基礎(chǔ)上，主要就超寬帶技術(shù)中的 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，并搭建了調(diào)制仿真平臺(tái)，從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)基于高斯脈沖的超寬帶的基本調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究和分析。 國(guó)內(nèi)在 UWB 通信方面的研究相對(duì)較晚，目前還沒有發(fā)現(xiàn)有人試制出樣機(jī)， UWB 技術(shù)在 天線、脈沖發(fā)生電路、時(shí)鐘同步以及信號(hào)檢測(cè)和處理算法等方面還存在許多實(shí)現(xiàn)上的技術(shù)難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)研究成果主要集中在 UWB 信號(hào)產(chǎn)生及其天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面，東南大學(xué)、電子科大學(xué)、桂林電子工業(yè)學(xué)院在 UWB 窄脈沖發(fā)生器及超寬帶天線 方面的研究取得了一定的進(jìn)展。 另外，國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)超寬帶無(wú)線通信的研究也越來越深入：國(guó)際上已經(jīng)成立了超寬帶工作組（ UWB ORG），并且召開了第一屆超寬帶專題學(xué)術(shù)會(huì)議； IEEE JournaI on Selected Areas in Communication雜志在 2020 年出版了有關(guān) UWB技術(shù)的專輯論文 “ Ultra Wide Band Radio in MultiAccess Wireless Communication”； 俄羅斯也在 2020 年召開了雷達(dá)、通訊及 8 聲學(xué) 中超寬帶技術(shù)的 UWBSRCA 專題會(huì)議。 Fantasma 公司提出將超寬帶技術(shù)作為高性能無(wú)線家域網(wǎng)（ High Performance Wireless Home Network）的一種解決方案，以支持高達(dá) 50Mbps 的數(shù)據(jù)率，其傳輸距離可達(dá) 50 米。該公司一直在設(shè)計(jì)其自己的 UWB 芯片組，預(yù)計(jì)今年內(nèi)能投入生產(chǎn)。目前，英特爾計(jì)劃在 2020 年 第四 季度推出集成樣片。英特爾認(rèn)為，在操作系統(tǒng)的支持方面，如果繼續(xù)使用現(xiàn)有的軟件，那么開發(fā)成本將大大降低，這是因?yàn)?UWB只不過是相當(dāng)于接口最下層的物理層規(guī)格，因此，英特爾將 UWB 定位于“無(wú)線 ” 。 英特爾于 2020 年 2 月 28 目（美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間）公開演示了其 UWB 技術(shù)及其收發(fā)信樣機(jī)，該樣機(jī)在 3 米距 離時(shí)，能達(dá)到相當(dāng)于 IEEE802． 1lb 約 10 倍的 l00Mbps 的數(shù)據(jù)傳送速度。 7 美國(guó) Time Domain 公司利用單脈沖技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出數(shù)據(jù)率達(dá) 156kbps，平均發(fā)射功率為 250 微瓦 ，傳輸距離達(dá) 16 千米 的全雙工系統(tǒng)，以及傳輸距離為 10 米 （ 穿越兩面墻壁 ） ，平均發(fā)射功率為 50 微瓦，數(shù)據(jù)率達(dá) 5Mbps，不用糾錯(cuò)編碼，誤比特率為 0 的單向傳輸演示系統(tǒng)。 如今，有很多的 UWB 設(shè)備生產(chǎn)商對(duì) UWB 技術(shù)進(jìn)行研究，其中比較有名的設(shè)備生產(chǎn)商有 Aether Wire and Location 公司、 MultiSpectral公司、 PulseLink 公司、 Time Domain 公司和 Xtreme Spectrum 公司等， Intel公司也有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行 UWB 方面的研究。如果 UWB 的 目 標(biāo)是得到高信道容量或高速數(shù)據(jù)速率，那么可以通過將平均脈 沖頻率提高到 2GHz 以上或?qū)l(fā)送信號(hào)的功率提高（如果允許且不造成干擾）的方法來達(dá)到這一目的，這就會(huì)與常規(guī)的無(wú)線通信系統(tǒng)一樣，即 UWB系統(tǒng)也需在帶寬效率、發(fā)送峰值功率、復(fù)雜度、靈活支持多速率和用 BER 表示的性能之間取得平衡。 (4)從本質(zhì)上講， UWB 可以用更窄的脈沖去換取其它兩個(gè)可變的參量，即：帶寬變寬和使信噪比降低。 (3)波形失真。同時(shí)， 在 超寬帶接收機(jī)的頻帶內(nèi)，也極易受到傳統(tǒng)窄帶通信機(jī)的干擾，其匹配濾波器的精度、超寬帶的天線等也都不易得到滿足。 超寬帶技術(shù)的劣勢(shì) 超寬帶技術(shù)也存在著四個(gè)主要的劣勢(shì)： 6 (1)超寬帶系統(tǒng)用非常寬 的帶寬來收發(fā)無(wú)線電信號(hào)，而實(shí)際上并不存在如此寬空閑頻帶，總要有部分頻帶與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)，如航空、軍事、安全、天文等領(lǐng)域的無(wú)線系統(tǒng)使用的頻帶相重疊，甚至?xí)?duì) GPS 等其它窄帶無(wú)線通信形成干擾。 超寬帶系統(tǒng)不論是基帶脈沖的還是帶通調(diào)制載波的，射頻、模擬以及 信號(hào)處理部件都相對(duì)較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)， 因而可以大大降低成本。 超寬帶脈沖信號(hào)含有豐富的低 頻分量，因而具有很強(qiáng)的穿透地表面、墻壁和其他物體的能力，可應(yīng)用于需要穿透物