毕业设计论文超宽带信号发生器

目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 UWB技术的发展与现状11.1.1 UWB 技术发展简史11.1.2 UWB的定义以及相关概念21.1.3 UWB技术的优势31.1.4 UWB的发展现状及方向61.2 本论文研究的主要内容71.3 论文意义及结构安排72 UWB原理概述92.1 超宽带信道模型92.2 超宽带脉冲102.3 超宽带信号的调制102.4 超宽带的脉冲接收检测技术152.5 本章小结183 UWB脉冲的特性分析193.1 高斯脉冲193.1.1 高斯脉冲的时域波形193.1.2高斯脉冲的频谱203.2 基于正弦波的UWB脉冲信号243.2.1 三角包络窄脉冲253.2.2 高斯包络脉冲253.3 Hermite多项式脉冲263.4 本章小结294 UWB脉冲产生技术3041 UWB脉冲产生技术简介304.2 超宽带窄脉冲信号的要求314.3 基于滤波器的脉冲发生器314.3.1 设计原理324.3.2 电路设计334.3.3 电路仿真分析过程344.4 本章小结385 结束语39超宽带信号发生器超宽带信号发生器 摘 要超宽带技术是近年来无线通信领域的研究热点，其主要的研究方向包括：UWB雷达、UWB无线通信系统、定位识别、透视功能的UWB等等。其中UWB无线通信技术可分成两类，即无载波UWB技术和载波调制UWB技术。在无载波UWB技术中，窄脉冲发生器是最重要的关键部分之一。本文就对此作深入的分析和研究，主要的研究内容如下：首先，对多种UWB技术原理进行了概述，包括产生技术，调制技术、信道模型和接受检测技术。从而对整个UWB系统的产生、传输、接收有所了解。 其次，对现广泛应用于UWB无线通信系统中的三种主要的脉冲形式，即高斯脉冲、基于正弦波的UWB脉冲和Hermite多项式脉冲的特性进行了详细的理论研究。通过对各种脉冲的形状和频谱的编程仿真和分析得到了一些实用的设计方法。 最后，提出了基于滤波器原理的脉冲发生器的设计，重点对其中的脉冲成形网络部分进行了改进。仿真得到了516.455mV(峰一峰值电压)；脉冲宽度约1276ns(两峰值之间的宽度)，上升时间382653ps；下降时间1658ns的超宽带脉冲，该方法的脉冲重复频率高，适合用于UWB无线通信系统中。通过对电路的稳定性分析可以看出，所设计的电路结构都能在实际应用中工作稳定。关键词： 超宽带 脉冲发生器 高斯脉冲 滤波器ULTRA-WIDEBAND SIGNAL GENERATORABSTRACT In the field of wireless communication, the research of UWB technology has become hot in recent years,many companies, research institutions, colleges are devoting themselves into this job. There are many branches of UWB technology: UWB radar, UWB wireless personal communication system, position identification UWB, and so on. Generally speaking, there are two sorts of UWB wireless communication: no carry wave UWB and carry wave modulated UWB. In the no carry wave UWB, narrow pulse generator is the most particular and important part. Large amount of researches and analysis of this kind of pulse generator has been done in this thesis, the following shows the main work this thesis: First, the pulse waveform is necessary to be designed carefully because different pulse waveforms contain different frequency spectrum which decide the performances of communication systems. Second, there are many sorts of UWB pulse generators which have different elements. In this paper, the pulse generator circuits based on Tube Diode, Avalanche transistor, Step Recovery Diode(SRD), digital method, filter method have been deeply analyzed and discussed. Based on the avalanche transistor and the filter method, UWB pulse generators have been designed and simulated with the Multisim simulator.Last, based on the avalanche characteristic of BJT-NPN, A UWB pulse generator with good performance is designed. Two inductors are added to the circuit in order to increase the output load, with almost the same pulse duration, the amplitude of the pulse is increased. Its suitable to be used the UWB radar system. The pulse generator can be easily derived through changing the parameters of the circuit components.KEY WORDS: UWB Pulse generator Gaussian pulse Filter471 绪论现代无线通信技术的迅猛发展及其在商业中的成功应用深深地影响了我们的日常生活。从模拟蜂窝通信到数字蜂窝通信的变革，第三代，第四代无线通信系统的出现，以及用Wi-Fi和蓝牙取代有线连接，使得消费者们在任何时间以及任何地点都能够接入大量的信息。然而随着无线通信技术的不断推陈出新，面临的挑战也越来越大，这是因为：每种特定的无线通信技术都要占据某一特定的频段，从而避免彼此间的通信干扰。当有新的无线业务引入时，对可用频谱的限制变得越来越苛刻。超宽带(UWB,Ultra Wide Band)技术提供一种全新的频谱复用解决方案，它采用宽频谱(-10dB带宽大于500MHz)和低发射功率的窄脉冲(纳秒级宽度)作为信息载体，无正弦载波调制。对于已经存在的窄带通信系统，超宽带的发射功率接近于噪音，不会对它们的正常通信造成影响。而超宽带系统本身却因为巨大的带宽，可以获得很高的信息速率。因此：超宽带技术通过允许新的业务与当前无线通信系统以较小干扰的方式共存，为几近枯竭的无线频谱资源提供了一种极有前途的解决方案。1.1 UWB技术的发展与现状1.1.1 UWB 技术发展简史 在 UWB 技术发展的初期，人们因其技术特点，也将它称为脉冲无线电。有关脉冲通信的研究可以回溯到20世纪40年代。1942年，Louisde Rosa提出两项利用脉冲传递信号的专利申请。1945年，Conrad H. Hoeppner也提出了一项有关脉冲通信技术的专利申请，1961年获得批准。60年代后期，Gerald Ross和HenningHarmuth为脉冲通信技术的发展做出了很大贡献，他们研究了脉冲传输系统的主要部件和脉冲收发信机的设计，主要集中在脉冲的产生和检测技术。从六七十年代开始，脉冲技术主要用于非通信领域的商业应用方面。第一个超宽带无线通信系统专利于1973年获得批准。1990年，美国军方所确定的“超宽带”定义，实际上统一了历史上出现的“冲击”、“窄脉冲”、“无载波(Carrier-Free)”、“基带”、“时域”、“非正弦(Nonsinusoidal)”、“大相对带宽(Large-Relative-Bandwidth)”等无线电技术的概念。因为这些系统发射的信号带宽大都满足“超宽带”定义。1997年10月，某公司在美国海军陆战队基地进行了“秘密行动链路(Stealth Link)”手持式超宽带无线2超宽带脉冲产生技术研究电的现场演示，实现了移动式点对点操作和 900m 距离以上的全双工传输，传输速度达到32kb/s。能在700m以外测试出传统 UHF 电台信号的频谱分析仪，要在10m以内才能检测到超宽带发射机的信号。从中可见，超宽带可进行远距离无线传输且保密性强，从而证实了超宽带无线通信独特的军事应用价值和实践的可行性。1994年以前，超宽带技术研究集中于美国的军事领域，然而此后，随着美军方解除了此项技术的限制，人们开始关注超宽带技术在民用领域的巨大潜力，并促使此项技术飞速发展起来。2002年4 月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了关于超宽带技术的“First Report and Order”，这是第一个关于应用超宽带技术的标准规范，是超宽带技术发展的一个重要里程碑，关于FCC授权的超宽带技术标准，将在第 3 章详细描述。 虽然世界各国对UWB技术的研究进行得如火如荼，但UWB的发展仍然缓慢，其原因主要有：在1994年以前主要限于军方使用，限制了第三方开发支持UWB技术的软件和硬件：由于UWB通信使用许多专用频段，FCC对UWB技术的批准进展缓慢；UWB通信带来的干扰问题也阻碍了UWB技术的发展步伐；而且，由于UWB技术可能取代现在使用的所有无线技术，包括PAN，WLAN(802.1la，802.1lb，8021lc)因此，许多公司会抵制该技术的商用。因此,需要国内外研究人员和各方的共同努力才能使UWB技术快速发展。1.1.2 UWB的定义以及相关概念超宽带无线通信也被称为脉冲无线电。这是由于超宽带信号具有脉冲特性，即，极小的脉冲持续时间和极低的占空因子。而一个对超宽带无线通信比较确切的解释是 2002 年4月，美国 FCC 提出的超宽带两种定义。 1)通信信号的相对带宽大于等于0.2，这里的带宽指的是-10dB带宽； 2)信号带宽大于等于500MHz，而不管相对带宽是多少。(1)占空因子 占空因子(又称占空比)的一个简单定义就是脉冲出现的时间与总的传输时间之比，如图 1-1 所示。图 1-1 低占空因子脉冲示意图占空因子的数学定义如下： 占空因子 = (1-1)低占空因子保证了超宽带通信系统非常低的平均功率，平均发射功率在微瓦数量级，这大约是普通蜂窝电话的发射功率的千分之一。然而，单个超宽带脉冲的峰值或瞬时功率相对很大，但是因为它们仅在纳秒级的时间内发射，所以平均功率变得非常小。(2)绝对带宽和相对带宽 通信基本原理指出，时域的宽度和频域的宽度存在着倒数关系。因为超宽带脉冲极低的占空因子和时域宽度，使得它在频域上分布很宽，同时拥有很低的功率谱密度，相对带宽定义如下： 相对带宽= (1-2)式中 fc表示信号的中心频率，fH和 fL分别代表脉冲的最高和最低截止频率(在-10dB点)。1.1.3 UWB技术的优势 在了解了关于超宽带基本概念之后，需要关注的是超宽带相对于普通无线通信技术的优势。(1) 共享频谱的能力 按照FCC规定的发射功率(-41.3dBm/MHz)，超宽带的功率谱密度低于噪声，这使得它几乎不会影响到现有的窄带无线通信系统，从而与这些系统共存。在可用频段越来越有限的情况下，超宽带技术可以说从一个新的角度解决了共享频谱的难题。超宽带频谱共享示意图如图 1-2 所示。PSD表示脉冲的功率谱密度，f表示频率。图 1-2 频谱共享示意图（2）大信道容量根据香农公式 ： （1-3）虽然对于UWB系统而言，信噪比通常是非常低的，然而由于信道容量与信噪比仅为对数关系，而与信号带宽为正比例关系，因此,带宽很大的UWB无线通信系统仍然可以保证相当大的信道容量。在短距离特别是10m左右的范围以内的UWB系统所能达到的传输速率至少为100Mb/s，这是目前任何无线通信设备都无法达到的。种种实验表明，在短距离无线通信领域，UWB 技术具有巨大的信道容量优势。(3) 隐蔽性 超宽带无线通信系统，因为其非常低的发射功率，对检测和截获具有先天的免疫能力。正是由于这种低发射功率，窃听者必须非常靠近发射机(大约1m)才能检测到发射信息。除此之外，由于系统非常低的占空系数，若不知道脉冲精确到纳秒的到达时刻，对超宽带脉冲的检测几乎是不可能的。这样一来，超宽带系统保证了高度的安全性，对于军事通信而言是重要的。(4) 抗多径衰落常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，大量多径分量的交叠造成严重的多径衰落，限制了通信质量和数据传输速率。超宽带无线通信发射的是持续时间极短，占空因子极低的脉冲，在接收端，多径信号在时间上能做到有效分离。具体的讲，就是直接路径和反射路径到达脉冲之间的时域差距要比脉冲宽度还要大，那么直接路径的脉冲通过接收窗口之后，自然不会受到各反射路径的干扰，如图1-3所示。(a) （b） 图 1-3 超宽带信号抗多径衰落示意图（a） 超宽带信号多径传播示意图；（b）超宽带多径信号接收示意图 大量实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达 1030dB 的环境，对超宽带无线通信信号的衰落最多不超过 5dB。此外，由于脉冲多径信号在时间上很容易分离，可以方便地利用瑞克接收技术，以充分利用发射信号的能量，提高信噪比，从而改善通信质量。(5) 收发信机结构简单 如 1.1.1节中所提到的，超宽带系统不同于以往的无线电通信，它不需要载波的调制和解调。无载波传输和载波传输相比，其所需的射频成分更少。因此，超宽带收发信机的结构得以大大简化，造价更为低廉。(6) 穿透特性 与窄带技术不同，超宽带系统能够有效地穿透不同的材料。由于范围宽广的超宽带频谱中包含有低频成分的长波，所以超宽带信号具有较强的穿透能力。实验系统证明，超宽带系统能够穿透树叶等障碍物，甚至是墙壁。因此，它适用于需要穿透墙壁或是地表的通信系统以及雷达，还能实现隔墙成像。1.1.4 UWB的发展现状及方向 当前，有许多公司正在进行 UWB 技术的研究开发工作。美国 XtremeSpectrun公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的UWB芯片组，它采用双相调制技术和IEEE 802.15.3 MAC协议，传输速率达到100Mb/s；Intel在2000年成立了UWB研究实验室，其实验室产品在23年内能达到100Mb/s的数据速率TimeDomain公司利用UWB PPM技术，开发了两代PulsON芯片，第三代 PulsON商用产品也即将问世；2003年1月，Philips和GA签订了一个备忘录，利用Philips和Bicoms的优势和GA的UWB技术联合开发速率达 480Mb/s 的 UWB 芯片组，并支持IEEE 802.15.3a标准；Pulse Link公司在2003年第一季度推出了传输速率达400Mb/s的UWB芯片组；此外，美国 Discrete Time公司开发了多频段UWB技术，它采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲，与单频段 UWB 系统相比，多频段UWB 系统的每频段内可以用较低的速率发送信息，这降低了UWB的成本，具有较好的自适应性，可以与 802.11a 共存；Intel、Cisco、Sony等公司也都准备进入UWB无线数据通信市场。无线家用网络将会是 UWB 的主流市场，对短距离高速WPAN，UWB有希望成为一项可行和有竞争力的无线技术，有能力支持以用户为中心的个人无线通信世界。虽然UWB技术发展迅速，但是仍存在不少技术难题。UWB系统面对的突出技术性问题之一是对于现有窄带通信系统的干扰以及这些窄带系统对UWB系统的干扰。针对这个问题，改进的方案主要是基于对UWB系统本身进行优化设计。研究思路放在UWB脉冲信号波形的设计与优化上，即如何产生出严格遵守FCC等机构制定的辐射掩蔽约束条件的脉冲信号，并采用一些有效的抑噪技术来减少对现有窄带系统的干扰。包括寻找一种更优的UWB信号波形，采用自适应编码、调制、比特交织波束成形及功率控制等已在蜂窝通信中被验证能起到抑制干扰作用的相关技术，这些构成了UWB新的发展方向。 同时，随着认知无线电技术的出现，一种把认知无线电(CR)引入到传统 UWB的新技术逐渐浮出水面给UWB技术的发展提供了全新的前景，并有可能由此设计出一种全新的高性能UWB系统，这就是认知超宽带(CUWB)。采用频谱感知技术能提高频谱利用的灵活性，改善频谱共享，有效抑制窄带干扰，使超宽带系统与其他系统更好地共存等等CUWB是一个复杂的系统，从频谱感知技术到频谱接入技术，从基本脉冲产生到信号的调制再到信号的检测。目前，对于 CUWB的研究才刚刚起步，有很多亟待解决的问题。1.2 本论文研究的主要内容UWB无线通信这一新技术，由于在许多理论问题上与以往其它的无线通信有不小的差异，在实现技术上受各种相关技术发展水平的限制，时至今日，这一研究领域还存在诸多需要迫切解决的问题，其中UWB信号波形的设计与产生技术则是急待解决的关键技术。本文的主要内容是：UWB脉冲信号特性描述，时域和频域特性分析和计算机仿真；各种UWB脉冲信号产生技术其原理、特点及应用的介绍；对其中基于滤波器技术的UWB脉冲发生器进行设计和仿真。1.3 论文意义及结构安排 UWB脉冲信号的设计与产生技术是研究u髓无线通信技术的基础和关键。本文的目的就是研究此技术，并促进其在军用和民用领域的应用。脉冲的形式直接影响滤波器设计、接收机带宽和信息误码率，研究UWB脉冲信号的特性，能给系统的设计起指导作用。而且不同的脉冲其频谱分布也不同各国对频谱资源的不同规划也要求我们必须熟知各种脉冲的具体特性。 在UWB通信技术中，高速窄脉冲的产生是一项关键技术。UWB通信技术要求发送的脉冲信号具有适当的功率、合适的波形、良好的前后沿、高的重复频率。同时，要求脉冲产生电路具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单的特点。相对于传统的无线通信技术而言，人们对这一技术的研究还不是很多。本文就是要在目前现有的设计方法的基础上，力求寻找更好的脉冲产生方法。 本文的结构安排： 第一章绪论 第二章UWB原理概述 第3章UWB脉冲的特性分析 第4章UWB脉冲产生技术 第5章一种超宽带窄脉冲的设计与实现第6章结束语2 UWB原理概述 UWB是一个庞大的无线通信系统，它所涉及的关键技术成为人们研究的热点，其中包括：超宽带的信道模型、超宽带信号波形的设计、超宽带信号的调制方式、超宽带信号的接收检测以及同步方式等等。本章将通过这些关键技术对 UWB的原理进行概要的总结，进一步深入了解这种新兴的无线通信技术。2.1 超宽带信道模型 信号的传播环境对无线通信系统来说影响巨大。研究一个无线通信系统，首先应该考虑的是它所处的无线环境，这个环境的数学模型就是信道模型。本节将详解说明的是 IEEE802.15.3a建议的超宽带信道模型。超宽带无线传播的特点在绪论中已经提到。UWB信号是一种占空因子很小，持续时间极短的脉冲，它符合一般脉冲无线电的所有特点，能够对多径衰落有效抵抗并具有很高的信息传输速率。图1-3很形象地表述了为什么UWB脉冲能够抵抗多径衰落。对一般的无线频带传输系统来说，多径衰落的避免(Rake接收)是不可缺少的过程，但对于超宽带系统而言，多径衰落的影响是有限的。超宽带信号的持续时间小于多径时延，系统的接收端只需检测到达的首个信息脉冲，然后屏蔽掉在同一符号周期内其他的脉冲即可，多径时延一般无法对脉冲波形造成影响。不但如此，接收机甚至还可以对通过多条路径到达接收端的超宽带脉冲进行充分利用，进一步提高接收机性能。 超宽带信号的功率分布在很宽的频带上，导致它的传输速率较之一般的无线通信系统，IEEE802.15.3a是关于高速无线个域网(WPAN,WirelessPersonal Area Network)的建议。最后一位的a强调了物理层应采用超宽带技术。这个信道模型的提案主要有：Intel提出的超宽带模型，Ghassemzadeh-Greenstein模型和 Pendergrass-Beeler模型。而除了Intel提出的模型外，其他模型采用的基带脉冲宽度都不能提供足够的空间或者时间分辨率，也就无法模拟多径衰落对于系统的影响。由于以上原因，一般都采用 Intel提出的超宽带模型，但因UWB系统本身的抗多径性能极强，所以在这里不考虑多径模型，只考虑路径损耗模型。2.2 超宽带脉冲 在了解了超宽带通信系统的无线信道模型之后，为了完成UWB通信系统的构建，接下来首先需要考虑的问题是，待发送信息需要什么样的载体来传输。UWB是一种无载波调制的无线通信系统，那么它所使用的脉冲波形就显得非常重要，这直接影响到超宽带系统的频域性状及通信性能。通过绪论的介绍可知，UWB 系统巨大的带宽和极低的功率谱密度都是由其时域脉冲波形所决定。因此，要构成一个符合规则(如FCC授权的辐射掩蔽)的超宽带系统，首先需要考虑的是使用什么样的脉冲波形。 在超宽带技术发展的初期和相当长的时期内，高斯脉冲充当了这种无线通信系统的成形脉冲。随着理论和技术的进步，更多性能更好的脉冲逐渐被UWB系统所采用，包括高斯各阶导函数脉冲、Hermite正交脉冲、扁长椭球波函数(PSWF)正交脉冲等等。其中，PSWF脉冲因其良好的特性,被认为是最适合于 CUWB系统的脉冲。这部分内容是本文的重点，将在第 3 章和第 4 章详细讨论。2.3 超宽带信号的调制 找到了适合于UWB通信系统的脉冲，接下来要使用这些脉冲传递信息，赋予脉冲信息含义的过程就是信号的调制。对于窄脉冲的调制方法研究已经比较深入，几种常用的脉冲调制技术如下。(1) 开关键控调制(OOK) 开关键控调制是一种最基本，最简单的脉冲调制方式。基本原理是在一个符号周期内，发送脉冲表示“1”，不发送表示“0”。这种方法的优势是结构非常简单，射频电路仅仅需要一个开关器，通过开关器控制信号是否发射就可以表示数据了。此外，OOK 的另一个好处是发射功率很低，符合 UWB 对于发射功率严格限制的设计要求，发射机在发射比特“0”时处于空闲状态，因此降低了发射功率。开关键控的调制信号可表示为： （2-1）式中 ps(t)为超宽带脉冲波形，诸如，高斯脉冲，PSWF 脉冲等等。bm表示二进制信息，T 是符号周期。示意如图 2-1 所示图 2-1 OOK 调制脉冲示意图虽然拥有结构简单，发射功率低等优势，但存在的问题同样明显。开关键控方式使得接收机对噪声和干扰较为敏感，因此，开关键控在多用户环境下并非一种有效的调制方式。此外，因为开关键控有可能有一连串的比特“0”，使得在这段时间内没有脉冲供同步利用，因此使得信号同步更加难以实现，所以，对于 OOK的调制信号，基本都使用非相干方式解调(2) 脉冲振幅调制(PAM) 脉冲振幅调制是脉冲的幅度随着信号变化的一种调制方式，如图 2-2 所示。在这种调制方式中，可以使用较大振幅的脉冲代表“1”，较小振幅的脉冲代表“0”。脉冲振幅调制信号可表示为 （2-2）图2-2 PAM调制信号示意图 脉冲振幅的调制方式是一种十分简单的调制方法。虽然脉冲幅度调制而成的信号不像开关键控调制而成的信号对噪声那么敏感，但是无线信道对脉冲信号的衰减会使脉冲幅度调制转化为开关键控的情形，对噪声的敏感问题依然没有得到根本解决。同时，由于发送脉冲的周期性，会导致脉冲幅度调制方式下的发送信号在功率谱密度上出现很多离散的谱线，这些离散谱线会对其它与超宽带信号共享频谱资源的窄带或者宽带系统造成有害的干扰。(3) 二相调制 二相调制是脉冲振幅调制的另一种特例。这种调制方式使用具有正极性的脉冲代表信息“1”，使用具有负极性的脉冲代表信息“0”。调制信号表达式仍可沿用式(2-2)。二相调制的示意图如图 2-3 所示。图 2-3 二相调制信号示意图之所以把二相调制单独的介绍，是因为脉冲极性的改变使得发送的信号保持为一个 0 均值过程，它解决了 PAM 调制技术中出现离散谱线的问题。此外根据信号检测与估值的理论，由于代表“0”和“1”的两种脉冲有最小的相关系数，这种调制方案对于噪声的抵抗会比开关键控(OOK)和脉冲振幅调制(PAM)都要好，同时又能提供持续的同步信息。然而，这种调制技术的缺点是发射机的实现更为复杂，它需要由一个发射机产生正极性的脉冲，而另一个发射机产生负极性的脉冲，并且对于一个数据流的发射，必须保持两个发射机正确定时与同步。(4) 脉冲位置调制(PPM) 脉冲位置调制方式通过脉冲所在一个符号周期中的位置来表示信息。例如，在一个符号周期中，用一个规定好的参考位置脉冲 ps(t)代表符号“0”，而用一个与参考位置有一定时延的脉冲 ps(t -)代表符号“1”。可以用下面的式子来表达PPM 调制信号： （2-3） 式中 T 表示符号周期，bm代表“0”或“1”的信息。代表脉冲位置的平移距离。PPM 调制方式如图 2-4 所示：图 2-4 脉位调制示意图 比较 2.3 节，(1)中介绍的开关键控调制和(2)中介绍的脉冲幅度调制，脉位调制下的信号对于信道噪声造成的虚检概率具有更好的抵抗效果，这是因为，承载数据的脉冲具有相同的幅度，在检测过程中不需要考虑因脉冲幅度大小而造成的误检测。这是它比较 PAM 技术的一个优势。 但是脉冲位置调制比起脉冲幅度调制的信号来说，更容易受到由多址造成的脉冲碰撞干扰。除此之外，它的另一个显著弱点是对时间同步的错误极为敏感。造成这一问题的原因也是明显的：数据符号的恢复完全依赖于脉冲位置的偏移量，定时如果不准确，必然会导致恢复信号产生差错。在多径干扰严重的无线环境中，PPM 调制信号的解调将面临较大的挑战。(5)跳时-脉冲位置调制(TH-PPM) 跳时-脉冲位置调制是在多址环境下利用 PPM 技术实现信号调制的一种方式，目前可以说是应用最为广泛的一种脉冲信号调制方式。在这种调制技术中，一个符号周期定义为一个信息帧，每个符号周期被分为若干个码片，每个码片供一个用户使用。这类似于TDMA的形式，不同的是每个用户被分配的码片并不是固定的，而是由一组伪随机码字来决定的。例如，用户A在第一个信息帧中的随机码字为 2，则他所占用的码片是第2个，而在第二个信息帧中的随机码字为 3，则他所占用的码片是第3个。一个多径 TH-PPM 信号模型可由下式给出： （2-4）式中 Tf表示帧周期，Tc表示码片周期。显然，有多少用户，一个 Tf中就包含多少个 Tc。cm,n表示第 m 个用户在第 n 帧中的伪随机码，bm,n表示第 m 个用户在第 n 帧中的比特信息，表示脉冲位置的单位偏移。 通过一个例子可以清楚的表述这种调制技术。下面给出一个 TH-PPM 已调信号示意图，如图 2-5 所示。图中，每一帧包含有3个码片宽度，说明有3个用户。为了清楚表示，只用实线和虚线分别表示用户1和用户2。在6个信息帧中，用户1的伪随机序列 cm,1=2，1，1，1，0，0,用户1的比特信息 bm,1=0，0，1，0，0，1；用户2 的伪随机序列cm,2=0，0，2，2，2，1，用户 2 的比特信息 bm,2=1，1，1，0，0，1。图 2-5 TH-PPM 调制信号示意图跳时-脉冲位置调制避免了多用户之间因相互信号碰撞造成的灾难性后果，有机融合了跳时技术和脉冲位置调制技术。使之兼具二者的优点。之所以使用伪随机码进行跳时，一方面是考虑到用户信息的安全，另一方面是为了提高整个系统的通信性能。(6)发射参考调制 发射参考调制并非一个新兴的调制技术。从上世纪 20 年代，在对同步扩频系统的研究中已经设想了这种调制方式。考虑在超宽带中使用这种技术是因为，它可以有效提高在多径信道中的鲁棒性，并能大大降低在传统脉冲检测技术中严格的同步要求。 发射参考调制在时间上发送分离的，成对的脉冲，脉冲对的前者是参考脉冲，后者则是表示比特信息的脉冲。一般的，如果参考脉冲和信息脉冲同相，则认为发送比特为“0”；如果参考脉冲和信息脉冲反相，则认为发送比特为“1”。发射参考调制后的信号模型为： （2-5） 式中 T 表示符号周期，D 表示数据脉冲相对于参考脉冲的时移，而 bm表示第 m 个符号的比特信息“0”或“1”。下面的示意图是一个简单的发射参考脉冲调制实例，如图 2-6 所示：图 2-6 发射参考调制信号示意图 发射参考调制非常适合于自相关解调。只需在接收端加入一个自相关器即可实施解调，并且由于在无线信道中，参考脉冲和信息脉冲经过了同样的衰减和失真，更加有助于增强相关解调的性能，去除噪声的干扰。但同时，由两个不同相脉冲表示一个信息比特的做法也增加了发射机的复杂度，提高了发射功率。2.4 超宽带的脉冲接收检测技术 在 2.3 节的内容里，文章花了大量篇幅讨论如将脉冲调制成信号，接下来需要解决的问题是脉冲信号的检测。UWB 系统的发射功率极低，信号在时域上极短，占空因子也很小，信号接收和检测是比较困难的，信号检测技术中，将这类信号定义为 LPI(Low Probability of Intercept)信号。对于 LPI 信号的检测有许多种分类的方法，本节按照是否掌握信号的先验知识，把检测方法分为，已知信号先验知识进行检测和未知信号先验知识进行检测。本节将对各种常用的超宽带脉冲检测法进行归总。此外，一种基于HHT变换的检测方法结构简单，性能良好，下面会做较详细的介绍和仿真。 对于类似UWB的低截获信号(LPI)的检测技术包括了三个层次。第一，对低截获率信号的检测及捕获；第二，对低截获信号的还原，包括参数估计、识别、分类和容错处理；第三，对信号还原处理，如通信中的字符、语音、图像等信息的恢复。本节把重点放在第一步，因为这是超宽带检测技术与一般通信技术所不同之处，余下两个步骤与是否采用UWB脉冲作为通信载体没有关系，在本节中不予考虑。 在已知先验知识的前提下，可以利用先验脉冲和接收到得信号进行相关运算的方式检测信号，类似于通信原理中相干检测或匹配滤波器检测，这里称之为相干检测法，这种方法是已知先验知识信号检测的代表方法。使用匹配滤波器的检测方法是一种传统的信号检测方法，对脉冲的同步性要求很高，且必须先了解发送信号的先验知识。这种方法的性能非常出色，后面将详细的进行性能测试与仿真。下面是相干检测法的示意图，如图 2-7 所示：图 2-7 相干检测法示意图 而在未知先验知识的前提下，检测方法是多种多样的。目前，常用的 LPI 信号检测方法有能量检测法，时频分解法，基于信号自相关特性的检测方法，混沌检测方法。其中的时频分解法包括短时傅里叶变换，分数傅里叶变换，小波变换，多小波和滤波器组，Wigner-Ville 分布等；基于信号自相关特性的检测方法则包括循环相关和自相关。下面针对一些常见的 0 先验知识检测法做概念性介绍，找出它们各自的优势以及问题所在。(1)能量检测器 能量检测器是一种非线性检测器，它不需要任何先验信息，在观测时间内，通过接收信号能量变化来实现信号的检测。能量检测器的优点是实现原理简单，因为对信号先验信息没有依赖。能量检测器的性能依赖于时间带宽积，时间带宽积越大，检测性能越好。然而，对于一般的UWB信号而言，时间带宽积基本恒定为 0.5，最佳观测时间是脉冲宽度，只有纳秒级的时间宽度。对于信噪比为很低的LPI信号，能量检测器已经很难正确检测到信号。而一般的室内UWB信号，信噪比低至0dB以下，所以能量检测器应用于UWB系统仍然存在着很多问题。(2)时频分析 以傅里叶变换为核心的传统时频分析法在平稳信号特征的提取中能发挥重要的作用，几乎所有的平稳信号检测与接收技术都使用傅里叶变换。但是对于短时脉冲信号这样的非平稳信号，傅里叶变换只能给出信号在时域或者频域的统计结果，对于此类信号，例如超宽带脉冲，傅里叶分析的方法已不再适用，转而使用新的时频分析方法。超宽带系统时频分析的主要方法有短时傅里叶变换以及有Wigner-Ville分布以及小波变换。短时傅里叶变换的窗选择是人为的，对应一定的时刻，窗函数应选择哪种类型以及窗的大小都难以确定，不能找到一个统一的窗函数来解决所有的信号检测问题，这就是短时傅里叶变换法的技术难题。Wigner-Ville分布广泛用于线性调频信号检测，它的原理是把信号转换到时频域上提取信号的特征。它的问题主要在于：对于多分量信号，交叉项会产生“虚假信号”严重影响信号检测的性能。 小波变换是目前最流行的处理和分析非平稳数据的有效方法，作为一种优秀的时频分析方法，在无线通信领域使用十分广泛。它不仅具有多分辨率分析的功能，而且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力。小波分析法是一种窗口大小固定，但形状可以改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局域化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，这正符合低频信号变化缓慢，而高频信号变化迅速的特点。在大尺度下，可以将信号的低频信息全局表现出来，在小尺度下，可以将高频信息局部表现出来。因此小波变换被誉为“数学显微镜”。正是这种特性使小波变换具有对信号的自适应性，这便是小波变换优越于经典傅里叶变换和短时傅里叶变换的地方。此外，小波变换不产生交叉项，利用小波变换进行噪声消除是很好的检测方法。然而，与短时傅里叶变换类似，小波变换必须选择小波基，对于不同信号的检测，小波基的选择直接影响到检测性能，这部分内容又是一个比较复杂的过程。(3)基于希尔伯特-黄变换(HHT)的检测方法 基于 HHT 变换的信号检测方法属于时频分析信号检测法。将模式分解应用于窄脉冲信号的检测可以有效的将噪声部分与信号部分分离。之所以把这种方法专门列出来，是因为基于 HHT 变换的EMD分解法较之以往的Wigner-Ville分布，小波分解等时频分析法，在简便性，可操作性和性能方面有比较大的提升，克服了小波变换必须合理选择小波基函数以及 Wigner-Ville 分布会产生交叉项的问题，16超宽带脉冲产生技术研究是最近几年才发展起来的研究热点。HHT 变换包括以下两个步骤：经验模式分解(EMD)和希尔伯特变换。其中EMD 分解是 HHT 的关键环节。与小波变换类似，EMD分解也是将信号分解为尺度不同的若干分量，每一个分量成为一个固有模态函数(IMF)。基于 HHT 变换信号检测法的理论依据是：信号和噪声在固有模态函数域中有着不同的性态表现，信号的 IMF 值随着尺度的增大而增大或者不变，但是噪声的IMF值随着尺度的增大而迅速减小，也就是说噪声在各个尺度上的相关性较弱，而信号在各个尺度上的相关性比较强。于是就可以考虑通过多个尺度的IMF分量进行相乘或者相加运算，构造新的统计量来抑制噪声。2.5 本章小结 本章内容对超宽带无线通信系统的各个关键技术，从信道的模型、脉冲的产生，到信号的调制、信号的检测做了概括的介绍。此外，本章还通过对信号的调制以及检测实例进行仿真，分析了UWB系统的性能。通过仿真，发现了UWB在超低的信噪比环境下可以达到较好的通信性能，得出了UWB在低信噪比环境下出色的通信性能得益于UWB信号极低的占空因子这个结论。由于超宽带系统是一个庞杂而高深的系统理论，一个章节的内容显然不能深入探讨，只是对基本的原理和方法进行介绍和思考。3 UWB脉冲的特性分析3.1 高斯脉冲高斯脉冲以其易于实现的优势广泛应用于UWB无线通信中。可以通过改变脉冲波形获得不同的频谱。频谱形成主要可以采取三种不同的方法：改变脉冲宽度、对脉冲进行微分和对基函数的组合。高斯脉冲可以直接通过调整脉冲形成因子a来改变波形，同时也可以通过对原始脉冲微分来获得很多不同的波形。本节我们将分析宽度变化和微分对脉冲波形的影响，并研究其相应的能量谱密度特性。3.1.1 高斯脉冲的时域波形由高斯函数 （3-1）令，有 （3-2）适当选取时间参数口时，可使f(t)成为一个合适的脉冲。口影响脉冲的宽度和幅度，称为脉冲波形的成形因子，口增大，脉冲幅度减小，脉冲宽度变宽。图3.1所示是成形因子口分别为05ns、lns、2ns时f(t)的波形(取负值)。下面讨论基本高斯脉冲的微分特性。定义基本高斯脉冲波形为： （3-3）归一化的基本高斯脉冲波形为： （3-4）图3-1口取不同值时的高斯脉冲 一阶导数： （3-5） 二阶导数： （3-6） 三阶导数： （3-7）3.1.2 高斯脉冲的频谱 由傅氏变换，可得基本高斯脉冲的傅氏变换 （3-8）图3-2是脉冲成形因子a=0.5ns时基本高斯脉冲及其前10阶导数的时域波形：图3-2成形因子a=0.5ns时基本高斯脉冲及前10阶导数的时域波形 下面讨论k阶高斯脉冲的傅氏变换：若，则所以k阶高斯脉冲的傅氏变换为 （3-9）其幅频特性为： （3-10）其导数为： （3-11）由F(w)=0可求得幅度谱峰值对应得频率，即峰值频率 （3-12）所以其归一化的幅频响应为： (3-13)图3-3为0到10阶高斯脉冲的幅频响应（归一化），a图为成形因子a=0.3时的情形，b图为成形因子a=0.4时的情形，c图为成形因子a=0.5时的情形：图3-3(a) a=05时k阶高斯脉冲的幅频特性图3-3(b) a=0.4时k阶高斯脉冲的幅频特性图3-3(c) a=0.5时k阶高斯脉冲的幅频特性 由图可见，当脉冲成形因子a一定时，k阶高斯脉冲的峰值频率随着k的增大而提高。于是,通过对脉冲成形因子a和阶数的控制可以设计出具有不同颇谱特性的高斯脉冲。为了比较方便，对幅度进行了归一化处理从图中可见，当阶数k增加时，峰值频率变高，频谱右移，且低频端能量减小。比较图3-3(a)、(b)和(C)可知，当a减小时，频谱覆盖范围增大。图3-4是不同成形因子在不同阶数时的峰值频率，它可以更清晰的看出，当阶数k增大时，各阶高斯脉冲对应的峰值频率增大，当脉冲成形因子a越小时，各阶高斯脉冲对应的峰值频率也越大。图3-4 不同a时各阶高斯脉冲对应的峰值频率3.2 基于正弦波的UWB脉冲信号 取数个周期的正弦(或余弦)信号，加上适当的包络调制，带通信所需求的窄脉冲信号。其一般表示式为 0tNT (3-14)下面对几种对几种典型情况进行讨论：3.2.1 三角包络窄脉冲 在式3-14中令 (3-15)图3-5所示为位移后的波形。图中，正弦波的频率f为4GHz，三角波的周期数N=20,K=1。图3-5位移后的三角包络脉冲3.2.2 高斯包络脉冲在式3-14中令 (3-16)图3-6所示是时域波形。其参数为：高斯函数的a=05ns，正弦波的频率为4GHz。图26高斯包络脉冲3.3 Hermite多项式脉冲 Hermite多项式定义： （3-17）这里n的取值为n=1,2,3,4；t的取值为-t。根据定义，可以写出前几项Hermite多项式：如果定义在(t1.t2)的区间函数分f1(t)和f2(t),当两者的乘积在区间(t1.t2)的积分为0时，即当时，称函数f1(t)和f2(t)在区间(t1.t2)内正交;如果有n个函数集f1(t),f2(t),f3(t),f4(t),f5(t).fn(t)构成一个函数集，当这些函数在区间(t1.t2)满足正交特性 （3-18）则称此函数在区间(t1.t2)内正交可以证明Hermite多项式并不是正交函数集。变形Hermite多项式定义为 （3-19）可以证明，当q等于4时 （3-20）即变形Hermite多项式构成正交集。前四项变形Hermite多项式为： 相应的傅氏变换如下： 图27为零阶至三阶变形Hermite多项式的波形图，从数学表达式和图中都可以看出，零阶和一阶的变形Hermite多项式的波形与高斯脉冲波形比较一致，由于变形hermite多项式中所增加的衰减因子为固定值，且其衰减速度远远大于Hemite多项式的增长速度，因此各阶变形Hermite多项式所对应的波形宽度基本一致。值得指出的是，但q4，虽然不能保证变形Hermite多项式为正交函数集，但对某些q值，仍然可以找到某些具有正交性的项。图3-7为零阶至三阶变形Hermit多项式的波形图，从数学表达式和图中都可以看出，零阶和一阶的变形Hermit多项式的波形与高斯脉冲波形比较一致。图3-7变形Hermite多项式前3阶的波形3.4 本章小结 由于上边介绍的各种脉冲的波形取决于脉冲成形因子口和求导阶数n，所以设计过程中应根据实际的需要仔细选择a与n，a越小，所对应的脉冲幅度越大，脉冲越窄，所占据的频谱就越宽；求导阶数行越大，其所对应的频谱也越宽。由于高斯脉冲的频谱范围超过了FCC规定的UWB通信的频谱范围，所以各种针对FCC频谱限制的设计UWB脉冲波形的方法便应运而生。基于正弦波的包络调制就是其中之一，该方法是将一个绝对带宽较小的脉冲信号(高斯脉冲、三角脉冲等)与高频的正弦波信号相乘”，这样频率就自然地被搬移到所需要的频率范围之内，可以根据实际需要，通过改变频率和周期数来灵活方便地改变脉冲信号的频谱。此外还有采用迭代组合方法、线性最小均方误差组合、基于峰值频率的UWB脉冲设计方法等。在高斯脉冲、基于正弦波的包络调制脉冲和Hermite脉冲中，由于基于正弦波的包络调制脉冲需要载波调制，故实现麻烦，而Hermite脉冲和高斯脉冲的前两阶波形一样，而高斯脉冲又更易实现，故选择高斯脉冲作为本设计的对象。由高斯脉冲的频谱图可知,该脉冲含有丰富的低频和直流分量,不适宜天线辐射。为了有效传输,UWB信号应含有尽可能多的高频分量。高斯脉冲的导数具备把直流和低频分量转换成高频分量的能力。在各阶高斯脉冲中，由1阶高斯单脉冲的频域波形可知,该信号波形含有的直流和低频分量很小,适合在无线信道中传输,且中心频率随脉冲宽度变窄而升高,带宽也随之增加。因此1阶高斯单脉冲就可以符合FCC要求，故选择高斯脉冲中的1阶高斯脉冲作为本设计的对象。4 UWB脉冲产生技术41 UWB脉冲产生技术简介在无载波UWB技术中，窄脉冲发生器是通信中必不可少的部件，同时也是研究的重点和难点所在。许多的专利文献和文章8910都专门阐述如何产生满足各种要求的窄脉冲。在研究的初期，由于器件和工艺的缺乏，主