通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（二）

1、通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（二）        4  超寬帶無線的調(diào)制技術(shù) 發(fā)射超寬帶（UWB）信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖激無線電”（Impulse Radio,簡(jiǎn)寫為IR）。信息數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制方式可以有多種。脈沖位置調(diào)制（PPM）和脈沖幅度調(diào)制（PAM）是最常用的兩種調(diào)制方式。除了要對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制外，為了形成所產(chǎn)生的信號(hào)的頻譜，還要用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲（PN）對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。一般是，編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)引起脈沖在時(shí)間軸上的偏移，這就是所謂的跳時(shí)超寬帶

2、（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。直接序列擴(kuò)譜（DS-SS）就是編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)基本脈沖的幅度進(jìn)行調(diào)制，這在沖激無線電（IR）中被稱為直接序列超寬帶（DS-UWB，Direct-Sequence UWB），這種調(diào)制方式似乎非常有吸引力1。對(duì)于超寬帶信號(hào)，也可以通過很高的數(shù)據(jù)速率來產(chǎn)生而根本不需要具備脈沖的特性。只要UWB定義所要求的相對(duì)帶寬或最小帶寬在整個(gè)傳輸過程中得到滿足，那么，靠發(fā)射高速率數(shù)據(jù)而不是窄脈沖所產(chǎn)生的具有UWB射頻帶寬的系統(tǒng)，就不應(yīng)該被排除在UWB系統(tǒng)之外。諸如正交頻分復(fù)用（OFDM），在數(shù)據(jù)速率適當(dāng)?shù)那闆r下也可產(chǎn)生UWB信號(hào)。因此，OFDM也是一種超寬帶的

3、調(diào)制方式。本文主要討論TH-UWB、DS-UWB和OFDM調(diào)制方式。4.1  PPM-TH-UWB 調(diào)制方式 在結(jié)合了二進(jìn)制PPM的TH-UWB(二進(jìn)制PPM-TH-UWB或者PPM-TH-UWB)中,UWB信號(hào)的產(chǎn)生可以系統(tǒng)地描述如下(參見圖4-1描繪的發(fā)射鏈路) 1。 SHAPE  * MERGEFORMAT               圖4-1 PPM-TH-UWB信號(hào)的發(fā)射方案給定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(,b0,b1,bk,bk

4、+1,)，其速率Rb=1/Tb (b/s)，圖4-1中的第一個(gè)模塊使每個(gè)比特重復(fù)Ns次，產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制序列： (,b0,b0,b0,b1,b1,b1,bk,bk,bk,bk+1,bk+1,bk+1,)=(.,a0,a1,aj,aj+1,)=a新的比特速率Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。這個(gè)模塊引入了冗余，其實(shí)是一種被稱為重復(fù)碼的(Ns,1)分組編碼器。一般術(shù)語上稱為信道編碼。第二個(gè)模塊是傳輸編碼器，就是應(yīng)用整數(shù)值碼序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,)和二進(jìn)制序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,),產(chǎn)生一個(gè)新序列d，序列d的一般元素表達(dá)式如下：  

5、;            dj=cjTc+aj                                     

6、             （4-1）式中,Tc和  是常量，對(duì)所有的cj滿足條件cjTc+  <Ts，通常  <Tc。這里的d是一個(gè)實(shí)數(shù)值序列，而a是二進(jìn)制序列，c是整數(shù)值序列.現(xiàn)在我們遵循最常用的方法，假定c是界隨機(jī)碼序列，它的元素cj是整數(shù)，且滿足0  cj  Nh-1。 碼序列c可能為周期序列，其周期表示為Np。兩種特殊情況值得討論。第一種,碼是非周期的，即 ；第二種是Np=Ns，這是最常用的一種，這時(shí)的編碼

7、周期與二進(jìn)制碼重復(fù)的次數(shù)相等。我們必須牢記：傳輸編碼扮演了碼分多址編碼和發(fā)射信號(hào)的頻譜形成雙重角色1。實(shí)數(shù)值序列d輸入到第三個(gè)模塊，即PPM調(diào)制模塊，產(chǎn)生了一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts(脈沖/s)的單位脈沖(Dirac pulses   ) 序列。這些脈沖在時(shí)間軸上的位置為 ，因此脈沖位置在jTs基礎(chǔ)上偏移了dj，脈沖的發(fā)生時(shí)間也可表示為( )。注意是碼序列對(duì)c信號(hào)引入了TH位移，也正因?yàn)榇?，c被稱為TH碼。還要注意一點(diǎn)就是由PPM調(diào)制引起的位移 ，通常比TH碼引起的位移cjTc小得多，即： ，cj=0除外。Tc稱為碼片時(shí)間(chip time)。最后一個(gè)模塊是脈沖

8、形成濾波器，其沖激響應(yīng)為。必須保證脈沖形成濾波器輸出的脈沖序列不能有任何的重疊。以上所有系統(tǒng)級(jí)聯(lián)以后的輸出信號(hào)  可表示如下：                                      (4-2)比特間隔

9、或比特持續(xù)時(shí)間，也即用于傳輸一個(gè)比特的時(shí)間Tb，可表示為：Tb=NsTs。在式(4-2)中，cjTc定義了脈沖的隨機(jī)性或者說是相對(duì)于Ts整數(shù)倍時(shí)刻的抖動(dòng)。如果用隨機(jī)TH抖動(dòng) 來表示由TH編碼cjTc引起的時(shí)間上的位移，并假定 在0和  之間分布，則可得到：                            

10、;         (4-3)正如前面提到的， 通常遠(yuǎn)大于  。這兩個(gè)量的整體效果是產(chǎn)生一個(gè)分布在0和  之間的時(shí)間隨機(jī)位移量，用 表示這個(gè)時(shí)間隨機(jī)位移，可得發(fā)射信號(hào)的如下表達(dá)式：                          

11、0;                     (4-4)更一般性地概括式(4-2)所表示的信號(hào)，其思想是：對(duì)于信息比特“0”和“1”，可以發(fā)射兩個(gè)不同的脈沖波形 和 來分別表示。上面分析的PPM調(diào)制的例子，引入了 這個(gè)時(shí)間位移量，它的值根據(jù)它所代表的比特而有所不同，其實(shí)是上述思想的特殊例子，其中的 是  位移以后的波形。一種更一般的表達(dá)式：     

12、;               (4-5)當(dāng)將 設(shè)置為- 時(shí)，式(4-5)也表示了PAM和TH-UWB的結(jié)合，即PAM-TH-UWB模型1。 SHAPE  * MERGEFORMAT  圖4-2  PPM-TH-UWB 發(fā)射器的系統(tǒng)模型圖4-2中的第一個(gè)模塊表示二進(jìn)制源。這個(gè)模塊的輸出是發(fā)射到物理信道的二進(jìn)制流。第二個(gè)模塊表示重復(fù)碼編碼器。二進(jìn)制流的每一個(gè)比特都被重復(fù)次。第三個(gè)模塊仿真TH編碼和二進(jìn)PPM。這里考慮偽

13、隨機(jī)TH碼。最后一個(gè)模塊是脈沖形成。這個(gè)模塊的沖激響應(yīng)表示要發(fā)射的UWB信號(hào)的基本脈沖波形1。以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，     信號(hào)的抽樣頻率fc，           由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits，  平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns，         碼片時(shí)間Tc（秒），    

14、            跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm,              脈沖波形形成因子tau（秒），                   PP

15、M時(shí)移dPPM（秒）。Stx: Pow=-30,     fc=50e9,   numbits =2,      Ts=3e-9,      Ns=5,Tc=1e-9,     Nh=3,      Np=5,          Tm=0.5e-9, 

16、;  tau=0.25e-9,dPPM=0.5e-9    由圖4-3中可以看到輸出序列的前五個(gè)脈沖在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的中間位置，而后五個(gè)脈沖則在其對(duì)應(yīng)時(shí)隙的起始位置。 圖4-3  PPM-TH-UWB 發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)圖4-4  PPM-TH-UWB的幅度譜由圖4-4可以看出，TH編碼和PPM調(diào)制都對(duì)幅度譜的高斯形狀產(chǎn)生扭曲。PPM-TH-UWB信號(hào)的幅度譜將完全包含在無TH編碼和無PPM調(diào)制的幅度譜包絡(luò)中，這是因?yàn)橐酝瑯拥男螤詈屯瑯拥钠骄β蕚鬏數(shù)乳g隔脈沖的結(jié)果。4.2  PAM-DS-UWB調(diào)制方式 直接序列擴(kuò)譜（

17、DS-SS）是一種著名的數(shù)字調(diào)制方式。這里，我們先回顧DS-SS的基本原理，并把主要精力放在它在UWB的延伸方面。具有UWB特性的信號(hào)可以通過下面的過程產(chǎn)生：首先，用偽隨機(jī)碼或二進(jìn)制PN碼序列對(duì)要發(fā)射的二進(jìn)制進(jìn)行編碼；其次，對(duì)一串窄脈沖進(jìn)行幅度調(diào)制。這一過程可以看做是目前使用DS-SS系統(tǒng)的一種極端方式，此時(shí)脈沖在時(shí)域上是具有典型時(shí)間的奈奎斯特型脈沖或方波。讓脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于切普間隔，很容易得到DS-SS-UWB的解析表達(dá)式。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，RF發(fā)射信號(hào)是對(duì)載波進(jìn)行幅度調(diào)制后得到的，通常使用二進(jìn)制相移鍵控BPSK方式。而在DS-UWB中，如果沒有專門的要求，這一過程可省略。1更詳細(xì)地

18、，上述信號(hào)可以通過如下過程產(chǎn)生（見圖所示發(fā)射鏈路）。 SHAPE  * MERGEFORMAT  圖4-5  PAM-DS-UWB 信號(hào)的發(fā)射方案假定待發(fā)射的二進(jìn)制序列b=(,b0,b1,bk,bk+1,)，其速率為Rb=1/Tb (b/s)，圖4-5中的第一個(gè)系統(tǒng)將每個(gè)比特重復(fù)Ns次，得到序列：(,b0,b0,b0,b1,b1,b1,bk,bk,bk,bk+1,bk+1,bk+1,)=a*，其速率為Rcb=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。與TH方式相似，系統(tǒng)引入的冗余相當(dāng)于一個(gè)參數(shù)為(Ns,1)的重復(fù)碼編碼器。第二個(gè)系統(tǒng)將a*序列轉(zhuǎn)換成只含

19、有正值和負(fù)值元素的序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,)，轉(zhuǎn)換公式為：( ).發(fā)射編碼器將一個(gè)由 1組成、周期為Np的二進(jìn)制碼序列c=(,c0,c1,cj,cj+1,)應(yīng)用到序列a=(,a0,a1,aj,aj+1,)，產(chǎn)生一個(gè)新序列d=a·c，其組成元素dj=ajcj。通常假定Np等于Ns，更具一般性的假定是Np等于Ns的整數(shù)倍。注意，序列d的元素值為 1，這一點(diǎn)與序列a相同，其速率為Rc=Ns/Tb=1/Ts (b/s)。序列d進(jìn)入第三個(gè)系統(tǒng)PAM調(diào)制器，產(chǎn)生一個(gè)速率為Rp=Ns/Tb=1/Ts     （脈沖/s）的單位脈沖（Dirac

20、脈沖  ）序列，其位置在jTs處6。調(diào)制器輸出的信號(hào)進(jìn)入沖洲響應(yīng)為p(t)的脈沖形成濾波器。在傳統(tǒng)的DS-SS系統(tǒng)中，沖激響應(yīng)p(t)是持續(xù)時(shí)間為Ts的矩形脈沖。而在DS-UWB系統(tǒng)中，與TH方式相似，p(t)是持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于Ts的脈沖。以上系統(tǒng)級(jí)聯(lián)后的輸出信號(hào)可以表示為                          

21、60;                              (4-6)注意，與TH方式相似，比特間隔或比特持續(xù)時(shí)間，即傳輸一個(gè)比特所用的時(shí)間是Tb=NsTs。輸出的波形顯然是一個(gè)PAM波形。很容易知道，由于沒有時(shí)移而且脈沖以規(guī)則的時(shí)間間隔出現(xiàn)，式(4-6)所示信號(hào)的PSD要比計(jì)算式(4-2)所示信號(hào)的P

22、SD更容易。上述方式的一種變形是使用PPM調(diào)制器代替PAM調(diào)制器，得到的信號(hào)可表示為：                                           (4-7

23、)注意到在式(4-7)中，由于碼的偽隨機(jī)特性，編碼會(huì)起到白化頻譜的作用。 SHAPE  * MERGEFORMAT  圖4-6  PAM-DS-UWB 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)模型1         圖4-6中的前兩個(gè)模塊分別表示二進(jìn)制源和重復(fù)碼編碼器。第三個(gè)模塊是在重復(fù)碼編碼器的輸出端實(shí)現(xiàn)DS編碼和二進(jìn)制PAM調(diào)制。我們考慮偽隨機(jī)DS碼，分配給一般用戶的是長(zhǎng)度為NP的二進(jìn)制碼序列。最后一個(gè)模塊是脈沖形成器1。 圖4- 7 由PAM-DS-UWB發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)圖（4-7）顯示了參數(shù)設(shè)置如

24、下時(shí)所產(chǎn)生的UWB信號(hào)  以dBm為單位的平均發(fā)射功率Pow，     信號(hào)的抽樣頻率fc，           由二進(jìn)制源產(chǎn)生的比特?cái)?shù)numbits，  平均脈沖重復(fù)時(shí)間Ts（單位為秒），每個(gè)比特映射的脈沖數(shù)Ns，         碼片時(shí)間Tc（秒），         

25、;       跳時(shí)碼的碼元最大值Nh和周期Np，沖激響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Tm,              脈沖波形形成因子tau（秒），                   PPM時(shí)移dPPM（秒）。Stx: Pow=-30, 

26、;    fc=50e9,   numbits =2,      Ts=2e-9,           Ns=10,       Np=10,       Tm=0.5e-9,          tau=0.2

27、5e-9,這個(gè)信號(hào)由兩組脈沖序列組成，每組包含10個(gè)脈沖，每組映射信息源的一個(gè)比特。從圖4-7中可以看出每二組的10個(gè)脈沖與第一組的10個(gè)脈沖在極性上是相反的。圖4-8  PAM-DS-UWB的幅度譜由圖4-8可以看出，幅度譜的包絡(luò)具有基本脈沖的傅氏變換的形狀，即高斯形狀。且Np（信號(hào)每比特發(fā)射脈沖數(shù)）值越大，圖形分布越寬，即幅度峰值越小。4.3 OFDM調(diào)制技術(shù) 431 概述 多頻帶（MB）方式與本章前兩節(jié)分析研究的IR原理不同。根據(jù)2002年，F(xiàn)CC公布的UWB定義，帶寬超過500MHz的信號(hào)都是UWB信號(hào)。因此，按照FCC規(guī)定的頻帶范圍3.110.6GHz，將此7.5 GHz的帶寬分割成最小帶寬為500MHz的若干個(gè)頻帶。為了盡量減小同窄帶通信系統(tǒng)的相互干擾，UWB采用較小的功率，于是UWB信號(hào)對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來說相當(dāng)于熱噪聲，并不被窄帶通信系統(tǒng)的接收機(jī)檢測(cè)到，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾1。在每個(gè)子頻帶內(nèi)可以使用不同的數(shù)據(jù)調(diào)制類型，并不一定