第二章超宽带实现技术IR-UWB

第二章超宽带实现技术IR-UWB可以实现超宽带无线通信的技术有哪些？IR-UWB•传统的超宽带实现技术，脉冲无线电DS-UWB•FCC发布了民用超宽带的辐射限制后，IR-UWB方案的改进版。MB-UWB•非脉冲调制技术，使用正交频分复用技术，即载波调制，信号带宽大于500MHz。Impulseradio——信息调制到脉冲上发送出去，不是调制载波。脉冲无线电的系统结构Whatistheimpulseradio?差错控制编码脉冲发生器调制数据Impulseradio涉及到的技术脉冲调制技术极窄脉冲的产生解调数据解码2.1脉冲调制方式脉冲调制方式从携带的信息来看，可以分为数据信息调制多址调制多址信息是用来区分信道或用户的，多址调制通常与扩频结合在一起。下面分别介绍在脉冲调制通信中如何实现数据信息调制和多址调制。ImpulseRadio中的数据信息调制已有的实现数据信息调制的脉冲调制方式：脉冲幅度调制PAM,PulseAmplitudeModulation开关键控OOK，OnOffKeying二进制相位调制BiphaseModulation脉冲位置调制PPM，PulsePositionModulation数字脉冲间隔调制DPIM，DigitalPulseIntervalModulation脉冲波形调制PSM，PulseShapeModulation多维双正交键控M-BOK，MultipleBi-Orthogonalkeying常用的脉冲调制方式示意脉冲幅度调制（PAM）信息调制在脉冲幅度上()kfkstaptkT当调制信息为ia0,1,2,i，，调制信号为：fT()pt其中，是基本的脉冲信号；是脉冲周期。当采用二进制PAM（设调制信息为：12,aa）时，在AWGN信道下的二进制PAM相干接收的误码率性能为：221220()()2()beaaaaEPQN假如发送序列ia是独立同分布的随机变量，则可以推导得到PAM的功率密度函数如下：22222()()()()aaffffkkSfPfPfTTTTa2aia2()Pf其中和分别是调制信号的均值和方差，是基本脉冲信号的功率谱密度。功率谱密度函数对于分析系统的辐射是否满足FCC的辐射限制是必要的开关键控（OOK）当调制数据是“1”的时候，发送脉冲信号；当调制信号为“0”的时候，不发送脉冲。()()kfkstbptkTOOK调制可以看作是PAM的一个特例12(,0)aAa222,4aaAA22222()()()()44kffffAAkkSfPfPfTTTT0()beEPQN0,1kbBPSKUWB中的BPSK也叫二进制相位调制BPM（Bi-PhaseModulation），或者二进制极性调制（Bi-PoleModulation），类似于传统窄带通信中的BPSK，故这样命名。它也可以看作是脉冲幅度调制（PAM）的一个特例。()kfkstbptkT1,1kbkb1当调制信息等概出现，并且调制信号幅度为“A”时，220,aaA22()()fAsfPfT02()beEPQN没有离散谱线比OOK有3dB的优势BPSK的功率密度和误码率22222()()()()aaffffkkSfPfPfTTTT221220()()2()beaaaaEPQN由由脉冲位置调制（PPM）典型的2-PPM：当调制数据为“0”的时候，脉冲位置不变，脉冲间隔仍然是脉冲周期；当调制数据为“1”的时候，出现一个偏移。()fkpkstptkTb222211()()(1cos(2))()(1cos())()22ppkfffffkkkSfPffPfTTTTT0()beEPQN既有连续谱线，又有离散谱线功率密度误码率PPM调制的优点：信号的正交性容易得到保证，很适合于多址和多进制调制。PPM调制的缺点：符号间干扰（ISI）比较严重系统在AWGN信道下的误码率性能不是最好的PPM的实现比较复杂脉冲间隔调制（DPIM）脉冲间隔调制（DPIM）和PPM类似，都是通过改变脉冲在时间上的位置来传输信息的。但是DPIM和PPM又是不同的，PPM改变的是脉冲在一个周期里的绝对位置来调制信息的，而DPIM是通过改变相邻脉冲之间的间隔来调制信息的，也即脉冲周期在DPIM中是变化的。N-PPM将脉冲重复周期N等分为N个时隙，在每个脉冲重复周期内发一个脉冲，由待传信息am决定该脉冲在脉冲重复周期的哪个时隙上发送，am=3，则该脉冲在脉冲重复周期的第3个时隙上发送。（am∈{0,1,…N-1}）1204-DPIM1204-PPM重复周期3重复周期2重复周期1在N-DPIM中，第m个脉冲与前一脉冲的间隔为am+1，am为待传信息。相对于PPM，DPIM的传输速率更高。脉冲波形调制（PSM,PulseShapeModulation）脉冲形状也可以用于脉冲调制，一般使用正交的不同脉冲来实现调制。01()()(1)()()iifkStastastptkT,0()bePSMEPQNPSM的误码率性能逊于BPSK，脉冲形状的改变对PSM的影响很大，实际应用中要求发射和接受电路的线性要好，实现起来有一定的难度。01()()stst，代表相互正交的不同脉冲便于相干解调M进制双正交键控（M-BOK，MultipleBi-OrthogonalKeying）使用多个脉冲组成的正交脉冲串来传输信息，和PSM类似，这也是一种正交调制方式，但不同的是它使用正交脉冲串来调制数据，类似于传统的时频调制。,1,21,1,22()(1)(21)()(12)()iiiiStaaCtaaCt,1,2,0,1iiaa1()Ct2()Ct、分别为正交脉冲串Inputdata:L=4CodesL=2Codes000110111,0,0,00,0,1,0-1,0,0,00,0,-1,01,00,1-1,00,-1,2,1iiaa1()Ct2()Ct1()Ct2()Ct4-BOK：不同组的正交脉冲串可以对应不同的用户(多址)发射参考调制每次发两个脉冲，一个参考脉冲，一个信号脉冲，根据信号脉冲相对参考脉冲的差异确定信号是0还是1。发射参考调制的优点是能够使接收机省去信道估计，其误码率理论上可以和BPM的一样低，但在多径环境下，参考脉冲和数据脉冲同时受到干扰，会使判决准确率严重降低数据调制技术讨论现有的脉冲调制技术不止这些。可以组合和创新。调制技术的好坏主要考察调制效率，符号携带的数据比特。M进制调制中，M越大，则调制效率越高。误码率。目前BPSK（或称BPM、2-PAM）的误码率最低实现难易程度。BPSK是目前的首选。对于超宽带还要考察调制信号的功率谱密度是否容易满足FCC的辐射限制。所使用的调制技术应尽量消除离散谱。（BPSK可以消除）数据信息调制后还要多址调制，所以两者通常一起研究设计。ImpulseRadio中的多址调制以前我们了解的有SDMA、TDMA、FDMA、CDMA在宽带、超宽带通信系统中，多址方式通常是和扩频技术相结合的。IR-UWB现有的扩频方式跳时扩频（TH，TimeHopping）直接序列扩频（DS，DirectSequenceSpread）补充：扩频技术扩频通信技术：有三种方法可以实现扩频通信，分别是跳频扩频FHSS（frequencyhoppingspreadspectrum)、直接序列扩频DSSS(DirectiveSequence)、跳时扩频TH-SS(TimingHopping)。信道编码扩频调制PN序列传输数据扩频数字通信模型扩频调制如果是载波调制，分为相移键控PSK和频移键控FSK。相移键控对应的扩频即是直接序列扩频；频移键控对应的即是跳频扩频。扩频调制如果是脉冲调制，采用脉位调制PPM的即是跳时扩频，采用二相调制BPM的即是直接序列扩频。BPSK直接序列扩频系统：信道编码PN码载波数据输出采用模2加法信道编码PN码载波数据输出采用乘法信息比特101扩频码010传送比特（模2加）101010101如果采用脉冲调制，就是一连串的脉冲发送出去，正极性脉冲代表0，负极性脉冲代表1。假设采用3比特的码片，在扩频通信中，每个信息比特与码片模2加（或相乘），然后传送出去。采用码片010传送信息比特101，三个信息比特就变成了9个连续比特，如下表所示。补充内容关于跳频扩频将可用的信道带宽分为大量邻接的频槽。在每个传号时间内发送信号占一个或几个频槽。频槽（载波频率）的选择由扩频序列决定。调制可以采用二进制或M进制频移键控。只有匹配的接收机知道扩频序列，能够正确接收信号。跳频根据时间长短可以分为快跳和慢跳。当跳频速率大于消息速率时称为快跳；反之，称为慢跳。频率时间1T2T3T4T5T6T频槽编码FSKPN码频率合成信道数据时同步编码FSKPN码频率合成输出信道补充内容关于跳时扩频使当前发送的脉冲位置根据码序列的变化而变关于扩频码扩频码有多种。扩频码要求随机性好（互相关性低）、易于实现扩频码越长，系统的保密性越好，系统发射信号的功率谱越像白噪声，但系统的有效传输速率随之降低。DS-UWB方案中采用变长度的扩频码。跳时扩频的数学模型011(...,,,..,,...)jjccccc011(...,,,..,,...)jjaaaaajjcjdcTa应用整数值伪随机码序列序列d的一般表达式如下：作用于输入的二进制序列，产生一个新序列d，跳时扩频dac极窄脉冲发生器（不考虑脉冲形状）脉冲发生器在超宽带无线通信系统中占据着极其重要的地位，是UWB系统中独特的关键部件之一可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体管等器件。隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达到几十到几百皮秒，但其幅度较小，一般为几百毫伏的量级。而雪崩晶体管产生的脉冲，上升时间可以达1~2皮秒，输出脉冲幅度可以达到几十伏。现在有提出用FPGA产生一脉冲再与一延时脉冲相“与”来获得极窄脉冲，可行性？典型的IR-UWB系统2PPM-TH-UWBPAM-DS-UWB2PPM-TH-UWB2PPM-TH-UWB超宽带系统的发射部分原理如图所示dab重复编码器发送编码器（跳时扩频）PPM调制器脉冲形成器s(t)jjcjdcTa()()sjcjjstptjTcTajcScTTcT式中，TC和是常量，对所有cj满足条件，且。其中，TS是比特间隔，或者称为脉冲重复周期2PPM-TH-UWB系统实现框图扩频码脉冲形成器延迟器调制延时扩频码信源相关器脉冲形成器延迟器时基基带信号处理信宿时基TH-SSPPM系统框图BPM-DS-UWBjjjdca()()jsjstdptjT扩频码脉冲形成器扩频码信源相关器脉冲形成器时基基带信号处理信宿时基DS-SSBPM系统框图相关解调最佳接收机由相关器和检测器组成，相关器负责将接收信号与M个ZZ可能发射波形进行互相关，变为一组判决变量，检测器则根据判决的值估计发送的是哪个信号波形。变量Z0选择最大值估计符号ZM-10st1MstsTdtsTdt相关解调方便用数字的方式实现。IR-UWB的特点宽带高速、低成本、低功耗。抗多径干扰能力强。因为发射的是极窄脉冲，从不同路径到达目的地时，脉冲重合的几率极小。IR-UWB信号有穿透性。IR-UWB信号频谱宽，含有低频成分，低频成分具有穿透性。其它UWB系统不具有这一特性IR-UWB信号定位精度高。信号脉冲宽度越窄，定位精度越高IR-UWB的缺点是在高速通信时不能满足FCC的功率辐射限制。任何一个窄脉冲，只要在频域