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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。,Impulse radio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,What is the impulse radio?,Impulse radio涉及到的技术脉冲调制技术极窄脉冲的产生,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。,Impulse Radio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,Pulse Amplitude Modulation 开关键控 OOK，On Off Keying 二进制相位调制 Biphase Modulation 脉冲位置调制 PPM，Pulse Position Modulation 数字脉冲间隔调制 DPIM，Digital Pulse Interval Modulation 脉冲波形调制 PSM，Pulse Shape Modulation 多维双正交键控 M-BOK，Multiple Bi-Orthogonal keying,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,则可以推导得到PAM的功率密度函数如下：,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。,OOK调制可以看作是PAM的一个特例,BPSK,UWB中的BPSK也叫二进制相位调制BPM（Bi-Phase Modulation），或者二进制极性调制（Bi-Pole Modulation），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。,没有离散谱线,比OOK有3dB的优势,BPSK 的功率密度和误码率,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。,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。（am0,1,N-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,Pulse Shape Modulation）,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。,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。,代表相互正交的不同 脉冲,M进制双正交键控（M-BOK，Multiple Bi-Orthogonal Keying）,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。,、,分别为正交脉冲串,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。,Impulse Radio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，Time Hopping）直接序列扩频（DS，Direct Sequence Spread）,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（frequency hopping spread spectrum)、直接序列扩频DSSS(Directive Sequence)、跳时扩频TH-SS(Timing Hopping)。,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,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。,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,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，,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12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-UWBPAM-DS-UWB,2PPM-TH-UWB,2PPM-TH-UWB超宽带系统的发射部分原理如图所示,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,TH-SS PPM系统框图,BPM-DS-UWB,DS-SS BPM系统框图,相关解调,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，只要在频域未进行频移，一定含有大量的低频分量，难以满足FCC针对高速通信的辐射限制。（这一点后面详细讨论）,