毕业设计（论文）uwb通信系统的thppm信号产生与接收研究

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1、提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询2014 届毕业设计说明书 UWB通信系统的TH-PPM信号产生与接收 研究 院 、 部： 电气与信息工程 学生姓名： 指导教师： 职称 实验师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子1002班 完成时间： 2014年5月28日 摘 要 UWB超宽带技术是近年来在国际上兴起的最超前的无线通信技术,它被看作是无线电技术的的一个巨大的历史性变革。超宽带无线通信是一种不需要使用载波的通信方式，它只要采取持续时间极短的纳秒级(甚至比1ns还小)脉冲就可以进行通信，它也被称为时域通信(Time Domain)、脉冲无线电(Impulse Radio)或者是无载波(Carri

2、er free)。正常的通讯系统经过发送射频载波对信号进行调制，但UWB通信系统则例外，它没有选用发射载波，却是通过利用持续时间极短(甚至达到纳秒级)的窄脉冲方式来传输数据，并且数据传输速率能够超过几百Mbps。与传统的载波调制通信形式比拟具备抗多径衰落、功耗小、成本低等许多方面的优点。本题目重要研究了超宽带通信系统的TH-PPM信号的产生与接收，介绍了UWB通信系统的基础、信道模型、TH-PPM信号的产生方法及发射机计划、TH-PPM信号的接收方法而且特别提出了RAKE接收机。在文章的最后一部分，对TH-PPM信号系统整体仿真和分析，仿真用的是MATLAB中的simulink。同时，也简单了

3、介绍了一下simulink的特点。其实，在本文选取仿真软件时，有两种选择，FPGA和MATLAB。但是对于FPGA不是太熟，所以选择了MATLAB。 关键字：超宽带；RAKE接收机；TH-PPM ABSTRACT UWB is the most advanced wireless communication technology in the recent years in the world and it is realized as a great revolutionary evolevnt of wireless technology.UWB wireless communicatio

4、n system communicate with the signal which is a very short pulse and does not need carrier waves.It is also called Impulse Radio,Carrier free and Time domain conmunicaton.General communicaton system modulate signal by sending a radio frequency carrier signal.The UWB communicational system which does

5、 not use carrier,but the very short duration form of narrow pulse transmission data.And the velocity of data transmission can reach more than several hundred megabits per second.Compared with the traditional carrier modulation communication mode ,it has so many advantages .For example ,we can realiz

6、e it,olny spending little mony.And , low consumption and resistance to multipath fading are also its distinctive aspect.The subject mainly researches the UWB communication system production of TH-PPM signal and receving.And it also introduces the UWB communication system,channel model,TH-PPM signal

7、generation method and transmitter scheme,TH-PPM signal receiving method and the RAKE reciver is specially discussed.At the end of the article,I simulate and analyse TH-PPM signal system.And I use simulink in MATLAB to simulate the whole system.AT the same time,I introduce the character of simulink.

8、In fact,there are two options, the FPGA and MATLAB,when selecting the simulation software in this article.But I am not familiar with the FPGA,so I choose the MATLAB. Key words uwb; rake receiver ; th-ppm 目 录1 绪论11.1 课题研究目的及意义11.2 国内外相关研究现状1 1.2.1 国内研究现状1 1.2.2 国外研究现状21.3 UWB通信系统的特点2 1.4 论文的结构安排32 UW

9、B无线通信系统基础42.1 超宽带通信系统的基本组成结构42.2 UWB的定义52.3 UWB调制方式6 2.3.1 脉冲位置调制（PPM）6 2.3.2 脉冲幅度调制（PAM）7 2.3.3 开关调制（OOK）7 2.3.4 双极性调制（BPSK）7 2.4 扩频技术83 UWB通信系统的信道103.1 无线信道的定义103.2 关于信道的的参数简介10 3.2.1 信道中的噪声10 3.2.2 信道容量113.3 超宽带信道模型11 3.3.1 无多径的AWGN信道模型11 3.3.2 S-V模型124 超宽带通信系统的TH-PPM信号的产生134.1 单周期脉冲波形134.2 跳时脉冲位

10、置调制信号的产生135 UWB通信系统的TH-PPM信号的接收175.1 UWB通信系统存在的问题175.2 TH-PPM信号的接收175.3 UWB接收机的研究195.4 超宽带RAKE接收机方案195.5 UWB系统整体仿真整体方案216 实验仿真与分析226.1 MATLAB 软件工具简单介绍22 6.1.1 MATLAB 简介22 simulink简介236.2 simulink仿真24 6.2.1 发射机simulink功能模块介绍24 6.2.2 信道模型276.3 UWB整体仿真28结束语29参考文献30致 谢32附录33 1 绪论1.1课题研究目的及意义由于20世纪的自身条件，

11、社会得到迅速地发展，社会进步必然带来科学技术的进步。其中，电子信息技术是最具代表性的，因为我们从生活中处处都能感受到这一变化之大，比如说视频通话，蓝牙技术等等。这一切的一切大大提高了人们的生活水平。但是，随之而来的问题又产生了。那些问题就是，频率带宽不够用，比如说电视广播信号的发射需要占据一定的频率，无线通信的正常运行需要被分配固定的频段。针对此问题，我们需要找到解决的办法，所以研究人员就将目光聚焦到UWB。 超宽带，它最先是在1942年De Rose提出的随机脉冲的专利中出现的。跟着微电子器件的迅猛进步，IR超宽带技术的前进，2002年4月FCC修正了“超宽带”界说，并允许超在功率辐射条件下

12、，在3.110.6GHz频谱范围内的商业超宽带技术，这是UWB技术前进道路中的重要成就。至此，超宽带无线通信逐渐变成学术界普遍关注的问题，许多大型公司都开始接触超宽带的研发。 超宽带无线通信的应用总体上可以分为短距离高速率应用和中长距离低速率应用这两大类。其中，第一类传输速率可高达百Mb/s，主要是用于搭建距离不长非低速WPAN、家庭无线网络以及有线连接，规范的通讯间隔是10m；第二类是中长距离（不少于几十米)应用低速度，一般情况下数据的传输速度达到1Mb/s，这大都是使用在连接无线传感器。此外，不使用载波的超宽带传输形式、以前的“窄带”以及“宽带”传输信息全是选用无线载波的状态变化来实现的。

13、不同的是，作为UWB频率的实现形式是很宽的基带传输，可以从几Hz到几GHz，有时甚至超过10GHz，值得一提的是，能够实现穿墙通讯是其中的低频部分。因为发射的是功率谱密度很低的窄脉冲。就定位精确度而言，UWB技术比全球定位系统GPS更精确，它的精度甚至至少可以达到10至20厘米。再者，以前的无线通信在通讯时需要载波，并且是不间断的载波，这要损耗很多电能。但是，UWB是按照0或1发出一个个脉冲电波，而且是直接发出去的。 国内外相关研究现状1.2.1 国内研究现状 2004年，孙华明，周正等一些人报告了伪混沌编码的工作方法，并且认为信号的功率谱谱线在编码之后将与现行的无线频率离得越来越来，所以能够

14、减少干扰其他无线系统通过将周期性的功率谱线，以频谱搬移的方式搬移到几十GHZ的高频处。在许多用户共同使用的情况下，要想有效地减少许多用户与用户之间的干扰并且降低系统的误码率，可以通过将受伪随机序列控制的跳时时间片加入到时隙周期中这一方法来达到要求。2006年，刘建夏教授表达了一种以改良型Logistic混沌映射的伪随机序列基础的产生器，并且通过研究和实验获得的结果，解释了该伪随机序列具备不错的密码学性能，这为设计一种全新的混沌流密码方案奠定了基础。该方案取得了令人满意的结果。然而有必要说出来的是，因为计算精度不高，导致Logistic混沌映射的动态特征会出现老化的结果，所以当选用单精度的浮点运

15、算或者比这还低的计算精度时，就会出现产生的随机序列的品质下降的现象。2006年，王西夺提出了一种超宽带多用户通信体系，它是以Gold码为基础的，他还给出了一个调制和解调的方法。同时，他也分析了许用户使用情况下系统的误码率，他选用的脉冲形状和信道分别为双极性脉冲和高斯白噪声信道，但他并没有考虑多径情况对这的影响。最终仿真得出的结果表示，理论研究分析的结果和仿真的结果相差无几。因而，他得出这种通讯体系抗多径的能力突出、系统的结构不难并且具有一定的现实意义的结论。2006年，焦胜才研究超宽带通信技术，提出了若干关键性的问题，包括超宽带多址多径性能的研究、超宽带系统中多址码的研究、超宽带系统中多用户检

16、测的研究。分析表明，用PSC码的超宽带系统具备平滑的功率谱密度这一特性，可以有效地降低对其他系统的干扰。1.2.2 国外研究现状 1994年，Schlotz教授，美国南加州大学的的，发表的一篇文章引发了世界对现代应用于通信的超宽带技术的研究。在这篇文章中具体分析论证了采用TH-PPM调制技术进行许多用户相互之间通讯的可行性。以后，使用超宽带技术在的如火如荼的展开。随着超宽带技术的发展，跳时序列的研究连续上涨。1981，Titlebaum E.L等提出了两种跳时序列的构造分别是基于线性同余理论和基于二次同余，前者构造出线性同余序列LCC，后者构造了二次同余序列QCC。之后又出现了三次同余序列CC

17、C和双曲同余序列HCC。自相关性和互相关性都是以上三者都具备的。如今，这些T-H序列已经应用到小规模的UWB通讯系统中。 UWB通信系统的特点根据资料，我们可知UWB信号是种持续时间非常短且占用带宽大的脉冲串。针对此特点，科学家经过研究发现，它有一些十分独特的优点和用途，我们可将它运用到生活中。在通信领域，UWB可以实现高效率的无线通信。在雷达方面，UWB雷达具有高分辨力（ns级）。就拿如今在军事上非常火的隐身技术来讲，寻常的雷达是侦测不到的，但是在超宽带频带内，那些普通雷达发现不了的目标都会一一现形，这是因为因为超宽带的频带宽引起的。同时，UWB雷达还具有很强的穿透能力。比如说，UWB信号能

18、穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质，因此军事上UWB雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。在定位方面，UWB可以实现精确定位。UWB使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一两厘米。也就是说，同一个UWB设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。UWB无线通信除具备上段所述说的优点之外，它还有具备更多的优点。首先，UWB通信的保密性强。我想，这在军事上和国家安全上的用途一定非常广泛。因为UWB系统具备这样的特点，它的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，所以能够被他人破解的概率极低，因此具

19、有了保密性强这一特点。其次，UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落。多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。因为，如今我们所要追求的就是一种成本低、低功耗、速率高并且通信系统简单的通信方式，而的UWB通信正是满足这种要求。今后，UWB超宽带系统必将得到广泛的应用。1.4 论文的结构安排 全文共分为六

20、个部分，下面是各部分的内容安排： 第一部分为绪论。概述了UWB的研究背景和UWB的研究意义，同时介绍了国内外的研究现状和UWB的特点，最后介绍了本次毕业设计的结构安排。 第二部分概述了UWB通信系统。通信系统的基本组成和调制。 第三部分介绍了信道模型。特别介绍了室内无线通信的主要参数。 第四部分概括介绍TH-PPM信号的产生。 第五部分概括介绍TH-PPM信号的接收并说明了一下RAKE接收机。 第六部分对整个系统仿真并详细介绍了发射机的simulink仿真图以及各模块的组成和功能。2 UWB无线通信系统基础2.1 超宽带通信系统的基本组成结构 传统通信系统有发射部分、信道以及信道三部分组成。传

21、统通信系统用框图表示如下,如下图1所示： 图1 传统通信系统 和传统通信系统相比，超宽带通信系统的基本组成也是相同的，但是超宽带也有不同模块，它的发射机主要由时基电路、伪码产生器以及发射天线等部分。它的接收机主要由接收天线、PN码产生器以及时基电路电路等构成。下面具体介绍一下超宽带的系统具体模型，如下图2和图3所示： 图2 发射机模型 图3 接收机模型 2.2 UWB的定义 功率普密度fLfHf0f(Hz)窄带宽带-10dB 图4 窄带和宽带图示 首先，以图简单的介绍一下宽带和窄带。窄带的相对带宽 小于1% ，宽带的相对带宽在1% 到20% 之间。 1990年美国军方给出了“超宽带”的概念，其

22、定义的特征是25%的任何波形小于超宽带信号的相对带宽。这里，信号的相对带宽是指，其中，表示信号高端频率,表示信号底端频率,表示信号带宽，即有： (1) 信号相对带宽 = 式中：，为信号的中心频率。 2002年4月，美国FCC给出两个定义的“超宽带”。第一种定义对军方给出的定义作修改了两处。第一处修改是，规定-10dB这一值得大小就是信号带宽的宽度，即表示不高于信号最大发射(包括天线的影响)-10dB的高端频率，相应的表示底端频率；二是规定信号的相对带宽大于0.2。第二种定义是，在任何情况下，无论相对带宽的大小，信号的-10dB带宽都不小于500MHZ。 在这里简单的介绍一下，FCC给定的频率范

23、围3.1GHz10.6GHz，即占用的频带越宽，超宽的频带所带来的优点就越明显。以图4的左半边为介绍，第一条虚线表示的频谱不满足FCC的频谱，后面两种满足要求。但是后面的两种，后者频谱利用率比前者高。 回到前面所述说的，明显，“超宽带”定义无线电信号只是从信号带宽的角度来定义的，所以实现方式有多种形式。其中，冲击无线电（IR）方式是最典型的 图5 频谱利用率实现方式，它是将一种波作为信息载体的无线电技术，这种波不是正弦载波，而是一种占空比很低的窄脉冲(纳秒级宽度)。因此，基带信号(以常规无线电而言)和射频(RF)信号(从信号的频谱特性而言)都可以看成是由超宽带无线电直接发射的。信号能量分布的频

24、带很宽。 UWB调制方式 现如今，用于进行UWB调制的方法有许多，其中主要有脉冲位置调置、脉冲幅度调制、开关键控和二进制相移键控等等。同时，利用UWB发送信息有许多优点，因为被发送的信息可以用多种方式编码。因此，UWB的使用特别广泛，人们对UWB的调制方式研究得也比较多，下面介绍一下主要的调制方式。2.3.1 脉冲位置调制（PPM）PPM调制是以某一被发送且性质不再发生变化的脉冲，以它的周期作为基础，然后依据所传的消息码元添加不同的延时偏移，从而在接收机的接收端能够根据偏移量分析得出原来的码元信息。基本的PPM时域表达式为：（2） 其中s(t)是UWB序列信号，p(t)是基本的脉冲波形，ak表

25、示每个符号的取值。ak1，1相应于数据流，比如发送数据为“1”时，ak为1；发送数据为“0”时，ak为1。是调制系数，T是调制后的脉冲相对于没有调制的脉冲在时间轴的位置变化。以二进制脉冲幅度调制为示例这种调制方式对接收机的时钟同步要求严格，它在时域上的波形如图6所示： 图6 PPM调制时域波形图 脉冲幅度调制（PAM）PAM调制能够判断传输码元的原因是，不同的脉冲具有不同的幅度的特性，以二进制脉冲幅度调制为示例，设p(t)表示UWB信号的波形，发送的短脉冲序列s(t)在时间轴上均匀分布，T为每个脉冲是时间间隔，第个脉冲发送是时刻是t=kT，发送的数据控制UWB脉冲信号的幅度ak，ak1/2,1

26、相应于数据流，比如发送数据为“1”时，ak为1,；发送数据为“0”时，ak为1/2，则PAM调制的UWB信号s(t)可以表示为：它在时域上的波形如图7所示： 图7 PAM调制时域波形图 PAM调制的超宽带信号s(t)的表达式，由公式（3）可见：（3） 2.3.3 开关调制（OOK） 对于开关调制来说，我们可以将它看作是PAM调制的一种特殊方式。它的工作原理是，利用有无脉冲来判断传输码元。以二进制OOK调制为例以二进制OOK调制为例，在PAM中取ak0，1就是OOK，即发送数据为“1”时，ak为1；发送数据为“0”时，ak为0，其时域波形如图8所示。 图8 OOK调制时域波形图 双极性调制（BP

27、SK）BPSK也是PAM调制的一种特殊方式，它是利用脉冲的相位作为判断传输码元的依据，以二进制BPSK调制为例，在PAM中取ak-1,1就是BPSK，即发送数据为“1”时，ak为1；发送数据为“0”时，ak为-1，其时域波形如下图9所示： 图9 BPSK调制时域波形图2.4 扩频技术 简单的介绍一下，有三种方法可以实现扩频通信，分别是跳频扩频、直接序列扩频和跳时扩频。扩频数字通信模型，如图10所示：数据 信道编码 传输 扩频调制 PN序列 图10 扩频数字通信模型 其中，跳时扩频就是使当前发送的脉冲位置根据码序列的变化而变化，其数据调制可以是PPM或PAM。跳时扩频的原理图如图11所示。扩频调

28、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。 图11 跳时扩频原理图 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。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。3 UWB通信系统的信道 对于信道的“道”而言，首先在我们脑海中呈现到的就是一条道路。的确，在这里我们可以用这种方式来生动的理解信道，比较学术一点的说法就是，存在于发射端与接收端之间的通道。对于无线电波而言，当

29、它从发送端传送到接收端，其间并没有一个真实可见的连接，它的传播路径可能不只一条，并且在大多数情况下确实不只一条，但是我们为了生动的描述信号的传输途径，我们想象在发射端与接收端存在一个通道，把这条个通路称为信道。 据常理，我们都知道自然界中存在反射，经反射出去的东西到达终点的时间会有不同。对于信道传输来说，同样存在这样的问题。由于不同路径的存在，信号到达接收端的时间就不一样，这导致相位也不同。那我们可以想象，多个不同相位的信号在接收端迭加，当信号的相位方向相同时，信号幅度就会因迭加而加强；当信号的相位相反时，信号的幅度就会因叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了快衰落。以上地述说对

30、信道有了一个具体的了解，下面我们来谈谈信道。信道连接发送端与接收端的设备，其功能是将信号从发射端传导接收端。按照传输媒介的不同，信道可以分为无线信道和有线信道。其中，无线信道利用电磁波在空间中的传播来传输信息。电磁波传播主要有天波传播、地波传播以及视线传播。天波传播是利用电离层反射的传播方式。3.2 关于信道的的参数简介3.2.1 信道中的噪声 何为噪声?很容易想到，就是打扰我们安静的一切外来声音。同样，信道的噪声是指，在信道中存在的不需要的电信号。在通信系统中，噪声是永远存在通信系统中的，没有传输信号时通信系统中也有噪声。 按性质来分，噪声可以分为脉冲噪声、窄带噪声和起伏噪声。在讨论噪声对于

31、通信系统的影响时，我们主要考虑的是起伏噪声。 下面我们简单的分析一下噪声的功率谱密度。设经过接收滤波器后的噪声双边带功率谱密度为，如图所示，则此噪声的功率为，公式如下式(4)所示： (4) 噪声的功率谱密度如图所示： 图12 噪声的功率谱密度3.2.2 信道容量 信道容量是指信道能够传输的最大平均信息速率。信道分为连续信道和离散信道两大类。因为本次主要研究的是无线信道，所以只简单地介绍一下连续信道容量。对于带宽有限、平均功率有限的高斯白噪声连续信道，其信道容量为，公式由下式(5)可见：(5)其中，N为噪声功率；S为信号平均功率；B为带宽。3.3 超宽带信道模型 有前面的介绍中，我们已经知道信道

32、模型研究信号在信道中传输的衰减、时延、多径干扰等问题。而超宽带通信的环境是无线多径环境，相应的是无线多径信道。3.3.1 无多径的AWGN信道模型 信号在无多径的AWGN信道上传播，则是在自由空间直达路径传播，受到加性噪声 的干扰，n(t)为随机高斯过程，双边功率谱密度为。设发射机发射的信号为是 ，那么经过AWGN信道传播，到达接收机的信号，由公式(6)可见：(6) 其中，称为信道增益，称为信道延时。这里，我忽略了收发天线对发送波形的微分作用，认为发射端和接收端的脉冲波形相同，因此得到上面的公式。信道增益的值的值由发射机和接收机之间的距离D 和信道的功率衰减指数决定，它们之间的相互关系，由下式

33、(7)可见：(7) 3.3.2 S-V模型 S-V 模型首先由Turin等人于1972年提出，后来由Saleh和Valenzuela在对室内多径传播进行统计建模中规范化。S-V 模型基于这样的观测：通常，来自同一个脉冲的多径分量以簇的形式到达接收机。簇到达时间被模拟为一个速率为 的泊松过，公式由下式(8)所示：(8) 其中，分别和为第 n 簇和第n-1簇的到达时间 。在每一簇内，相继的多径分量的到达时间也服从速率为 的泊松过程，公式由下式(9)可见：(9)3.4 超宽带信道的分类 IEEE802.15.3a工作组根据传输距离及有视距（LOS）、无视距（NLOS）路径等特点，将超宽带信道分为四种

34、，分别用来描述四种典型的信道状况，如下表1所示： 表1 四种典型的信道状况信道特征CM1CM2CM3CM4距离（）0404410NLOSLOSLOSNLOSNLOS很差的无视距多径信道4 超宽带通信系统的TH-PPM信号的产生4.1单周期脉冲波形(11)(10) UWB通信系统发射机发射的是超短时脉冲，它是一种脉冲间隔严格受控的高斯单周期脉冲，而不是正弦波信号，一般重复的周期为25-1000ns，工作时的脉宽为0.2-1.5ns。规范的高斯单周期高斯脉冲的频域和时域的数学模型可以用下面两个式子分别为，可由公式(10)和公式(11)表示： 式中，代表的是一个时间延迟长度，在这里和脉冲持续时间相等

35、，A称为脉冲峰值幅度，t为时间，指的是频率，由此能够推导出高斯脉冲的中心频率以及其半功率带宽为。 下面为其相应的时域和频域特性曲线，如下图13所示： 图13 典型单周期脉冲的时域波形和频域特性波形4.2 跳时脉冲位置调制信号的产生 通过发射很短的时域脉冲，这是发射UWB信号使用最为频繁的方式。同时，它的调制是通过信息数据符号进行的。如今，当发射一个脉冲时，在众多的调制方式中我们使用频率最高的是脉冲位置调制和脉冲幅度调制，对于这两种调制方式我在上文已经介绍过，所以这里不再具体阐述。 事实上，对于TH-UWB的调制，我们可以根据我们的需要来选择，比如说一些人比较熟悉脉冲调制，则就可以选择这。但是，

36、一部分人对另一种比较熟悉，可以选用另外一个。所以说，两种方式都可用来调制。不过，就产生的频谱的形状以及特性的作用来看，具体的调制方式可以根据需要进行选择。对于TH-PPM的产生，超宽带信号的产生过程描述，如下图14所示： 图14 TH-PPM UWB发射机方案 输出发射到物理信道的二进制是二进制源的作用，其速率为，重复编码器使得每一个比特重复次，从而得到一个二进制序列a:，新的比特速率(b/s)。(12) 发送编码器是应用整数值码序列和a，得到一个新序列d，序列d的一般元素的表达式，由公式(12)可见： 上式中，和是常量，对所有满足前提中的，通常。这里c是整数值序列，d是一个实数值序列，a是二

37、进制序列，。这里要求产生的单位脉冲序列是由PPM调制器产生的是，这单位脉冲的速度为(脉冲/s)。在时间轴上的，脉冲位置为，即在的基础上，脉冲位置偏移了。在上面框图所介绍的所有的系统模块，它们经级联以后得到输出信号的表示式，如下公式(13)可见：(13) 其中，表示的是被发送的单周期脉冲波形，是第k个发射机的时钟时间，是脉冲重复时间。由发射机发射的第k个的TH-PPM信号或许包含多个单周期脉冲波形，它们是由由不同的时间移位而构成的。第个刚开始的单周期波形为:。 为了能够让看到这篇文章的读者能够理解TH-PPM信号的物理意义，在这里我从三个方面来对进行分析。 均匀间距的脉冲串。它的占空比很低，因为

38、它是由重复周期为的单周期脉冲形成。并且，通过查阅资料我们知道了，的最具代表性的值为一般脉冲时宽的100-1000倍。突发性冲突肯定存在于信号中，当均匀间隔脉冲串构成的信号对于在两个或以上的用户信号同时到达时就会引起，这也是很难让它不出现的。 图15 TH-PPM信号示意图 伪随机的跳时序列。为了解除突发性冲突现象出现，这是用户多而引起的，每一个用户(用k表示)被配发一个不同的跳时序列，即时移模式来得到不同的附加脉冲时移。如图15所示，该跳时序列是一种周期性的伪随机码，即有，其中i、j均为整数，为随机码的周期。在这一范围内，码元的取值是整数。因此对第个发射机的第个单周期脉冲得到的附加时移为离散值

39、，并且是在范围内取值的。因为规定单周期脉冲相关器的检测和复位的完成是在相当短的时间内，于是假定的比值严格小于l，可是也不可以过小，否则仍然可能出现矛盾现象。 信号波形出现的周期性由周期性出现的伪随机跳时码引起的，其周期，相应信号功率谱密度的谱线间隔从增加到，使得信号的频谱越平坦，因而减小了发射信号的功率。 数据调制。第个用户发射机发射的数据序列是携带某种能的二进制（0或1）的符号流为了分析的方便，该数据序列常被模型为宽平稳随机过程。由于为了传输一个数据符号的过采样调制系统而选用个单周期脉冲来实现，所以调制的数据符号只有经过跳之后，才会发生变化。假设新的数据符号在处开始，且数据符号调制脉冲的位置

40、为，表示取整数部分。 当数据符号为1时，单周期脉冲将会有的附加时移的增加，也就是，倘若要优化系统特性可以通过改变调制因子来实现；当数据符号为0时，表示木有附加的调制时移，也就是。数据调制之后将会进一步平滑TH-PPM这一跳时伪随机调制信号的功率谱密度。在这种方法的调制之下，一个符号的持续时间为，关于脉冲重复时间固定的，二进制符号速度可由二进制符号调制的单周期脉冲数目来确定。 其中，最后一个模块是脉冲形成器。在UWB通信系统中，所选用的脉冲波形极少是一个周期的正弦波，这是因为产生脉冲调制正弦波比产生非正弦脉冲要难，更昂贵。脉冲形成器产生一个类似于高斯函数的波形式最容易的，是一个钟形。 这种高斯脉

41、冲的表达式，由公式（14）可见：（14） 其中是脉冲形成因子，为方差。下图所示的是高斯脉冲k阶导数的频谱。 在无直流分量这种条件下，可供参考的脉冲波形有很多种，此中包含用高斯函数的各阶导数所表示的波形。本篇文章中的仿真利用的超宽带的脉冲信号便是由二阶高斯函数导数形成的脉冲产生的。二阶高斯函数的导函数的表达式，由公式(15)可见：(15) 其中，该式代表的高斯脉冲的能量为。二阶高斯函数的导函数的时域波形，由图16所示。 图16 高斯函数的二阶导数的脉冲波形 5 UWB通信系统的TH-PPM信号的接收5.1 UWB通信系统存在的问题 UWB通信系统拥有极大的带宽，同时也拥有提供高系统容量的潜力的能

42、力。但是UWB仍旧有两个弊端,而且这两个弊端在某种程度上制约了它的发挥。第一个，UWB通信系统所发射的信号的功率需要被制约在一个超低的水平，这样才能避免它干扰和共享部分频带的其他系统。以上这个弊端对UWB通信系统的接收端的要求特别高，不仅需要能够有效的检测微弱信号，同时也要求尽量不要增加系统的复杂性。第二个，在超宽带系统传输信息时，出现频率选择性严重衰落这种现象是必然的，因为它是使用极宽的带宽来传输信号的。同时，密集的多径现象则会出现在时域上。因此，关于有效的多径接收亦然是一个难点。5.2 TH-PPM信号的接收 图17 UWB系统的TH-PPM信号接收处理模型 关于UWB信号的相关检测技术，

43、这已经成为当今科学研究领域的研究重点。据查阅资料，我们对UWB无线通信系统的相关接收机有了一定的理解，在这给出了两种接收机模型。他们分别是模拟脉冲无线多址接收机和数字脉冲无线多址接收机。对于第一种而言，它是直接模拟相关运算和处理(采用乘法器)来自接收天线的特别窄脉冲信号；对于第二种而言，它针对地是接收到的脉宽极窄的脉冲，它用脉冲相关器对这类波进行操作和处理。 对于相关接收机，在文章中以简单的数字相关处理的接收机为例，它的示意模型图17画出的框图所示。设计的基本思想是：首先，把从接收天线获得的很窄的脉冲信号，经过包络检波与放大，然后再整波，变成宽度延宽的基带PPM信号。 (16) 框图中的“宽带

44、放大与处理”模块，上图17的最左边，它的功能是把从接收天线获得的UWB信号依次通过包络检波，放大，再对波形进行整波处理。经过以上这一系列的过程，从而产生基带的TH-PPM信号。接收端在不考虑有关因素时得到的TH-PPM的基带信号，由公式(16)可见： 式中，是一个基带TH-PPM基本的方波脉冲的波形，它的脉冲宽度是一个矩形脉冲，但是只是这矩形的脉宽是将比ns级宽度展宽形成的，旨在便于相关检测。 “模板信号1”模块的作用是检测控制最初信息码中的“0”码这一任务。“相关检测器1”的检测结果是：当TH-PPM序列中的信息码有“0”码时，输出的就是“1”，否则输出就是“0”。从下表2我们能够知道，如果

45、信息码是“0”码时，就只会由PN码控制时延调制器。因此，“模板信号1”输出的TH-PPM信号的表达式，由公式(17)可见：(17) 式中，等效于d(k)j/Ns=0时的b(k)j。S代表接收到的信号和模板信号之间的相对时延差，其中模板信号是由本地产生的。同时，S也需同步控制来解决时延差的。 “模板信号2”这一模块的作用检测控制最初信息码中的“1”码这一任务。“相关检测器2”的检测结果是：当TH-PPM序列的信息码中有“1”码时，输出的就是“1”，否则输出的就是“0”。从下表2我们能够知道，若信息码为“1”码时，只有两个取值，即要么是1，要么是2。因此，“模板信号2”输出的TH-PPM信号的表达

46、式可以，由公式(18)可见：(18) 式中，等效于表2中的d(k)j/Ns=1时的。在初始状态时，本地PN码产生器产生PN码序列与发射机中产生码序列相同，若上图17中的两相关检测器的输出都是“0”，那就是说明系统不同步。那就要搜索控制器来控制本地PN码发生器，让它延时等待，直到系统同步才结束等待。判决器的作用是当图17中“相关检测器2”输出的结果是“1”，且“相关检测器1”输出的结果是为“0”时，当满足这两种情况时，判决器的输出的结果是为“1”，恢复原始信息“1”码。下面我们用X代表“相关检测器1”输出的结果，用Y表示“相关检测器2”输出的结果，用Z表示判决器的输出的结果。当X=1，Y=0，则

47、Z=0，恢复原始信息“0”码；当X=0，Y=0时，则Z=0，此时表明在系统的输入端没有输入数据或系统未同步；当X=1，Y=1时，Z=0，此时表明系统出现误码。 表2 PPM脉冲受信息码和PN码控制的状态表及的取值信息码的电平PN码的电平二进制加法器的输出取值的取值PPM脉冲的位置00000参考位置01011位移1个10011位移1个11102位移2个5.3 UWB接收机的研究 TH-PPM UWB接收机的解调原理框图如下图所示。在图18中我们可以清楚的看到，接收机主要由脉冲相关器、积分器和判决器这三者构成的。 图18 TH-PPM UWB接收机5.4 超宽带RAKE接收机方案 在文章的前部分，

48、研究信道时我们就提到在发射机和接收机之间存在多径效应多径效应。现在正是考虑到这种问题的存在，这将使得原本简单的接收机结构变得相当复杂，同样使得信道模型也会相比之前变得繁杂。首先，时变特性必须体现在信道模型；其次，因为有存在失真这一情况，所接收得信号与发送的波形之间的相似性是更糟的。多径会严重影响接收机的性能。然而，如果多径信道的具体特性已被接收机知晓，那么我们就可以想办法来降低它的影响。 发射端的发射信号经过衰减、时延、最后失真这一系列的过程之后，这样得到的信号，就像文章前面所说的那样，经过信道反射到达输出端，信号的到达时间不同，导致相位不同，这样的信号多个相叠加就会出现幅度变化，从而相比之前

49、发射端的信号会出现失真。如果能够忽略传播信道波动和与路径有关的失真，所以对脉冲无线电传输，接收到的信号的表达式，由公式(19)可见:(19) 上式中，X表示一个增益值，即信道的对数正态分布幅度；是每个脉冲的发射能量；N指簇的数目，它是实验者是在接收位置观测到的；是第j个发射脉冲的幅度（在PPM情况下，=l）；K(n)代表第n簇里的多径分量的个数；是第n簇内第k条途径的信道系数；是第j件是第j个脉冲的时间抖动；是第n簇内第k条路径的时延；是平均脉冲重复周期。 对上式做进一步处理，关于信道中每个冲激响应的完成，信道系数蕴含的能量都进行归一化，则上式不妨重写为，由公式(20)可见：(20) 其中是一

50、个发射脉冲的总接收能量。和AWGN信道相比，有差别的是，这时的是出现在不同多径分量上也是分布在一段时间内的，如果接收机能够接收到所有多径分量的能量，检测器就可以使用进行判决。事实上，因为接收机只可收到不是全部的多径分量，这使得在判决过程当中使用的有用能量大于。在超宽带通信接收端运用RAKE接收技术的原理框图图19所示 m(t)检测器m(t)估计信号r(t)m(t) 图19 超宽带RAKE接收机方案5.5 UWB系统整体仿真整体方案 从文章的开头到现在，对于UWB通信系统的信道，发射机模型以及接收机模型，我都已进行了相关的介绍，现在考虑的必然是这三者的联系。下面介绍的是UWB通信体系的整体仿真框

51、图如图20所示。 图20 UWB 系统仿真整体方案6 实验仿真与分析本章的内容是对前面几章讲述的UWB无线通信系统进行总结，经过思考设计出系统仿真simnlink仿真模型。首先介绍了一下MATLAB软件；然后，介绍了接收机模型和信道模型，并对它们作了必要的分析；最后，给出了系统仿真总图。6.1 MATLAB 软件工具简单介绍 6.1.1 MATLAB 简介 MATLAB是现在应用非常广的一个软件，在许多学科中都需要应用，它是一个强大的绘图和计算软件，MATLAB由matrix和laboratory这两个单词缩写而成的，其含义为矩阵实验室的意思，它是由美国的mathworks公司为了方便科学计算

52、而开发研究出来的一款强大而效率高的软件。它的可视性和非线性动态特性系统的建模与仿真的许多功能都集成到了一个可视化的一个电脑视觉环境之中。其强大的计算能力，不但速度快，而且精度非常高，为科学技术的研究和工程计算应用及一些需要精确计算的情况提供了一种有效的工具，克服了传统的程序语言的设计，是现在国际先进科学计算的一个代表。 现在比较常用的有三大数学软件，分别是Maple与MathematicaMATLAB。它们在数学类计算中的能力是首屈一指的，MATLAB的应用非常的广泛，有通信系统的仿真，绘制各种函数图像，进行各种算法运算，还可以与其它的软件进行连接，是通信信号处理、数字图像处理、信号的检测和计

53、算、控制领域的设计、工程中的设计计算、金融方面的计算和应用等等领域不可缺少的工具。 在课程学习中，我们都知道MATLAB的数据基本单位为矩阵，而它的很多函数和指令跟实际中的非常相识，像数学和工程领域，因此MATLAB要比FORTRAN和c语言的其它一些语言完成相同的功能要简单很多，而MATLAB也借鉴了Maple等软件的许多的优点，这些优点是MATLAB变成了一个非常强大的数学计算方面的软件。在一些新的版本中引入了C+，JAVA，c等软件的支持，能够对这些软件进行直接性的调用等，用户是可以把自己写过的一些通用性的一些程序通过一定的方法导入进MATLAB函数库中去，这样能够方便以后自己调用，哈有

54、一些MATLAB爱好者也编写了很多比较好的程序进去了 ，做为用户可以直接进行借用。MATLAB 产品可以用来做以下一些应用：数值分析数值和符号计算工程与科学绘图控制系统的设计与仿真数字图像处理技术simulink简介 在MATLAB中的，Simulink是它的重要组成部分，它可以用来为用户仿真建模，而且它是动态的建模系统，具有非常好的仿真，分析和建模环境，在这个模块中，用户根本不用去自己写相关的代码实现其功能，它己经自带有图形界面，用户只需要动动鼠标将相关的模块拖出来便可实现其相关的功能，不仅容易操作，而且非常的快捷，可以适用很多领域的仿真，正因为它在仿真过程中的灵活，高效，使得它在通信系统中

55、备受青睐 它不光在数字控制，数字信号处理，数字图像处理领域有很好的应用，它无论是在线性系统还是非线性系统，都有着不可忽视的作用，此外，因为它不但可以使用连续采样时间，也可以使用离散采样时间，或者是连续采样和离散采样的混合系统，更重要的是，它还可以使用多速率系统，也就是说如果不同的模块需要采用不同的采样速率，它同样的可以满足要求，并且它是一个图形用户接口，如果用户需要的话只要把模块拖出来就可以直接使用，并且马上可以看到结果，非常的方便 Simulink主要的应用领域还是动态系统，嵌入式系统和时变系统，包括通信，数字信号处理，数字图像处理，通讯，控制等，是在工程上应用比较广泛的软件模块 图21 T

56、H-PPM信号产生原理图6.2 simulink仿真 根据课题“UWB系统的TH-PPM信号的产生与接收的研究”设计的simulink系统仿真模块，在本章最后附了一张总图。UWB发射机模型主要由下图中所示的Data Source、Pilot 1以及sum模块。在下面将会对这三个模块的功能作具体的介绍，分析各模块的作用。 发射机simulink功能模块介绍 现在，介绍的是TH-PPM信号的产生模块，由图21所示。下面介绍的是Pilot 1模块，如图22所示： 图22 发射机模块中的Pilot模块 Pilot1的作用是产生一个单位脉冲序列，它的子系统如下图23所示： 图23 Pilot模块的子系统 对于上图中子系统中的Time Hopping UWB modulatiaon模块是经过封装以后形成的，它的封装对话框如图24所示： 图24 调制封装模块参数设置对话框 图25 发射机模块中的Data Source模块 Data source， 如图25所示，其作用是将最初的二进制流经过重复编码器使得每个比特重复次，得到新序列d(本文前面已介绍，详见第4章)，然后再经过发送编码器，最后得到要发射的数据。调用S函数，经过封装以后，封装模块的参数设置对话框如图26所示：