超宽带无线通信系统中同步技术的研究word文档

超宽带无线通信系统中同步技术的研究word文档内容摘要：

l   (25) 2 0 210 n ,ll  或 （ 其 中 No rm al ( ) ） (26) 2[] lTloEe  (27) 其中：lT为时隙 l 的附加时延；  0 为首簇首径的平均功率； 21 0 l n ( ) 1 0 / l n (1 0 )l n (1 0 ) 2 0oll T     (28)  模型认识到了多径的成簇到达现象。 但是由于模型中只有一个指数衰减的限制，不管是视距还是非视距的情况下，平均附加时延和均方根时延不能同时吻合。 信道模型 对于超宽带通信系统，信道模型的提案主要有 Intel 的 SV 模型、  模型、POCANAZA 模型、 Dajana Cassioli 模型等。 Intel 提出的 SV 模型是在 所规定的频段中，以足够窄的脉冲进行测量得到的，为了与在 UWB 测量实验中得到的数据更为吻合， IEEE 工作组对 SV 模型进行了一些修改 [5]。 具体地说，用对数正态分布表示多径增益幅度，用另外一个对数正态随机变量表示总多径增益的波动。 最后，信道系数使用实变量而非复变量，即假定相位以等概率出现，选用等概率是因为脉冲信号经电介质表面反射出现脉冲反转是随机的。 因此， SV模型进行修正后，被推荐为 的室内信道模型。 经修改后的 信道模型提供连续时间信道模型，对于具体应用可以根据系统要求进行离散化 [11]。 模型的信道冲激响应可以表示为 : ()11( ) ( )KnNn k n n knkh t X t T     (29) 其中 X 是对数正态随机变量，代表信道的幅度增益。 N 是观测到的簇的数目，K(n)是第 n 簇内接收到的多径数目， ank是第 n 簇中第 k 条路径的系数， Tn是第 n簇到达时间，  nk是第 n 簇中第 k 条路径的时延。 信道系数  nk可以定义为： nk nk nkp (210) 这里， nkp 为以等概率取 +1 和 1 的离散随机变量， nk 是第 n 簇中第 k 条路径的服从对数正态分布的信道系数。 nk 可以表示为 : 2020 nkxnk  (211) 其中 nkX 是均值为 nk 标准差为 nk 的高斯随机变量。 特别地 nkX 可以进一步分解为 : nk n nk nkX      (212) 其中 ξ n和 nk 为两个高斯随机变量，分别表示每簇和每个分量的信道系数变化。 我们分别用 σ 2ξ 和σ 2ξ 表示 ξ n 和 nk 的方差。 另外，利用簇幅度和簇内每个多径分量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到 nk 的值 : 22220222101 0 l o g ( ) 1 0 1 0 ( ) l o g 1 0l o g 1 0 2 0n k n n k nknn n ktTnkTe enkeee        (213) 对每个实现 nk 项包含的总能量必须归一化为单位能量，即 : () 2111KnN nknk (214) 根据修正后的 SV 模型，到达时间变量 nT 和nk分别定义为到达速率为 Λ 和y 的泊松过程。 簇到达时间被模拟为一个到达速率为 Λ 的泊 松过程 : 1()1( | ) nnTTnnp T T e     (215) 其中， nT 和 1nT ，分别为第 n 簇和第 n1 簇的到达时间，第一簇的到达时间设为 0( lT =0)。 在每一簇内，相继的多径分量的到达时间则服从速率为兄的泊松过程 : ( 1 )()( 1 )( | ) n k n kn k n kpe        (216) 其中， nk 和 ( 1)nk 分别为第 k 簇内第 n 和第 n1 个分量的到达时间。 每簇第一个分量的到达时间设为 0( nfT =0， n=1，„， N)。 根据上面的定义，当下面的参数明确后，由冲激响应式 (29)表示的信道模型就可以完全表征出来 : ●簇平均到达速率 Λ； ●脉冲平均到达速率 λ ； ●簇的功率衰减因子  ； ●簇内脉冲的功率衰减因子 γ； ●簇的信道系数标准偏差 e ； ●簇内脉冲的信道系数标准偏差 σ ξ ； ●信道幅度增益的标准偏差 g ； 第三章 UWB 系统模型 因为超宽带技术支持多用户通信，所以超宽带通信系统需采用多址技术，超宽带通信多址方式归纳起来主要有跳时 (Time Hoping， TH)方式 [12]，直接序列方式 (Direct Sequence,DS)[13]。 而主要的调制方式 有 :脉冲位置调制 (Pulse Position Modulation， ppM)[14][15]，相移键控调制 (Phase Shift Keying， PSK)以及脉冲幅度调制 (Pulse Amplitude Modulation， PAM)等 [16]。 不同的多址方式和调制方式分别进行组合，则产生了各种不同的信号调制方案。 1993 年， 提出了基于跳时脉冲位置调制 (THPPM)方式的超宽带无线通信跳时多址通信技术 [17]，随后又有多种调制技术被相继提出 [18]。 随着研究的深入，超宽带无 线通信的调制方式被分为传统的基于冲激无线电的方式和非 传统的基于频域处理的方式。 传统的基于冲激无线电的方式，例如 :采用跳时方式的 THPPM 和 THAM、采用非跳时方式的直接序列调制 (DSUWB， Direct Sequence UWB)和混合调制等 [19]。 非传统的基于频域处理的方式包括基于载波干涉 (CI， Carrier lnierferomctry)脉冲波形的方式、基于脉冲的正交频分复用方式和基于脉冲的了带方式等等 [8]。 本文主要工作都是基于冲激无线电的调制方式。 超宽带脉冲信号 基于冲激无线电的超 宽带系统，由于使用脉冲来传输信息，所以脉冲信号的选择将会影响整个超宽带通信系统的性能 [20]。 如 :滤波器的设置，接收器带宽的选择，同时还要保证超宽带系统严格满足规定的频谱规范。 本节主要介绍几种常用的超宽带脉冲波形。 高斯单周脉冲 (Gaussian monocycle)是最具代表性的无载波脉冲。 在数学形式上，高斯单周脉冲即高斯脉冲和它的的各阶导数。 高斯脉冲信号的表达式如下 : 22 22212()2p t e e       (31) 其中， 224  ，适当选取时间参数，可以使 p(t)成为一个合适的脉冲。 影响脉冲的宽度和幅度称为脉冲形成因子，  增大，脉冲幅度减小宽度变宽。  2为方差。 在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的各阶导数形式，任意高阶脉冲可通过对高斯脉冲信号逐次求导得到。 单周期脉冲 Scholtz 单周期脉冲 类似于高斯函数的二阶导数，是由 scholtz 提出的 [21]因此得名。 其时域表达式为 : 221( ) e x p [ ( ) ] e x p [ ( ) ]2cct T t Tw t A    (32) 其频域表达式为 : 221( ) ( ) e x p [ ( ) ]22 cccA f fFf fff (33) 高斯偶脉冲是由两个幅度相等，极性相反，时间间隔为 :的高斯脉冲构成的， 其时域表达式为 : 2211( ) e x p [ ( ) ] e x p [ ( ) ]22cct T t Tw t A    (34) 其频域表达式为 : 22 1 1( ) s in ( ) e x p [ ( ) ]222 cccA f fFf fff  (35) 高斯偶脉冲直流分量为零，且以间隔 4 cf为周期作类似 sin(x)的分布变化，出现间隔 2 cf 的周期为零点。 为满足 FCC 规定的频谱特性或抑制窄带干扰，人们提出了其它多种波形。 一般通过特殊设计或滤波获得。 例如，用汉明窗调制载波的方法，汉明窗超宽带脉冲中心频率和带宽可 以方便的通过参数调节。 特殊脉冲例如修正的 Hermite脉冲、小波波形等。 这些方法的优点是更有效的利用频谱资源，但复杂度相对较高。 基于脉冲调制的典型 UWB 系统 基于脉冲调制的超宽带系统利用持续时间为纳秒或亚纳秒级的超宽带脉冲携带信息。 通常符号周期远远大于脉冲持续时间，己调信号具有极小的占空比。 基本的调制方式有脉冲位置调制 (PPM， Pulse Position Modulation)、脉冲幅度调制 (PAM ， Pulse Amplitude Modulation) 、二进制相位调制 (BPSK Biphase Modulation)、脉冲波形调制 (PSM， Pulse Shape Modulation)，以及上述调制方式的混合调制。 多址方式一般采用有两种典型的方式 :跳时多址 (THMA)、直接序列码分多址 (DSCDMA)。 跳时脉冲位置调制 (THPPM) THPPM 系统将跳时多址 (THMA)与脉位调制 (PPM)相结合。 一个符号周期由若干个帧周期组成，每个帧周期又包含若干个码片时间。 在一个帧周期内仅发射一个脉冲，脉冲发射时间由用户专用的伪随机跳时码和脉位调制偏移量共同决定。 接收端利用相同的跳时 码捕获同步后，利用相关器完成解调 [22][23]。 用户 k发送的 TH PPM UWB 信号波形如下 : ( ) ( ) ( )[ / ]( ) ( )ck k kf j c j Nis t p t jT c T d    (36) 其中， p(t)表示发送的单周期超宽带脉冲波形，上标 (k)表示多用户系统中第k 个发送用户，fT为无调制情况下的脉冲重复周期。 ()() kkfj jiT C C ，取值范围为：0  ()kjC ）  bN ，为第 k 用户伪随机跳时序列的第 j 个码元，跳时序列的周期为pN。 cT 为码片 (chip) 周期。 :  表示脉冲位置调制偏移量，d（ k） [j/Ns]为第 j 个帧周期发送的数据符号， Ns 为传输单个数据符号使用的脉冲数。 图 32 THPPMUWB发射机产生的信号 THPPM 系统利用用户跳时码之间的正交性避免用户信号之间的相互干扰，同时伪随机跳时码大大减弱了辐射信号中的离散谱线 [24][25][26]。 实际应用中，可以根据信道状况改变从达到调整数据传输速率和适应信道的目的。 当信道状况良好时，可以减小 Ns，提高传输速率。 当信道条件恶劣时，增力 Ns 降低传输速率，获得附加增益以提高传输可靠性。 跳时脉冲幅度调制 (THPAM) THPAM 调制也是超宽带无线通信的一种典 型调制方法，它将跳时多址和脉幅调制相结合，信号形式与 THPPM 调制方式较为相似，信号波形为 : ( ) ( )[ / ]( ) ( )ckkj N f j cjs t d p t jT C T   (37) 其中 ()[ / ]ckjNd为调制信息，如果 ()[ / ]ckjNd∈ {0， 1}则为 OOK(On Off Keying)调制，所以 OOK 调制是 PAM 调制的一种特殊形式，如果 ()[ / ]ckjNd∈ {1， +1}则为 BPSK 调制，对于多进制系统 ()[ / ]ckjNd∈ {A1A2„ AM1}公式中的其他符号同 THPPM 调制方式。 THPAM 与 THPPM 的主要区别是，前者用信息符号控制脉冲幅度来传输信息，而后者是通过控制脉冲的位置来传输信息。 PAM 的优点在于物理实现简单，并可以方便的采用多进制调制，便于改变数据速率，同时可以使用非相干解调。 但缺点也比较明。