第二章超宽带实现技术IR-UWB

相对于 PPM，DPIM的传输速率更高。
脉冲波形调制（PSM, Pulse Shape
Modulation） ）
便于相干解调 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。
∞
S (t ) = [ ai s0 (t ) + (1 − ai ) s1 (t )] ∑ p (t − kT f )
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)。
数据 信道编码 扩频调制 传输
PN序列 扩频数字通信模型
A2 2 s( f ) = P( f ) Tf
由
没有离散谱线
(a2 − a1 ) 2 Eb Pe = Q( ) 2 2 2(σ a + µa ) ∗ N 0
2Eb P = Q( ) e N0
比OOK有3dB的优势
脉冲位置调制（ 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。
∑ b p(t − kT
k
∞
f
)
bk ∈ {+1, −1}
BPSK 的功率密度和误码率
当调制信息 bk 等概出现 ±1 ，并且调制信号幅度为“A”时，
2 µa =0, σa = A2
由 S( f ) =
σ
2 a
Tf
P( f ) +
2
µ
T
2 a 2 f
∑
∞
∞
2
P(
k k ) δ( f − ) Tf Tf
不同组的正交脉 冲串可以对应不 同的用户(多址)
00 01 10 11
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
k =−∞
s0 (t )，s1 (t ) 代表相互正交的不同 脉冲
Pe, PSM
Eb = Q( ) N0
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。
M进制双正交键控（M-BOK， 进制双正交键控（ ， 进制双正交键控 Multiple Bi-Orthogonal Keying） ）
a 当采用二进制PAM（设调制信息为：1 , a2）时，在AWGN信道下的二进制
PAM相干接收的误码率性能为：
(a2 − a1 ) 2 Eb Pe = Q( ) 2 2 2(σ a + µa ) ∗ N 0
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。
常用的脉冲调制方式示意
脉冲幅度调制（ 脉冲幅度调制（PAM） ）
信息调制在脉冲幅度上
当调制信息为 ai ，i = 0,1, 2,K ，调制信号为：
s (t ) =
k =−∞
∑a
∞
k
p (t − kT f )
其中， p (t ) 是基本的脉冲信号； f 是脉冲周期。 T
假如发送序列 {ai } 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：
C1 (t )、 2 (t ) 分别为正交脉冲串 C
Input data: ai ,2 ai ,1
L=4 Codes 1,0,0,0 0,0,1,0 -1,0,0,0 0,0,-1,0
L=2 Codes 1, 0 0, 1 -1, 0 0, -1
−C1 (t ) C2 (t ) C1 (t ) −C2 (t )
超宽带实现技术IR-UWB 第二章 超宽带实现技术
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 传统的超宽带实现技术， DS-UWB • FCC发布了民用超宽带的辐射限制后，IR-UWB方 发布了民用超宽带的辐射限制后， 发布了民用超宽带的辐射限制后 方 案的改进版。 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 非脉冲调制技术，使用正交频分复用技术， 调制，信号带宽大于500MHz。 调制，信号带宽大于 。
载波
数据 输出 信道编码
PN码
采用乘法
载波
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。
信息比特 扩频码 传送比特（模2加）
101 010 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。
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。
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 PPM 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： 数据 输出 信道编码
PN码
采用模2加法
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}） 4-PPM 1 2 0
重复周期1
重复周期2
重复周期3
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。 4-DPIM 1 2 0
What is the impulse radio?
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
数 数 据 差错控 制编码 调制 脉冲发 生器 据 调 码
Impulse radio
脉冲调制 脉冲的 生
到的
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
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？
Pe = Q(
Eb ) N0
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。
s (t ) =
k =−∞
不考虑脉冲形状） 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。
s (t ) =
k =−∞
∑
∞
p (t − kT f − bk δ p )
功率密度
1 1 2 S( f ) = P ( f ) (1 − cos(2π f δ p )) + 2 2T f 2T f
k =−∞
∑
∞
2π kδ p k k P ( ) (1 + cos( ))δ ( f − ) Tf Tf Tf
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。 4-BOK：
S (t ) = (1 − ai ,1 )(2ai ,2 − 1)C1 (t ) + ai ,1 (1 − 2ai ,2 )C2 (t )
ai ,1 , ai ,2 ∈ {0,1}
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
频 率
频 槽
时间
1T 2T 3T 4T 5T 6T
数据 编码 FSK 信道
PN码
频率合成
编码 输出
FSK
信道
频率合成
时同步
PN码
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。
s(t ) =
k =−∞
∑ b p(t − kT
k
∞
f
)
bk ∈ {0,1}
OOK调制可以看作是PAM的一个特例 (a1 = A, a2 = 0)
S( f ) = A A 2 P( f ) + 2 4T f 4T f
2 2
k =−∞
∑
∞
2
P(
k k ) δ( f − ) Tf Tf
2 µ a = A 2, σ a = A2 4
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
S( f ) =
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σ
2 a
Tf
P( f ) +
2
µ
T
2 a 2 f
∑
∞
∞
2
P(
k k ) δ( f − ) Tf Tf
2 2 其中 µa 和 σ a 分别是调制信号 {ai } 的均值和方差， ( f ) P
是基本脉冲信号的功率谱密度。
2
既有连续谱线，又有离散谱线 误码率
Pe = Q(
PPM调制的优点：
Eb ) N0
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： 系统在AWGN信道下的误码率性能不是最好的 符号间干扰（ISI）比较严重 PPM的实现比较复杂
脉冲间隔调制（ 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。
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。
跳时扩频的数学模型
a
跳时扩频 c d
应用整数值伪随机码序列
c = (..., c0 , c1 ,..c j , c j +1 ,...) 作用于输入
的二进制序列 a = (..., a0 , a1 ,..a j , a j +1 ,...) ，产生一个新序列d， 序列d的一般表达式如下：
d j = c jTc + a j ε
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： 补充：扩频技术