DS-UWB信号分析

时间:2024-04-26 03:02:26 5A范文网 浏览: 论文范文 我要投稿

摘要  介绍了UWB通信的主要特点,分析了作为UWB信号载体的高斯信号的时频域特性,说明该信号适合于UWB通信系统。推导,分析了DS-UWB信号的功率谱,指出DS-UWB信号的功率谱由发送脉冲信号的频谱和编码频谱共同决定,并且伪随机码周期越长,频谱越平坦。计算机仿真结果证实了这一结论。关键词  超宽带;功率谱密度;直接序列扩频超宽带UWB(ultra wideband)无线电,又称冲激无线电(impulse radio)是一种无载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,其时域信号由快速上升快速下降,持续时间极短的脉冲序列构成,因此其所占的频谱范围很宽,发射功率较小,可以重复利用频谱,是一种与传统技术不同的无线通信技术。由于UWB脉冲极短,直达波与多径反射,折射波,在时间上不易重叠,因此其时间分辨率强,适合于多径分量丰富的室内无线信道传输。由于UWB脉冲低频分量丰富,使其易于穿透墙壁传输数据。而且,由于UWB信号的宽频谱特性,使得高速传输数据成为可能。UWB信号是通过基带信号传输数据的,无需射频调制和解调设备,因此,与传统窄带通信系统相比,系统复杂度低,易于实现100Mbps以上的高速宽带无线通信。直接序列扩频超宽带通信,即DS-UWB(direct sequence spread spectrum UWB)是一种多址接入调制方式,类似于直接序列扩频码分多址方式。本文对DS-UWB信号进行时域表达和频谱分析,为系统性能分析提供依据。1        DS-UWB信号的性能分析1.1 UWB信号的定义普遍接受的关于UWB的定义为,只要一个信号的 3dB绝对带宽大于500MHz或分数带宽大于20%,则这个信号就是超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射,分数带宽ff定义为:                                         (1)其中,fH 为功率谱最高频率,fL为功率谱最低频率。 (fH+fL)/2为功率谱的中心频率。因此分数带宽被定义为总带宽与中心频率的比值。1.2 高斯信号的特性   通常,多址通信UWB信号载体主要有方波脉冲,高斯形脉冲,Hermite脉冲和正交椭球波函数等。由于高斯形脉冲类似于单周正弦波,频谱结构中直流及接近直流的频谱成分较弱,有利于极窄脉冲信号的传输,接收端易于相关检测与识别,使用较多。基本高斯脉冲yg1(t)可表示为:                                                   (2)                                                     式中, , 是时间因数,K1是常数。对基本高斯函数进行一阶和二阶微分可分别得到高斯单周期脉冲(Gaussian monocycle)yg2(t)和高斯二阶脉冲(Gaussian doublet)yg3(t)。yg2(t)和yg3(t)可分别表示为:                                              (3)                                       (4)    图1给出了 =50ps时各阶高斯脉冲的时域,频域图。                               图1 高斯脉冲,高斯单周期脉冲,高斯二阶脉冲的时域频域图 通过(5)-(7)式我们可以计算信号带宽,例如图1中的例子,各阶高斯函数的带宽分别为Wg1=5.3GHz, Wg2=7.21GHz, Wg3=7.35GHz。而中心频率在3-10GHz之间,因此分数频率超过20%,是典型的UWB信号。我们可以根据系统设计和应用的不同需要,选择不同阶次的高斯信号。1.3 DS-UWB信号的时域表达UWB信号的多址接入方式主要有:基于频分复用的正交频分复用(OFDM-UWB)方式,时分复用(TDMA-UWB)方式和基于码分复用的直接序列扩频(DS-UWB),跳时码分复用(TH-UWB)等。这里仅对DS-UWB信号进行分析。直接序列扩频(DS-UWB)可以通过图2 DS-UWB 信号传输图                       


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1.4 DS-UWB信号的功率谱分析 从式(14)可以看出,DS-UWB信号的频谱由发送脉冲信号的频谱P(f)和编码频谱共同决定。注意到式(15)中Rd(m)是序列d的自相关函数,它是由待发送信号a和伪随机序列即PN码c相乘得到的,PN码的循环周期Ns越短,d的相关性就越强,Pc中的非0离散谱线就越多;相反,PN码的循环周期Ns越长,d的相关性就越差,Pc中的非0离散谱线就越弱,如果序列d中的信号互不相关,即Ns趋近于无穷大,则在m不为0时Rd(m) =0,这时Pc(f)将不依赖于f,DS-UWB信号将决定于p(t)。2        系统仿真图3-图5分别给出了Ns=10,100,10000时DS-UWB的功率谱密度的仿真结果。信号由高斯二阶序列表示。由仿真结果可以观察到,随着Ns的增大,信号的离散谱线变小,这样对其他通信系统的同频干扰和邻道干扰就越小,系统性能就越好,当Ns=10000时,这时相当于d的相关性接近于0,信号功率谱只有连续谱,没有离散谱,信号接近于白噪声,对其他信号的影响极小。但是Ns越大,系统同步时间越长,计算量越大,系统越复杂,实现越困难,因此Ns要根据工程实际适当选择。                                                            图4 DS-UWB信号的功率谱密度(Ns=100) 图5 DS-UWB信号的功率谱密度(Ns=10000)3       结论UWB通信由于其诸多优点,发展前景广阔,是目前研究的热点之一。本文介绍了UWB通信的主要特点,分析了作为UWB信号载体的高斯信号的时频域特性,说明该信号适合UWB通信系统。推导并分析了用于多址接入的DS-UWB信号的功率谱,指出DS-UWB信号的功率谱由发送脉冲信号的频谱和编码频谱共同决定,并且伪随机码周期越长,频谱越平坦。计算机仿真结果证实了这一结论。这一结果对于系统设计,多址接入的性能分析具有指导意义。  [1]M. Ghavami, L.B.Michael, R.Kohno. Ultra wideband signals and systems in communication engineering[M]. Hoboken,NJ:John Wiley & Sons, Ltd, 2004:25-31.[2]Maria-Gabriella, Di Benedetto, Guerino Giancola. Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentals[M]. New Jersey :Prentice Hall PTR,2004:124-138.                                                                                                                [3] Branimir R. Vojcic, Raymond L. Pickholtz. Direct-sequence code division multiple access for Ultra-wide bandwidth impulse radio[C]. Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003. IEEE Volume 2, 13-16 Oct. 2003 Page(s):898 - 902 Vol.2[4]Gupta. R,  Tewfik. A.H. Capacity of ultra-wideband OFDM[C]. Vehicular Technology Conference, 2003. VTC 2003-Spring. The 57th IEEE Semiannual Volume 2, 22-25 April 2003       Page(s):1420 - 1424 vol.2[5]Rao. R.M, Comaniciu. C, Lakshman. T.V. Call admission control in wireless multimedia networks[J] Signal Processing Magazine, IEEE Volume 21,  Issue 5,  Sept. 2004 Page(s):51 – 58[6]John G.Proakis.Digital communication third edition[M]. New York. McGraw-Hill,Inc. 1995:698-728


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