DS-UWB信号分析(1)
2014-12-07 01:38
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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
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
