直接序列超宽带系统的脉冲波形研究

论文摘要

由于超宽带技术能够与其它通信系统共享频谱资源,所以当FCC在2002年2月开放超宽带技术在民用领域的应用后,引起了超宽带技术的研究热潮。超宽带技术首要解决的问题是避免对其它通信系统产生干扰,基本标准是系统的能量辐射满足FCC的辐射限制。脉冲波形在脉冲方式超宽带系统的能量辐射中起决定作用。因此,脉冲波形设计是超宽带的一项关键技术,同时,设计既时限又频限,满足FCC频谱掩蔽且频谱利用率高的脉冲波形是一项具有挑战性的工作。本文对脉冲方式超宽带系统的脉冲波形展开研究,以FCC频谱掩蔽为基本衡量标准,按照从时域到频域和从频域到时域的两种设计模式,研究超宽带脉冲波形的设计方法,并进行具体的脉冲波形设计;研究超宽带脉冲对系统性能的影响,系统地研究了所设计脉冲的系统误码率和多址容量。本文的主要工作和研究成果如下:（1）超宽带实现技术的研究:在研究了IR-UWB、DS-UWB和MB-UWB三种制式的超宽带系统的原理、技术特点的基础上,研究三种制式超宽带信号功率谱密度对FCC的辐射掩蔽的适应性,得到DS-UWB和MB-UWB适合于高速通信,IR-UWB不适合于高速通信只适用于成像系统和探地雷达的结论;综合分析和比较系统的成本、功耗、干扰性以及误码率等性能,得到DS-UWB在实现复杂性、系统误码率和适应FCC的辐射限制方面优于MB-UWB的结论。这些结论对超宽带技术的研究具有指导意义。（2）基于时域的超宽带脉冲波形研究:论文提出了超宽带脉冲的基本设计原则,该原则比原有的仅匹配FCC频谱掩蔽更全面;在从时域到频域优化设计UWB脉冲方面,提出使脉冲最佳匹配FCC频谱掩蔽最小差值积分算法,与最小方差算法相比,实现简单,运行速度快;通过全面、深入地研究现有各种脉冲波形的时域特性、频域特性以及匹配FCC频谱掩蔽的程度,提出一种适合于直接序列超宽带系统的脉冲波形,按照最小差值积分法优化了该脉冲参数;运用优化组合方法,给出了复杂度稍高但FCC频谱匹配度更高的组合脉冲形式的超宽带脉冲。与传统的超宽带脉冲相比,它们具有实现简单、频谱利用率高的优点。（3）基于频域的超宽带脉冲波形的研究:通过研究现有的从频域到时域的UWB脉冲设计方法,提出了新的超宽带设计方法——直接频域法,该方法可灵活适应不同国家的UWB辐射限制,用此方法设计的超宽带脉冲在频谱利用率、干扰性、保密性方面具有优势。论文按此方法为直接序列超宽带系统设计出了两个超宽带脉冲——平方根升余弦脉冲和升余弦脉冲,它们在频谱利用率、干扰性、保密性方面明显优于现有的超宽带脉冲。（4）不同脉冲波形下超宽带系统的性能研究:论文分析了IEEE推荐的UWB无线多径信道模型,建立了直接序列超宽带系统模型,仿真实验了不同脉冲的直接序列超宽带系统在多径信道下的系统误码率,实验结果表明:所设计的超宽带脉冲在多径信道下的误码率性能优于传统脉冲。理论推导出本文的多用户直接序列超宽带系统的误码率公式,得到多用户干扰MUI受用户数量、数据比特率、脉冲波形的自相关函数等因素影响的重要结论,该结论对超宽带脉冲设计具有指导意义。根据理论推导的误码率公式分析和仿真实验,均得到基于时域设计的组合脉冲和基于频域设计的升余弦脉冲在多用户下的误码率性能和多址容量优于传统的Scholtz脉冲和近似扁长椭球波脉冲。综合各方面的性能,本文所设计的四种脉冲均可用于直接序列超宽带系统。其中,基于时域设计的单脉冲适合于系统成本要求低、0～4米LOS信道的应用场合;基于时域设计的组合脉冲适合于对多址容量要求很高的系统,尤其适合于多址容量要求很高的0～4米NLOS信道的应用场合;升余弦脉冲和平方根升余弦脉冲适合于对多址容量、误码率、干扰性、保密性等各项指标综合要求高的系统,平方根升余弦脉冲尤其适合于综合指标要求高的0～4米LOS信道的应用场合,升余弦脉冲尤其适合于综合指标要求高的4～10米NLOS信道和很差的NLOS信道应用场合。这些结论对直接序列超宽带系统的脉冲波形设计具有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超宽带技术的发展概况
• 1.2.2 超宽带脉冲的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本文的结构安排
• 第2章 超宽带技术概述
• 2.1 超宽带定义及规范
• 2.2 超宽带技术的特点
• 2.3 现有的超宽带实现技术
• 2.3.1 IR-UWB
• 2.3.2 DS-UWB
• 2.3.3 MB-UWB
• 2.4 超宽带的应用前景
• 2.5 超宽带的重点研究内容
• 2.6 本章小结
• 第3章 超宽带实现技术的研究
• 3.1 IR-UWB
• 3.1.1 IR-UWB系统原理
• 3.1.2 IR-UWB的特点分析
• 3.2 DS-UWB
• 3.2.1 DS-UWB系统原理
• 3.2.2 DS-UWB特点分析
• 3.3 MB-UWB
• 3.3.1 MB-UWB系统原理
• 3.3.2 MB-UWB特点分析
• 3.4 三种超宽带实现技术的对比分析
• 3.4.1 基本指标分析
• 3.4.2 对已有通信系统的干扰性分析
• 3.4.3 系统误码率的分析
• 3.5 本文的超宽带系统方案的确定
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于时域的超宽带脉冲波形研究
• 4.1 超宽带脉冲的设计原则
• 4.2 高斯脉冲及其高阶导数的分析
• 4.2.1 高斯脉冲的时域和频域特性
• 4.2.2 高斯脉冲的导数的时域和频域特性
• 4.2.3 高斯脉冲及其导数对FCC能量谱限制的适应性
• 4.2.4 高斯脉冲的研究现状（已有的高斯脉冲种类）
• 4.3 Rayleigh脉冲分析
• 4.4 小波脉冲分析
• 4.4.1 Morlet小波
• 4.4.2 Mexican hat小波
• 4.4.3 其它小波
• 4.4.4 小结
• 4.5 Hermite脉冲分析
• 4.6 频谱匹配与脉冲优化
• 4.7 基于时域的超宽带脉冲设计
• 4.7.1 基本脉冲波形的设计
• 4.7.2 脉冲优化与脉冲组合设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于频域的超宽带脉冲波形研究
• 5.1 超宽带脉冲设计所面临的挑战
• 5.2 B.Parr的超宽带脉冲设计思想
• 5.3 扁长椭球波函数理论
• 5.4 扁长椭球波函数的求解
• 5.4.1 B.Parr的数字求解（离散求解）
• 5.4.2 扁长椭球波函数的数值近似求解
• 5.5 直接频域设计法
• 5.6 基于直接频域法的超宽带脉冲设计
• 5.6.1 超宽带脉冲表达式的求取
• 5.6.2 参数的确定
• 5.6.3 基于直接频域法的简化设计
• 5.7 FCC频谱掩蔽的匹配程度比较
• 5.8 本章小结
• 第6章 不同脉冲波形下超宽带系统的性能仿真研究
• 6.1 AWGN信道下不同脉冲的系统误码率仿真分析
• 6.1.1 系统模型的建立
• 6.1.2 六种脉冲的表达式
• 6.1.3 仿真结果及比较
• 6.2 多径信道下不同脉冲波形的系统误码率仿真与分析
• 6.2.1 多径信道模型
• 6.2.2 多径下的接收机模型
• 6.2.3 仿真结果及分析
• 6.3 多用户下的系统误码率和系统容量分析
• 6.3.1 多用户直接序列超宽带系统性能的理论分析
• 6.3.2 多用户直接序列超宽带系统性能的仿真分析
• 6.4 六种脉冲的综合比较
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文的主要工作和研究成果
• 7.2 下一阶段工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文