脉冲抖动谱平滑技术的研究及其在IR-UWB系统中的应用

论文摘要

脉冲超宽带无线电（Impulse Radio Ultra-wide Band, IR-UWB）通信技术是一种以占空比极低的窄脉冲作为信息载体来进行数据通信的无线电通信技术。因IR-UWB系统具有高速率，低功耗，低系统复杂度等众多独特的优势，因而在众多领域展现了广阔的应用前景。由于IR-UWB信号的带宽很宽，且频谱与其它窄带无线通信系统共享，这使得IR-UWB的通信容易影响到其它窄带无线通信系统。传统的UWB干扰分析认为UWB在非常宽的频带上呈现非常低的噪声谱特性，但是近年来的研究表明，IR-UWB的信号辐射功率谱中包含了大量的离散尖峰，且其幅值远远高于连续谱分量，因而，这些离散尖峰一旦被窄带接收机所捕获，将会对窄带系统产生较大的干扰。此外，为了避免这些高幅值的离散尖峰超过美国联邦通信委员会（Federal CommunicationsCommission, FCC）功率谱规范的限制，发射端不得不降低整个系统的发射功率，造成了系统频谱利用率低，信息传输可靠性差，通信距离短等不利因素。因此，如何在FCC功率谱规范的限制下优化发射信号的功率谱特征、提高系统发射功率等问题成为了一个主要的挑战。传统的IR-UWB信号功率谱优化技术主要集中在对基于跳时（Time Hopping, TH）技术和直接序列（Direct Sequence, DS）编码技术的IR-UWB系统设计和优化上。由于TH技术需要给待辐射的脉冲分配额外的切谱（Chip）时间，DS编码技术也需要对用户信息作较长的编码，因而会影响到用户信息的传输速率和系统实现的复杂度。针对这些问题，本文提出了一种新颖的适用于IR-UWB通信系统中优化信号辐射功率谱的解决方法，即脉冲抖动谱平滑技术，该技术利用了一个或多个随机变量来控制脉冲载波的频率，相位等参数，以实现脉冲载波的随机抖动，从而达到平滑信号辐射功率谱目的。由于它不需要像传统TH或DS技术那样给待辐射脉冲分配额外的切谱时间或信息码字，并且对于IR-UWB能量检测接收机而言，这种随机抖动还不需要额外检测或移除，因而具有较低的系统复杂度和较高的传输速率等优点。本文通过对脉冲抖动谱平滑技术的基本原理进行了理论的分析和计算机的仿真，初步验证了脉冲抖动谱平滑技术能够有效的优化IR-UWB信号的辐射功率谱特征，提高系统的发射功率，并进一步结合最新的码移参考（Code-Shifted Reference, CSR）IR-UWB通信技术，将脉冲相位抖动谱平滑技术应用到了CSR-IR-UWB系统中，最后理论分析和计算机仿真结果都表明CSR-IR-UWB系统的性能得到了较好的改善。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 UWB 研究背景
• 1.1.2 UWB 脉冲谱平滑技术的研究背景
• 1.2 与课题相关的国内外研究现状及问题评述
• 1.2.1 国内外的研究现状
• 1.2.2 存在问题的评述
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 本文的主要工作和内容框架
• 第二章 IR-UWB 信号分析
• 2.1 引言
• 2.2 UWB 信号脉冲波形
• 2.2.1 无载波脉冲波形
• 2.2.2 带载波脉冲波形
• 2.3 UWB 信号调制方式
• 2.3.1 脉冲位置调制（PPM）
• 2.3.2 脉冲幅度调制（PAM）
• 2.4 IR-UWB 信号功率谱分析
• 2.4.1 PPM-UWB 信号功率谱
• 2.4.2 PAM-UWB 信号功率谱
• 2.5 本章小结
• 第三章 IR-UWB 功率谱中离散尖峰的分析与抑制
• 3.1 引言
• 3.2 TH-PPM-UWB 的信号模型及其功率谱分析
• 3.2.1 TH-PPM-UWB 信号模型
• 3.2.2 TH-PPM-UWB 功率谱分析
• 3.3 TH-PPM-UWB 功率谱中离散尖峰的消除
• 3.3.1 利用 TH 码周期消除离散尖峰
• 3.3.2 利用 TH 码取值上限N h消除离散尖峰
• 3.4 DS-PAM-UWB 的信号的功率谱分析
• 3.5 DS-PAM-UWB 功率谱中离散尖峰的控制
• 3.5.1 设计编码信息序列
• 3.5.2 选用合适的脉冲重复频率（PRF）
• 3.6 TH 技术和 DS 技术消除离散尖峰性能的比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 一种脉冲载波随机抖动的谱平滑技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.2.1 基于带载波脉冲波形的 PPM-UWB 信号模型
• 4.2.2 基于带载波脉冲波形的 PPM-UWB 信号功率谱分析
• 4.3 脉冲抖动谱平滑技术的仿真分析
• 4.3.1 参数的定义
• 4.3.2 脉冲载波的频率抖动
• 4.3.3 脉冲载波的相位抖动
• 4.3.4 脉冲载波的频率与相位联合抖动
• 4.3.5 仿真性能比较
• 4.4 脉冲相位抖动谱平滑技术的性能分析
• 4.4.1 基于脉冲相位抖动的信号功率谱统一分析
• 4.4.2 服从均匀分布的连续相位抖动
• 4.4.3 服从高斯分布的连续相位抖动
• 4.4.4 服从均匀分布的离散相位抖动
• 4.4.5 服从均匀分布的脉冲极性抖动
• 4.4.6 性能比较及仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 脉冲抖动谱平滑技术在 CSR-IR-UWB 系统应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于脉冲抖动谱平滑技术的 CSR-IR-UWB 发射端设计
• 5.2.1 发射端结构设计
• 5.2.2 发射信号功率谱分析
• 5.2.3 离散尖峰的消除与发射功率的提高
• 5.2.4 发射端性能的计算机仿真
• 5.3 基于脉冲抖动谱平滑技术 CSR-IR-UWB 接收端分析
• 5.3.1 接收端模型
• 5.3.2 系统误码性能分析
• 5.3.3 接收端性能的计算机仿真
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 总结
• 致谢
• 附录
• 在学期间的研究成果以及发表的学术论文
• 个人简历、在学期间的研究成果以及发表的学术论文