4 超宽带无线的调制技术
发射超宽带（uwb）信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”（impulse radio,简写为ir）。信息数据符号对脉冲进行调制，其调制方式可以有多种。脉冲位置调制（ppm）和脉冲幅度调制（pam）是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生的信号的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声（pn）对数据符号进行编码。一般是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是所谓的跳时超宽带（th-uwb，time-hopping uwb）。直接序列扩谱（ds-ss）就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制，这在冲激无线电（ir）中被称为直接序列超宽带（ds-uwb，direct-sequence uwb），这种调制方式似乎非常有吸引力[1]。
对于超宽带信号，也可以通过很高的数据速率来产生而根本不需要具备脉冲的特性。只要uwb定义所要求的相对带宽或最小带宽在整个传输过程中得到满足，那么，靠发射高速率数据而不是窄脉冲所产生的具有uwb射频带宽的系统，就不应该被排除在uwb系统之外。诸如正交频分复用（ofdm），在数据速率适当的情况下也可产生uwb信号。因此，ofdm也是一种超宽带的调制方式。
本文主要讨论th-uwb、ds-uwb和ofdm调制方式。
4.1 ppm-th-uwb 调制方式
4.1.1 跳时超宽带信号的产生
在结合了二进制ppm的th-uwb(二进制ppm-th-uwb或者ppm-th-uwb)中,uwb信号的产生可以系统地描述如下(参见图4-1描绘的发射链路) [1]。WWW.11665.cOM
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图4-1 ppm-th-uwb信号的发射方案
给定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率rb=1/tb (b/s)，图4-1中的第一个模块使每个比特重复ns次，产生一个二进制序列：
(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=
(...,a0,a1,…aj,aj+1,…)=a
新的比特速率rcb=ns/tb=1/ts (b/s)。这个模块引入了冗余，其实是一种被称为重复码的(ns,1)分组编码器。一般术语上称为信道编码。
第二个模块是传输编码器，就是应用整数值码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)和二进制序列a=(…,a0,a1,…,aj,aj+1,…),产生一个新序列d，序列d的一般元素表达式如下：
dj=cjtc+aj
（4-1）
式中,tc和 是常量，对所有的cj满足条件cjtc+ <ts，通常 <tc。
这里的d是一个实数值序列，而a是二进制序列，c是整数值序列.现在我们遵循最常用的方法，假定c是企业界随机码序列，它的元素cj是整数，且满足
0
cj nh-1。 码序列c可能为周期序列，其周期表示为np。两种特殊情况值得讨论。第一种,码是非周期的，即 
；第二种是np=ns，这是最常用的一种，这时的编码周期与二进制码重复的次数相等。我们必须牢记：传输编码扮演了码分多址编码和发射信号的频谱形成双重角色[1]。
实数值序列d输入到第三个模块，即ppm调制模块，产生了一个速率为rp=ns/tb=1/ts(脉冲/s)的单位脉冲(dirac pulses 
) 序列。这些脉冲在时间轴上的位置为
，因此脉冲位置在jts基础上偏移了dj，脉冲的发生时间也可表示为( 
)。注意是码序列对c信号引入了th位移，也正因为此，c被称为th码。还要注意一点就是由ppm调制引起的位移 
，通常比th码引起的位移cjtc小得多，即：
，cj=0除外。tc称为码片时间(chip time)。
最后一个模块是脉冲形成滤波器，其冲激响应为。必须保证脉冲形成滤波器输出的脉冲序列不能有任何的重叠。
以上所有系统级联以后的输出信号
可表示如下：
(4-2)
比特间隔或比特持续时间，也即用于传输一个比特的时间tb，可表示为：tb=nsts。在式(4-2)中，cjtc定义了脉冲的随机性或者说是相对于ts整数倍时刻的抖动。如果用随机th抖动 
来表示由th编码cjtc引起的时间上的位移，并假定 在0和
之间分布，则可得到：
(4-3)
正如前面提到的， 通常远大于 。这两个量的整体效果是产生一个分布在0和
之间的时间随机位移量，用 
表示这个时间随机位移，可得发射信号的如下表达式：
(4-4)
更一般性地概括式(4-2)所表示的信号，其思想是：对于信息比特“0”和“1”，可以发射两个不同的脉冲波形 
和 
来分别表示。上面分析的ppm调制的例子，引入了 这个时间位移量，它的值根据它所代表的比特而有所不同，其实是上述思想的特殊例子，其中的 是 位移以后的波形。一种更一般的表达式：
(4-5)
当将 设置为- 时，式(4-5)也表示了pam和th-uwb的结合，即pam-th-uwb模型[1]。
4.1.2 ppm-th-uwb的发射链路
系统模型如图4-2所示
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图4-2 ppm-th-uwb 发射器的系统模型
图4-2中的第一个模块表示二进制源。这个模块的输出是发射到物理信道的二进制流。第二个模块表示重复码编码器。二进制流的每一个比特都被重复次。第三个模块仿真th编码和二进ppm。这里考虑伪随机th码。最后一个模块是脉冲形成。这个模块的冲激响应表示要发射的uwb信号的基本脉冲波形[1]。
4.1.3 ppm-th-uwb 仿真结果及其分析
图（4-3）显示了参数设置如下时所产生的uwb信号
以dbm为单位的平均发射功率pow， 信号的抽样频率fc， 由二进制源产生的比特数numbits， 平均脉冲重复时间ts（单位为秒），每个比特映射的脉冲数ns， 码片时间tc（秒）， 跳时码的码元最大值nh和周期np，冲激响应持续时间tm, 脉冲波形形成因子tau（秒）， ppm时移dppm（秒）。
stx: pow=-30, fc=50e9, numbits =2, ts=3e-9, ns=5,
tc=1e-9, nh=3, np=5, tm=0.5e-9, tau=0.25e-9,
dppm=0.5e-9
由图4-3中可以看到输出序列的前五个脉冲在其对应时隙的中间位置，而后五个脉冲则在其对应时隙的起始位置。
图4-3 ppm-th-uwb 发射机产生的信号
图4-4 ppm-th-uwb的幅度谱
由图4-4可以看出，th编码和ppm调制都对幅度谱的高斯形状产生扭曲。ppm-th-uwb信号的幅度谱将完全包含在无th编码和无ppm调制的幅度谱包络中，这是因为以同样的形状和同样的平均功率传输等间隔脉冲的结果。
4.2 pam-ds-uwb调制方式
4.2.1 直接序列超宽带信号的产生
直接序列扩谱（ds-ss）是一种著名的数字调制方式。这里，我们先回顾ds-ss的基本原理，并把主要精力放在它在uwb的延伸方面。
具有uwb特性的信号可以通过下面的过程产生：首先，用伪随机码或二进制pn码序列对要发射的二进制进行编码；其次，对一串窄脉冲进行幅度调制。这一过程可以看做是目前使用ds-ss系统的一种极端方式，此时脉冲在时域上是具有典型时间的奈奎斯特型脉冲或方波。让脉冲宽度远远小于切普间隔，很容易得到ds-ss-uwb的解析表达式。在传统的ds-ss系统中，rf发射信号是对载波进行幅度调制后得到的，通常使用二进制相移键控bpsk方式。而在ds-uwb中，如果没有专门的要求，这一过程可省略。[1]
更详细地，上述信号可以通过如下过程产生（见图所示发射链路）。
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图4-5 pam-ds-uwb 信号的发射方案
假定待发射的二进制序列b=(…,b0,b1,…,bk,bk+1,…)，其速率为rb=1/tb (b/s)，图4-5中的第一个系统将每个比特重复ns次，得到序列：(…,b0,b0,…,b0,b1,b1,…,b1,…,bk,bk,…,bk,bk+1,bk+1,…,bk+1,…)=a*，其速率为rcb=ns/tb=1/ts (b/s)。与th方式相似，系统引入的冗余相当于一个参数为(ns,1)的重复码编码器。
第二个系统将a*序列转换成只含有正值和负值元素的序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，转换公式为：( 
).
发射编码器将一个由 1组成、周期为np的二进制码序列c=(…,c0,c1,…,cj,cj+1,…)应用到序列a=(…,a0,…,a1,…,aj,aj+1,…)，产生一个新序列d=a·c，其组成元素dj=ajcj。通常假定np等于ns，更具一般性的假定是np等于ns的整数倍。注意，序列d的元素值为 1，这一点与序列a相同，其速率为rc=ns/tb=1/ts (b/s)。
序列d进入第三个系统——pam调制器，产生一个速率为rp=ns/tb=1/ts （脉冲/s）的单位脉冲（dirac脉冲 ）序列，其位置在jts处[6]。
调制器输出的信号进入冲洲响应为p(t)的脉冲形成滤波器。在传统的ds-ss系统中，冲激响应p(t)是持续时间为ts的矩形脉冲。而在ds-uwb系统中，与th方式相似，p(t)是持续时间远小于ts的脉冲。
以上系统级联后的输出信号可以表示为
(4-6)
注意，与th方式相似，比特间隔或比特持续时间，即传输一个比特所用的时间是tb=nsts。
输出的波形显然是一个pam波形。很容易知道，由于没有时移而且脉冲以规则的时间间隔出现，计算式(4-6)所示信号的psd要比计算式(4-2)所示信号的psd更容易。
上述方式的一种变形是使用ppm调制器代替pam调制器，得到的信号可表示为：
(4-7)
注意到在式(4-7)中，由于码的伪随机特性，编码会起到白化频谱的作用。
4.2.2 pam-ds-uwb 发射链路
其系统模型如图4-6所示.
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图4-6 pam-ds-uwb 发射机系统模型
图4-6中的前两个模块分别表示二进制源和重复码编码器。第三个模块是在重复码编码器的输出端实现ds编码和二进制pam调制。我们考虑伪随机ds码，分配给一般用户的是长度为np的二进制码序列。最后一个模块是脉冲形成器[1]。
4.2.3 pam-ds-uwb 仿真结果及其分析
图4- 7 由pam-ds-uwb发射机产生的信号
图（4-7）显示了参数设置如下时所产生的uwb信号
以dbm为单位的平均发射功率pow， 信号的抽样频率fc， 由二进制源产生的比特数numbits， 平均脉冲重复时间ts（单位为秒），每个比特映射的脉冲数ns， 码片时间tc（秒）， 跳时码的码元最大值nh和周期np，冲激响应持续时间tm, 脉冲波形形成因子tau（秒）， ppm时移dppm（秒）。
stx: pow=-30, fc=50e9, numbits =2, ts=2e-9,
ns=10, np=10, tm=0.5e-9,
tau=0.25e-9,
这个信号由两组脉冲序列组成，每组包含10个脉冲，每组映射信息源的一个比特。从图4-7中可以看出每二组的10个脉冲与第一组的10个脉冲在极性上是相反的。
图4-8 pam-ds-uwb的幅度谱
由图4-8可以看出，幅度谱的包络具有基本脉冲的傅氏变换的形状，即高斯形状。且np（信号每比特发射脉冲数）值越大，图形分布越宽，即幅度峰值越小。
4.3 ofdm调制技术
4．3．1 概述
多频带（mb）方式与本章前两节分析研究的ir原理不同。根据2002年，fcc公布的uwb定义，带宽超过500mhz的信号都是uwb信号。因此，按照fcc规定的频带范围3.1~10.6ghz，将此7.5 ghz的带宽分割成最小带宽为500mhz的若干个频带。为了尽量减小同窄带通信系统的相互干扰，uwb采用较小的功率，于是uwb信号对于窄带通信系统来说相当于热噪声，并不被窄带通信系统的接收机检测到，也可以避免特定频带上的非人为干扰[1]。
在每个子频带内可以使用不同的数据调制类型，并不一定要用ir方式，正确的频谱带宽可以通过合适的比特速率实现。应用最广泛的是众所周知的正交频分复用（ofdm）。
4．3．2 多频段ofdm-uwb信号产生
一个已调的ofdm信号由调制在不同载波频率 
上的同个并行发射的信号组成。这些载波等间隔地位于频域上，其间隔为
。ofdm调制器输入的二进制序列每k比特编为一组，以产生具有n个符号的数据块{
}，这里假定 
是l个可能的取值中的一个，k=n1bl。最后，每个符号调制一个不同的载波。为了并行传输数据块的n个符号，不同的调制载波信号在频率上必须正交[8]。
所有调制器使用相同的矩形波，其持续时间为t：
（4-8）
如果符号 在星座图中的点用 
表示，ofdm信号中有n个符号的数据块的表达式如下[1]：
（4-9）
而相应的复包络是
（4-10）
其中
，s（t）是周期为t0的周期函数。
式（4-9）中ofdm信号的数字变换相当于传输式（4-10）中复数包络的抽样值，也就是说传输序列可表示如下：
（4-11）
tc是抽样周期。
仿真ofdm调制信号，考虑的是ofdm各个载波使用qpsk调制的情况。仿真整个发射链路，产生式（4-9）的信号。
4．3．3 ofdm仿真结果及其分析
要发射的总比特数numbits； 调制信号的中心频率fp； 抽样频率fc； 每个符号在其相应载波上的传输时间t0； 循环前缀的持续时间tp；保护间隔时间tg， 矩形脉冲响应的幅度为a， ofdm系统的子载波数n。
(1) numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; t0=242.4e-9;
tp=60.6e-9; tg=70.1e-9; a=1; n=4;
图4-9 ofdm-uwb信号
图4-10 ofdm-uwb幅度谱
图4-10中的幅度谱由子载波的幅度谱叠加而成。
(2)numbits=8； fp=1e9; fc=50e9; t0=242.4e-9;
tp=0; tg=50e-9; a=1; n=2;
图4-11 ofdm-uwb信号图
图4-11 ofdm-uwb信号幅度谱
对比以上两图，可以看出，在同样的时间里为了传输更多的符号，是以增加带宽为代价的，也就是增加子载波的数量。
4.4 总结
通过一系列的仿真,我们可以得出以下结论:pam、ppm两种调制方法主要是为了进行信息数据符号对脉冲的调制，而信号中的伪随机th码和ds码主要是为了产生信号的频谱，使信号的功率谱密度在采用伪随机码调制后变得更加平滑，不能干扰到其它已经存在的窄带系统[9]。
ofdm具有良好的抗多径干扰性能，通过频率的合理选择，能够同现存的窄带系统和开放频段的通信系统具有很好的共存性，同传统的超宽带系统相比有很大的优势[11]。
5 性能分析及应用前景
5.1 脉位调制(ppm)和脉幅调制(pam)
脉位调制(ppm)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号的状态数可以分为二进制ppm(2ppm)和多进制(mppm)。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或m个，脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的ppm和正交ppm（oppm）。在部分重叠的ppm中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在oppm中，通常以脉冲宽度为间隔确定脉冲位置。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于uwb系统的复杂度和功率限制，实际应用中，常用的调制方式为2ppm或2oppm[3]。
ppm的优点在于：它仅需要根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，ppm是uwb系统广泛采用的调制方式。但是，由于ppm信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。对此超宽带信号的幅度谱仿真也证明了这一点。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足fcc对辐射谱的要求[10]。
脉幅调制（pam）是数据通信系统最为常用的调制方式之一。在uwb系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制pam（mpam）。uwb系统常用的pam有两种方式：开关键控（ook）和二进制相移键控（bpsk）。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性[3]。
当发射能量相同时，使用二进制pam调制的信号可以比使用二进制ppm调制的信号获得更好的性能。
5.2 ofdm调制
ofdm有很多优点：能够提供较大的系统容量，具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件，能够适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，可提供灵活的高速和变速综合数据传输可以实现较高的安全传输性能，允许数据在复数的高速的射频上被编码。由于ofdm技术的良好性能使得它在无线通信系统中得到了广泛的应用[12]。
ofdm技术是将频道资源分成若干个子信道，每个子信带再采用一定的调制技术，提高频率利用率。ofdm可与ppm、pam等结合使用，将会有性能更好的调制技术出现。
5.3 uwb的应用前景
超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来，人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步，尤其是在超宽带无线产生领域的技术进步，使超宽带通信成为无线网络的重要组成部分成为可能。
相对于传统的窄带无线通信系统，超宽带无线产生系统具有诸多优点和潜力，使超宽带无线产生成为中短距无线网络的理想接入技术。根据产生速率不同，挤兑超宽带无线传输系统也具有不同的特点和应用领域。
利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能，可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的wpan或wlan，并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。
利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能，可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。该系统包括传输距离远（通信速率低）、颁布式移动定位、便携、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特点。因而可以广泛用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。利用超宽带脉冲信号低截获概率、保密性高和体积小的优点，该系统还可以应用与侦察、情报收集、伤员救护、武器制导等军事领域[8]。
超宽带信号具有很低的辐射功率，而这样的辐射功率分布在某些方面ghz的频率范围内，功率谱密度极低，类似白噪声频谱，具有低干扰、低截获概率特性；同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频，接收端必须已知发射端扩频码的条件下才能解调出发射数据来，加上它对多径干扰具有很好的鲁棒特性，非常适合在军事保密通信的应用。非常低的辐射功率可以避免过量的电磁波对人体的伤害[7]。
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