1、 本科毕业设计 （ 20 届） 超宽带脉冲信号及其 Matlab 仿真 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 当今世界已经进入了飞速发展的信息时代，在这种背景下，超宽带无线通信技术即 UWB 技术引起人们的重视，并逐渐成为无线 通信领域研究和开发的一个新热点，其研究方向主要包括： UWB 雷达、 UWB 无线通信系统、定位识别、透视功能的 UWB 等等。其中脉冲波形设计和频谱控制是超宽带通信系统解决频谱共存和相互感染问题的关键。 论文首先 阐述了超宽带脉冲信号定义 及其 FCC频谱规范，然后详细对高斯脉冲、多周期正弦脉冲和高斯导
2、函数及线性组合脉冲进行了理论研究，借助 Matlab 软件，分析了不同参数对这三种脉冲的时域波形和频谱的影响。最后对三种波形的频谱特性 进行对比，得出高斯 导函数 脉冲具有超宽带无线电脉冲的特性，在各方面比其它脉冲 更 适合作为超宽带脉冲。 关键词： 超宽带通信系统； 频谱掩蔽 ； 高斯脉冲 - 2 - Abstract The world has entered a rapid development of the information age. In this context， UWB wireless communication technology is attracted by p
3、eople, and has become the field of wireless communications research and development of a new hot spot. There are many branches of UWB technology: UWB radar, UWB wireless personal communication system, position identification UWB, and so on. Pulse shape design and spectrum control is the most importa
4、nt key with the UWB communication system to resolve the problem of spectrum coexistence and mutual infection. The paper first describes the definition of UWB pulse and FCC spectral mask. Then the Gaussian pulse, multi-cycle sine pulse and Linear combination pulse are studied in detail. With the Matl
5、ab software, the effect of the different parameters to the three pulses in time domain waveforms and frequency spectrum are analyzed. Finally, the three pulse Waveform Spectrum are compared and a conclusion is deduced that Gaussian pulse has more acceptable to be the UWB pulse than others in all res
6、pects . Key Words: UWB communication system; spectral mask ; Gaussian pulse; - 3 - 目 录 1 引言 .1 2 UWB 信号定义和频谱规范 .3 2.1 UWB 信号定义 .3 2.2 UWB 信号频谱规范 .4 3 UWB 脉冲信号及其 Matlab 仿真 .6 3.1 Matlab 软件介绍 .6 3.2 高斯脉冲信号 .6 3.3 多周期脉冲波形 .10 3.3.1 加矩形窗的正弦周期脉冲 .10 3.3.2 加三角窗的正弦周期脉冲 .12 3.4 高斯导函数组合脉冲 .14 3.4.1 微分对高斯脉冲的影
7、响 .14 3.4.2 高斯二阶导函数的线性组合 .16 4 结论 .21 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .22 附录 Matlab 仿真程序 .23 1 引言 超宽带（ Ultra Wide-Band， UWB）技术之前 一直被应用在军事雷达及地质测绘通信，但很少用于无线近距离民用通信 ， 直到 2002 年 2 月美国 FCC 规定了民用 UWB 辐射功率掩摸将其解禁，超宽带在短距离无线通信应用领域所具有的显著优势吸引了越来越多的关注及应用。 无线连接为人们的移动生活方式带来了方便，作为现代消费者来说将会有越来越多的人会对各种电子产生兴趣，家庭也逐渐趋向于电子家庭，比如个人电
8、脑、数码录像机、 MP3 播放器、数码可携式摄像机、数码相机、高清晰电视、机项盒、游戏系统、掌上电脑、平板电脑、手机等都可以通过无线家庭局域网相互连接。正因为电子产品的需求量 不断的加大，而带来许多问题，如今的无线局域网和无线个域网技术不能满足未来大量消费电子设备对于高带宽的需求。这需求要有新的技术来满足。 UWB 无线技术开发将提供最佳的解决方案 1-2。 UWB 技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网 LAN 和个人领域 PAN 的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一
9、个具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优 点。 UWB 尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。 UWB 系统中， UWB 信号设计是一个主要的研究方向。这方面的研究主要集中在以下两个方面。一方面，由于天线对脉冲有整形作用，因此脉冲波形设计和天线设计密切相关，在设计 UWB 系统时需要协同设计天线和脉冲。另一方面，UWB 脉冲波形、扩频方式及其编码、以及调制方式共同决定了 UWB 系统在各种信道环境中的误码率性能，和系统与其它系统之间的相互干扰。因此，需要优化设计 UWB 信号以提高系统性能，降低相互干扰 3。 由
10、于 UWB 信号的宽带特性，它比窄带系统 有更高的数据传输速率，还有其它优点如无载波等等，硬件相对简单。 UWB 主要应用于短距离无线通信，既然系统的带宽是超带宽，如何控制其干扰引起人们很大的兴趣。 FCC 在 2002 年 2月发布报告，阐述了室内 UWB 信号应满足功率谱密度模板，但是，现在大多数常用的脉冲功率谱分布与发布的功率谱分布均有较大差异。例如单周期脉冲频谱，要么不满足所给的频谱模板，要么没有充分利用频谱，如何设计一种 UWB脉冲形状不仅满足 FCC 的频谱模板，而且能充分利用频谱资源成为一个重要问题。论文主要研究 UWB 系统中常用的超宽带脉冲波形，并利用 Matlab 软件进行
11、仿真，对各种波形的频谱进行分析，找出适合 UWB 系统且满足 FCC 频谱 要求的超宽带脉冲波形 3。 2 UWB 信号定义和频谱规范 2.1 UWB 信号定义 UWB 技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网 LAN 和个人域网的接口和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道衰弱不敏感；发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。 UWB 无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。现在的无线通信技术使用的通信载波是连续的电波，举例
12、来说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人的手上下移动形成连续的水流波形。所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信基本上都是如此：用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。然而 UWB 无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。 UWB 产品在工作时可以发送出大量非常短、非常快的能量脉冲。这些 脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的频谱。 从时域上描述，超宽带系统于传统的通信系统有区别。 UWB 是利用起落点的时域脉冲（几十 ns）直接实现调制，而一般的通信系统却是通过发送射频载波进行信号调制
13、。超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且用在这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。 从频域上描述，超宽带于传统的窄带和宽带有区别，它的频带更宽。一般把信号带宽与中心频率的比值称为相对带宽。 %,1 0 01 )(2%1 0 02/)1( 11 ffh ffffh ffB hhf 其中 fh 和 f1 为 10dB 的上限截止频率和下限截止频率。当 Bf20%为超宽带脉冲。同时 FCC 规定，如果信号带宽大于 500MHz，不论其相对带宽是否超过 20%都称为超宽带信号。 2.2 UWB 信号频谱规范 一般，超宽带无线电信号是与其他的无线电信号同时存在的，所以我们
14、必须减轻超宽带无线电信号对其他的通信系统的干扰，并控制在一定范围之内，也就是要求在任何一个规定频率上的空中接口处都必须拥有一个最大容许功率，该功率的值由辐射掩蔽（ emission mask）来确定。 用辐射 掩蔽设定的功率极限值是对于有效辐射功率来讲的，即某一频率范围的有效辐射功率（ EIRP），它就等于发射机的最大可用功率 PTX（即发射机能够提供给天线的最大功率）和发射天线增益 GAT 的乘积 4-6： ATTXGPEIRP (2-1) 如果发射机的输出阻抗 ZoTX 与天线的输入阻抗 ZAT 相等，即 ZoTX=ZAT ，那就满足最大功率的传输条件，即发射机的最大可用功率可以有效地传输
15、到天线上去。 另外一种控制辐射功率的方法是对场强 VS加以限制 。场强是指传播一定距离 D 后，等于自由空间的特性阻抗 ZFS的某一阻抗值要获得功率值 PTX 时所需的电压值。 ZFS跟自由空间的磁导率和介电常数有关，大约等于 377 。一般， ZFS与频率无关。场强与功率的关系如下 7： 22 4377 DVEIRP S (2-2) 式（ 2-2）定义的功率是平均功率。在二进制 IR 系统中，平均功率要在比特间隔 Tb 内进行计算。假设单个脉冲的能量为 Ep ，则代表一个比特的所有脉冲 的总能量为 NsEp，在 Tb=NsTs 假设下的平均功 Pav 就为： spsspsbpsav TETN
16、 ENT ENP (2-3) 式中， 1/Ts 指脉冲的重复频率。 从式（ 2-3）中看出，即使脉冲能量 Ep 不同，不同的信号还是可以通过改变脉冲的重复频率而产生相同的平均功率 Pav。 辐射掩蔽对辐射信号的功率谱密度加以限制，即对 EIRP 的频谱密度加以限制。但一般来说，在某一给定的频率处，辐射掩蔽是以功率值而不是以功率密度值推出的。事实上，在某一频率 fc 处辐射掩蔽的取值，表明了中心频率 fc 附近的测量带宽（ mb）范围内的最大容许 EIRP，我们用 EIRPmb 表示。只有当传输信号的带宽 B 等于测量带宽 mb 时，该功率才等于总的可容许 EIRP。则可以得到： 22 4377
17、 DVE IR PmbBE IR Pmb （ 2-4） 式（ 2-4）给出 EIRPmb作为带宽 B=mb 的信号的最大容许 EIRP 的一个正式定义。 当前， UWB 无线电通信中我们唯一可用的有关辐射掩蔽的标准是由美国FCC 制定的（ FCC， 2002），如表 2-1 所示。辐射掩蔽的具体值如图 2-1、 2-2 所示 8-9： 表 2-1 FCC 制定的室内和室外 UWB 设备的平均功率极限值 频率（ M） 室内 EIRPmb (dBm) 室外 EIRPmb (dBm) 0960 -43.1 -43.1 9601610 -75.3 -75.3 16101990 -53.3 -63.3
18、19903100 -51.3 -61.3 310010600 -41.3 -41.3 大于 10600 -51.3 -61.3 图 2-1 FCC 制定的室内 UWB 设备的平均功率极限值 图 2-2 FCC 制定的室外 UWB 设备的平均功率极限值 3 UWB 脉冲信号及其 Matlab 仿真 3.1 Matlab 软件介绍 Matlab 是矩阵实验室 (Matrix Laboratory)的简称，是美国 MathWorks 公司出品的商业教学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互环境，主要包括 Matlab 和 Simulink 两大部分 10。 Ma
19、tlab 是矩阵实验室（ Matrix laboratory）的简称，和 Mathematica、 Maple并称为三大数学软件。它是一高性能的技术计算语言，它有强大的数值计算和工程计算能力，强大 的科学数据可视化能力，强大的符号运算能力，还有多种工具箱。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 Matlab 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、链接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域 10。 Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故而 Matlab来解算问题要比用 C， FORTRAN， C+方便 。 用户 可以直接调用 程序 ，也可以将自己编写的实用程序导入到 Matlab函数库中方便自己以后调用 10。 3.2 高斯脉冲信号 高斯脉冲是传统的 UWB 脉冲，其时域表达式可表示为： 222221)( tetp (3-1) 式中 2 为高斯信号的方差。令 22 4a ，则 (3-1)式变换为： 2222)(ateatp (3-2) 适当选取 时，可使 p(t)成为一个合适的脉冲。 为了分析 对高斯脉冲的影响及高斯脉冲的时域、频域特性，借助 Matlab
