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1、摘 要UWB（超宽带无线通信技术）的核心是冲击无线电技术，它之所以成为无线通信领域关注的热点，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的，其带宽大于目前所有通信技术的带宽，抗干扰性能强、传输速率高，满足 10m之内的无线个人局域网。本文介绍了UWB的发展背景，并按照传输的数据从脉冲信号波形的产生、经信道传输、最后被接收机接收的路线进行了分析讨论。并对UWB接收机关键技术、UWB多址技术、 UWB的标准化进程等方面进行了论述。本文仅对UWB技术在无线个人局域网中的应用进行了分析，并提出了UWB技术的不足之处和解决方案，最后对UWB技术的开发和发展前景作了展望。关键词 超宽带无线通信技术，无线个
2、人局域网，多址技术，脉冲调制46ABSTRACTThe core of UWB (ultra-wide band) is shock radio technology, the reason that becomes the wireless correspondence domain attention the heatpoint, it decided together by the user demand and the UWB technology performance characteristic. Its band width is bigger than all communi
3、cation band width at present, the resistance to interference is more strong, the transmission speed is higher, satisfies in 10 meters of the wireless individual local area network.This article introduced the UWB development background, and according to the transmission the data from the pulse wavefo
4、rm production, course the channel transmission, finally the route which is received by the receiver has carried on the analysis discussion. And to the UWB receiver essential technology, UWB multi- sites technology, UWB standardized advancement and so on which has carried on the elaboration.This arti
5、cle has only analysis to the UWB technology in the wireless individual local area network application, and proposed the UWB technology deficiency and the solution, finally have made the forecast to the UWB technology development and the prospects for development.KEY WORDS Ultra-wide band wireless co
6、mmunication, wireless individual local area network, multi- sites technology, impulse modulation目 录前 言 1第1章 UWB技术背景 3 1.1 UWB 技术的历史3 1.2 什么是 UWB 3 1.3 UWB 的空间容量 6第2章 UWB 波形及调制技术 7 2.1 超宽带波形 7 2.2 脉冲调制方式 9 2.3 多频带脉冲调制10第3章 UWB 接收机关键技术113.1 Rake 接收机 113.2 定时同步技术123.3 信道估计技术13第4章 UWB 多址技术 14 4.1 TH-PPM
7、 多址方式 14 4.2 DS-CDMA 多址方式15 4.3 PCTH UWB 多址技术 16 4.4 多载波超宽带多址技术19第5章 UWB 的标准化进程及其应用18 5.1 UWB 信号的频谱管理19 5.2 UWB 的应用21 5.3 UWB 的不足与改进26第6章 UWB 的开发及发展前景26 6.1 超宽带天线的发展27 6.2 超宽带芯片设计27 6.3 超宽带商用产品开发28 64 发展与应用前景 29第7章 结论 29致谢 30参考文献 31附录一 一些主流WLAN/WPAN等标准和UWB技术的特点 32附录二 英文资料及其翻译 33前 言超宽带无线通信技术（UWB）是一种无
8、载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。UWB发出的脉冲电波直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因而大大减少了耗电量。UWB技术之所以成为无线通信领域关注的热点之一，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的。在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克
9、接收机合并多径信号能量并进行相干检测；信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度；多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信，这一点必须做到，并且必须保证不导致系统性能的降低。最常见的TH-PPM多址技术和DS-CDMA多址技术等，是进行用户分离的最佳多址技术。UWB接收机的研究与开发需要解决如下的关键技术：（1） 接收机技术 UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。（2） 同步技术 没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。（3） 信道估计 为了保证系统传输可靠性和功率效
10、率。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准限用于军用雷达的超宽带(UWB)技术可运用于民用产品上，同年4月，批准将3.1GHz和10.6GHz之间的免授权频段分配给UWB使用。自此，此项技术开始引起业界广泛关注。UWB在公共安全、军事效能、航空安全、医疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备与因特网之间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低
11、等，有可能成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。第1章 UWB技术背景1.1 UWB技术的历史对超宽带（UWB，Ultra-Wideband）无限技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)-冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来
12、确定： （1-1）然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其
13、中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。1表1-1 一些UWB里程碑事件1时 间人 物事 件19691984年Harmuth（美国天主教大学）发表“用于雷达和无线通信的非正弦波”19721987年Ross和Robbins（Sperry Rand公司）Van Etten（罗马空军实验室）发明用于雷达和通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等19802000年Fullerton(Tine Domain公司)McEwan(Lawrence Liver
14、more实验室)Morey(Geophysical Survey Systems公司)Young等（OSU公司）Beckener等（Power Spectra公司）基于雪崩晶体管的系统和天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机和采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳朵”和天线等堆砷化镓半导体开关管2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技
15、术和标准的研究与攻关。1 1.2什么是UWB？UWB的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看，信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。美国FCC对于UWB的定义为： （或者总带宽为500MHz） （1-2）式中，、分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率，为载波频率或中心频率。21.0 1.6 1.9 2.4 3.1 4 5 6 7 8 9 10.6 频率（GHz）功率802.11a802.11bHomeRFUWB信号GPSPCS微波炉，无绳电话，蓝牙与传统无线信号的重叠FCC第15部分的功率限
16、制图1-1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系1FCC规定UWB工作频谱位于3.110.6GHz。如图1-1所示, UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达-41.3dBm/MHz。如图1-2所示为在FCC条例下第15部分所规定使用的频谱限界。图中分为室内和室外使用两部分，其中的主要区别是：室外的带外部分具有较高的功率衰落程度，其目的就是要保护现有频段或相邻频段及其他设备免遭UWB信号较强的同频干扰。如避免对工作在中心频率为1.6GHz的GPS接收器构成较强的干扰。1-5
17、3.3)dBm/MHz(辐射功率EIRP 0.96 1.61 1.99 3.1 10.6 频率（GHz）-61.3-51.3-41.3-51.3-61.3-75.3-63.3室内室外图1-2 FCC对UWB通信与测量系统的限界规定1UWB与“窄带”或“宽带”系统有两点主要区别：第一,FCC定义的UWB的带宽大于其中心频率的20%或至少500MHz的带宽。如以下公式。 （1-3）式中为高端10dB下降点，为低端10dB下降点。而通常所说的“窄带”的带宽小于其中心频率的1%；“宽带”的带宽在1%至20%之间的范围内。显然，UWB的带宽要远远大于目前各类系统的带宽；第二，UWB技术主要是采用无载波方
18、式来实现，而传统的“窄带”或“宽带”系统均采用单频载波或多频载波对信号进行调制，即将信号的基带频谱搬移到所工作的载波频谱上。 1在时域上，脉冲的持续时间决定了信号在频域内所占据的带宽。脉冲越窄，频谱越宽。人们知道，在无线信道上，实时传输多媒体信息需要极大的带宽。如何提高传输系统的容量是人们特别关注的问题之一。香农的信息理论为我们寻找容量的突破奠定了理论基础。香农容量极限可用公式表示： （1-4）式中：C=信道容量（bit/s）；BW=信道带宽；SNR=P/BWN，信噪比；P=所接受的信号功率；N=噪声功率谱密度（W/Hz）。从上式可以看出，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。显然UWB
19、技术可以在极低的发射功率下传输非常高的数据数率。UWB技术的优势主要表现在10m内无线短距离通信。为了便于对比，体现UWB技术的综合优势，附表列出了目前短距离无线通信邻域一些主流标准和UWB技术的特点。一般情况下，经FCC对UWB功率谱做出规定之后，UWB对其他同频或邻频接收器的干扰非常小，通常其功率谱密度在热噪声水平之下。如图1-3所示，尽管FCC对UWB的带内功率和带外功率作了严格的限制，但是他对同一个频谱和相邻频谱的其他设备的干扰却是依然存在的。1UWB5MHz噪声功率级图1-3 UWB信号对其他无线信号的干扰 11.3 UWB的空间容量我们可以引入空间容量的概念来描述UWB的容量。空间
20、容量定义为单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量。这一参数可以比较客观地反映系统的容量。作为对比，下图绘出了几种短距离通信技术的空间容量。例如，对于蓝牙技术，典型辐射半径为10m，10个共存的1Mbit/s蓝牙系统的吞吐量为10Mbit/s，则其空间容量为 （1-5）UWB的空间容量可以达到1,其优势是非常明显的。150010000蓝牙2版？802.11a83802.11b1蓝牙1版30IEEE802.15.3？1000超宽带图1-4 各种短距离通信系统得空间容量1第2章 UWB波形及调制技术2.1 超宽带波形2.1.1 UWB信号模型UWB 系统发送的是纳秒级脉冲串,脉冲宽度Tm 远小于脉冲之间
21、的平均间隔Tf ,两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB 信号模型为: (2-1)其中，w(t)表示发送的单周期脉冲,、分别表示单脉冲的幅度与时延。22.1.2 高斯脉冲信号最简单、最通用的超宽带波形是单周期（Monocycle）脉冲信号，只所以称它为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形式。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。2高斯脉冲信号的表达如下： （2-2）其中，是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。考虑去直流分量以及上述天线的微分作用等因素，在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的微分形式： （2-3）其中，x代表微分次数。高斯脉冲的谱密度函数
22、如下： （2-4）它的功率谱密度如下： （2-5）相应的高斯脉冲的各次微分的功率密度的公式如下： （2-6）如图2-1所示为03次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图。2 （a） 高斯脉冲各次微分波形 （b） 高斯脉冲各次微分频谱图 2-1 高斯脉冲各次微分波形和频谱2上述脉冲信号是时间无限的，实际上不可能直接应用，必须截短，这牵涉到脉冲宽度的确定问题。如何确定脉冲的宽度，在不同应用场合有不同的要求，一般进行理论分析时，使用含有99.9%脉冲能量的区间作为脉冲宽度。22.1.3多周期（Polycycle）脉冲波形另一种产生超宽带脉冲的方法是使用一小段正弦信号，该信号由N个正弦周期组成。其表达式为
23、： （2-7） 其中，T是正弦波的周期，u(t)是阶跃信号，对于整数的N，脉冲信号的傅里叶变换式为： （2-8）可见，这种信号的频谱以正弦波频率为中心，并且主瓣宽度和正弦波周期数N成反比，当N4的时候，这种信号转化为窄带信号。多周期脉冲信号的这些特佂为频谱的灵活配置提供了便利，并且可以像传统通信系统一样使用频分多址技术。2 2.2 脉冲调制方式2.2.1 脉冲幅度调制（PAM）脉幅调制PAM是UWB信号的一种典型波形,其模型为: (2-9)其中, 是信息序列，是脉冲重复周期。当假设dj 是独立同分布的随机变量时,该信号的功率谱密度为： （2-10）其中， 是的付氏变换、分别为数据的方差及均值。
24、 由此可见,PAM信号的功率谱密度由连续谱与离散谱两部分组成。为了不影响其它使用同频段的系统,必须对UWB 信号的功率谱密度加以限制。于是离散谱的存在就会导致UWB 的总发射功率下降,所以应尽可能减小离散谱,最好使之为零。由式（2-10）知,离散谱线的幅值与数据的均值成正比, 故应尽可能减小。 根据dj 的不同取值,可将PAM调制方式分为以下几种:(1)OOK（开关键控）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: = 1，发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: = 0 。(2) PPAM（脉冲位置调制）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: =，发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: =。
25、且0 2 1 。(3)BPSK（二进制相位调制）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: = 1,发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: = - 1。这三种方式中只有BPSK方式的为0 ,故UWB的PAM调制方式多采用BPSK方式。32.3 多频带脉冲调制 Intel公司提出了多频带脉冲最典型的调制方式-频谱键控（SK，Spectral Keying）调制。在SK调制中，每个发送符号由许多脉冲组成，每个脉冲用不同频带发送，信息以不同频率的发送顺序编码在符号中。因为符号中所有脉冲具有正交频率，所以不同频带的多径信号不会互相影响，并且符号间隔扩大了若干倍。这样，将减少同频带多径信号的影响。假定表
26、示在第m个时间片的第i个符号的第n种顺序，是脉冲波形函数（持续时间小于秒），和是正弦函数的频率和相位因子，是频率总数，第i个传送符号可表示为： （2-11）发射信号序列可以表示为： （2-12） T是符号周期，；满足FCC的频率覆盖要求，可能的脉冲波形包括高斯，反正切和升余弦。2第3章 UWB接收机关键技术超宽带的信号传输受到大尺度路径损耗、阴影效应、小尺度多径衰落等因素的影响，因此，到达接收机的信号波形存在严重的失真；同时，信号还可能受到多址干扰、窄带干扰和背景噪声的影响。因此，UWB的研究与开发需要解决如下的关键技术：接收机技术；同步技术；信道估计。3.1 Rake接收机UWB系统的典型应
27、用环境为家庭、办公室等室内密集多径环境，多径信道的最大时延扩展达200 ns以上，可分辨多径数量与信号带宽成正比，通常高达几十至上百条。传统的宽带码分多址(WCDMA)系统利用伪随机扩频码的自相关特性分离多径信号，采用瑞克接收机捕获、合并可分辨的多径信号能量，从而提高系统在多径衰落信道中的性能。UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。由于UWB信号带宽相当大，收发天线和无线信道往往引起较严重的信号波形失真。若瑞克接收机仍然采用理想的脉冲波形作为相关器模板，系统性能将有很大的损失。因此，在UWB系统中，需要根据接收信号对瑞克接收机相关器模板进行估
28、计和修正。一种较为实用的方法是将实测得到的UWB脉冲波形作为相关器模板。3.1.1 频率选择性衰落信道下的Rake接收机UWB信道引入了频率选择性衰落，信道可用线性抽头延迟线建模。考虑这样一个抽头延迟线模型，其最大附和时延。假设，且保持无符号间串扰（ISI）和脉冲间干扰（IMI），并设信道状态在几个符号的持续间隔内保持不变。当信道为频率选择性衰落信道时，对于发信号的宽带特性，收信号r(t)具有内在的多径分集。在此情况下，Rake接收机可利用分集技术，从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形，以提高传输特性。各相关器输出的合并有不同的方式，以形成判决变量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MR
29、C）、选择式合并等。Rake 接收机的结构如图3-1所示。2线性合并 “0”或“1”图 3-1 Rake接收机框图23.2 定时同步技术同步定时对于任何数字通信系统来说都是根本的任务。没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。定时同步是UWB通信系统中至关重要的问题，定时偏差和抖动将严重影响接收机性能。一般定时同步分为捕获和跟踪两个阶段。在捕获阶段，要求接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时。在同步跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步。UWB信道的密集多径特征进一步增加了定时同步的可靠性。总体上讲，目前提出的UWB系统定时同步方法可以分为两大类：数据辅
30、助的定时同步(Data Aided)、盲定时同步(Non-data Aided)。数据辅助的同步方法借助于事先设计的导符号训练序列进行定时捕获和跟踪，采用的训练序列有M序列、Gold序列、巴克码等。结合判决反馈的方法可以进一步提高跟踪精度。这类同步方法的优点在于捕获速度较快、跟踪精度高，但在系统带宽效率和功率效率上付出较大的代价。盲定时同步借助于超宽带信号内在的循环平稳特征进行定时捕获和跟踪，不使用任何预知的训练符号。这种方法在系统带宽效率上高于数据辅助的同步方法，但捕获速度和同步性能会有所下降。上述两类同步方法都是采用滑动相关寻找峰值的办法，区别在于使用的相关器模板和先验信息。在高速无线个域
31、网(WPAN)等无线网络中，一般采用突发式的包传递模式。采用数据辅助的同步方法与并行搜索相结合是比较合理的选择。盲同步方法结合串行搜索比较适合于低成本、低功耗的低速网络。3.3 信道估计技术在数字通信系统中，若采用非相干检测则可以简化接收机复杂度，不需要进行复杂的信道估计。但非相干检测比相干检测有高达3 dB左右的性能损失，这对功率受限系统尤其难以接收。为了保证系统传输可靠性和功率效率，UWB系统一般采用相干检测，因此信道估计问题是UWB接收技术中的关键问题之一。在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克接收机合并多径信号能量并进行相干检测，信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度。在基于OFDM的
32、UWB系统中，接收机根据信道频域响应对每个子信道进行频域均衡后进行相干检测，信道估计问题即估计信道频域响应。UWB信道是典型的频率选择性衰落信道，在时域表现为多径弥散且呈现出多径成簇到达的现象。根据利用的先验信息分类，现有的信道估计方法分为：数据辅助(Data-aided)的信道估计、盲(Blind)信道估计。数据辅助的信道估计方法利用已知的训练符号进行信道估计，具有估计速度快的特点，但在频谱利用率和功率利用率上付出一定代价。盲信道估计不需要训练符号，利用信号自身的结构特点或数据信息内在的统计特征进行信道估计，但计算复杂度很高，收敛速度通常很慢。UWB系统的典型应用环境为室内，与数据传输速率相
33、比，信道的变化速度非常慢，可以看作准静态。因此，对于突发式的包传递模式，采用数据辅助的信道估计方法最为合适，仅需插入少量训练符号即可快速估计信道信息，配合判决反馈可进一步提高估计精度。盲信道估计则比较适合于连续传输模式的网络。第4章 UWB多址技术4.1 TH-PPM 多址方式4.1.1 TH-PPM UWB的信号波形TH-PPM（跳时脉冲位置调制）是用N_S个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。 典型的TH-PPM UWB 制信号波形如下： （4-1）其中，表示发送的单周期脉冲波形，上标（k）表示第k个发送用户。由式中看出，k用户发送的信号是
34、由偏移到特定时刻的单周期脉冲序列组成，其中第j个脉冲对应的时刻为：。（1） 脉冲序列由间隔的单周期脉冲组成，为帧周期或脉冲重复时间，典型的值约为单周期脉冲宽度的几百倍或几千倍。因此，直接由等间隔分布的单调周期脉冲构成多址信号时，它们之间容易发生碰撞，对系统容量是不利的。（2） 伪随机跳时码：为了减少多址通信中的碰撞概率，每个用户指定一个特定的脉冲偏移模式，称之为跳时码。跳时码是以为周期的周期伪随机码，即对任意的整数j和i，有，跳时码为脉冲序列提供了一个额外的时间偏移。跳时码的另一功能体现在将间隔为的谱密度变为间隔为的线谱密度，从而降低了功率谱密度。（3） 数据调制PPM以二进制数据调制为例，第
35、K个用户待发送的数据序列为，系统采用过采样调制，调制符号每隔Ns脉冲变化一次，数据调制使得伪随机跳时码调制的功率谱更加平滑。 24.1.2接收信号处理在多址系统中，当Nu个用户同时工作时，接收信号r(t)表示为： （4-2）其中，Ak表示发射机k的信号经路径传输后到达接收机的衰减；表示收发信机的时间延迟；n(t)表示加性高斯白噪声。在多址通信系统中，当多个用户同时工作时，上述判决准则已不是最佳的，此时最佳接收机应考虑多用户干扰情况，使结构变得非常复杂。接收机的原理图如图4-1所示。2图 4-1 TH-PPM接收机结构24.2 DS-CDMA多址方式4.2.1 DS-CDMA UWB的信号波形在
36、单载波DS-CDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制。用单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决无载波UWB存在较多低频分量问题。第K个用户CDMA扩频码传输波形为： （4-3）其中，表示传输的单周期脉冲；表示伪随机序列，每个用户PN序列的周期用Nc表示；Tf表示符号周期；Tc表示码片周期。则有Tf=NcTc。因此，用户K典型DS格式的发送信号表示为： （4-4）其中，表示数据符号，表示第k个用户的发送功率。 24.2.2 接收信号处理DS-CDMA UWB 的多址接收机结构与TH/PPM UWB接收机类似，也是基于假设检验理论的相干数据检测，采用相关器进行接收。为了分
37、析方便，假设接收机与发信机1传输的信号已建立同步。接收机框图如图4-2所示：2其中解调输出脉冲相关器积分器比较器码延时模版帧时钟同步链路选择 图 4-2 DS-UWB 多址接收机结构 24.3 PCTH UWB 多址技术伪混沌跳时方式PCTH调制的数据，产生非周期的混沌编码，用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化，PCTH不仅能减少对现有的无线通信系统的影响，而且不易被检测到。在PCTH系统中，在每个帧周期内，指定一个特定的脉冲位置，如图4-3所示。在每个间隔内，只传输一个脉冲，每个脉冲的位置可以是个离散时隙中的任一个，M即移位寄存器的长度。
38、在图4-4中，时隙的长度用表示，如果脉冲发生在一帧的前半部分，则表示0被传输，反之表示“1”被传输。 图 4-3 帧周期以及对应PPM调制的时隙示意图2PCTH接收机包含一个脉冲相关器、脉冲位置解调（PPD）与检测器。在简化情况下，对PPD的输出直接进行门限比较，即可检测出二进制信息比特。24.4 多载波超宽带多址技术4.4.1 几种多址技术比较在超宽带多用户通信系统中，最常见的TH-PPM多址技术和DSCDMA多址技术等，都是建立在扩频码和随机信道的统计特性基础上进行用户分离，把多址干扰看成了一种加性高斯噪声。在采用多用户检测的最佳接收机中，需要知道所有用户的信道状态信息，这给接收机的设计带
39、来了很大的难度。同时，多用户检测器的复杂度也十分可观，采用最小均方误差（MMSE）检测需要矩阵求逆运算，采用最大似然（ML）检测也要指数级的运算量。多址系统中采用的确知用户分离技术已在窄带系统中提出过。最近，此技术已被扩展应用到超宽带系统中。但该算法有两个限制条件：一是假设多用户间保持准同步；二是多径信道的延迟扩展必须限定在指定的范围内。24.4.2 系统模型假设一个包含M个用户的异步通信系统，每个用户的传输符号速率都相同，符号周期为Ts秒。每个用户采用相同的调制方式，以PAM为例，则第m个用户的发送的信号可表示为： （4-5）其中，表示m用户的第n个传输符号，表示m用户的频谱成形脉冲，它与m
40、有关。21. 偏移正交和频率划分理想情况下，如果不同用户间的信号相互正交，并且，经过信道传输后依然保持正交，则可以完全消除多用户干扰的影响。这就需要不同用户间的成形脉冲相互正交，并且经不同时间偏移的信道传输后仍然保持正交，即： （4-6）这里，等效为，我们称公式（4-6）为偏移正交条件。根据偏移正交公式不难看出，如果和的频谱不存在交叠，则该条件得到满足。即当且仅当两个信号的频谱互不重叠时，它们是偏移正交的。以上结论说明，要想使不同用户的信号经过信道传输后依然保持正交，则用户发送信号的频谱必须占用不同的频带，即频谱互不重叠。也就是说，要采用频分方式获得正交信号。22.多载波UWB的多址针对不同用户采用不同的频带，最常用的一种方式是采用频分多址（FDMA）系统，它将频带资源树簇划分后分配给不同的用户。在超宽带系统中，我们希望利用尽可能宽的频谱实现多径分集，因此，在频率划分时，将不同用户的宽带信号进行交错分配（保证不相互重叠）。 的傅里叶变换频谱表示为，其带宽近似为1/。用表示每个用户特定的载波频率，则频谱成形脉冲设计为：
