超宽带脉冲信号的波形设计研究

　　0　引言

　　在传统的通信系统中,信号成形往往在基带部分完成,借助正弦载波调制进行频谱搬移,以达到适应信道的目的。若能通过某种方法直接设计出与信道匹配的射频脉冲,则可省去正弦载波调制、解调等中间环节,达到简化系统复杂度的目的。这种方法被称为无载波信号成形,被应用于无载波UWB无线通信系统。

　　1　超宽带脉冲信号的波形设计

　　直接利用基带脉冲进行通信,收发信机结构简单,实现成本低,功耗低。但是在FCC关于UWB辐射功率谱的规定下,其频谱与功率有效利用率却不高。然而,这一问题可以通过基本脉冲波形的优化设计加以改善和解决。

　　1·1　UWB成形脉冲的优化

　　UWB无线通信脉冲发射波形的优化设计不仅能够大大提高UWB系统的位误码率(BER)性能,而且还可以优化UWB无线系统的设计、提高功率效率、降低干扰并使得UWB无线通信系统与其它传统的通信系统能够更好地共存。同时,在UWB系统设计中,由于要求UWB信号的功率谱密度必须严格限定在特定的辐射掩蔽之内,而信号功率谱的形状又主要取决于UWB脉冲的波形,因此,对UWB成形脉冲进行优化与设计研究就显得非常必要,具有非常重要的实际意义。按照FCC对超宽带的定义和频谱规划,信号必须具有大的绝对带宽或分数带宽,信号频谱必须符合规范要求,且辐射谱密度和带外辐射应严格符合FCC对超宽带系统的限制。因此,对超宽带脉冲信号的约束条件如下:

　　(1)符合UWB信号定义,-10 dB绝对带宽大于500 MHz或分数带宽大于20%;

　　(2)法定工作频段位于3.1~10.6 GHz,且脉冲能量应尽量集中于该频段;

　　(3)功率谱密度要符合限制:在全频域满足FCC辐射掩模的规定;

　　(4)为了使发射天线高效率地辐射功率,在UWB通信系统中所用的脉冲必须具有一个特征,即脉冲的直流分量为零或者低频分量上的能量尽可能地小。假设UWB成形脉冲波形及其频谱分别用p(t),p(f)表示,根据Parseval定理则应有：

　　(5)为了提高系统的接收性能,应尽可能地利用频谱模板所允许的带宽和功率。1·2　超宽带成形信号的性能评价传统窄带无线通信系统的主要受限因素为带宽,因此系统设计的主要优化目标为频谱利用率。而超宽带系统可用频谱资源非常丰富,其主要受限因素为辐射功率。根据FCC对室内超宽带系统的辐射谱密度限制,若成形脉冲3.1~10.6 GHz频段全部覆盖,则脉冲的最大允许总功率仅为0·556 mW,用分贝表示为-2.55 dBm。因此,超宽带系统的主要优化目标为功率利用率。随着传输距离的增加,接收信号功率呈指数下降。因此,在满足FCC约束条件的前提下,提高超宽带系统的辐射功率对通信距离和传输可靠性至关重要。为了评价和对比超宽带成形信号的性能,可以采用以下几个指标: