基于SAW器件的超宽带无线通信系统设计

基于线性调频脉冲压缩技术的超宽带通信系统设计张文杰，王艳芬（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）摘要：基于线性调频脉冲压缩技术产生的线性调频信号具有良好的自相关性以及匹配滤波后尖锐的时域特性，本文将该技术用于超宽带无线通信，研究了线性调频信号频谱结构，设计了线性调频调制的超宽带无线通信系统，并对该系统的各点波形和传输特性进行了仿真。结果表明Chirp信号的频谱能很好的满足FCC对UWB辐射掩蔽的限制，信号具有较高的频谱利用率。在满足一定误码率的情况下，信号传输距离可以达到900米。关键词：超宽带；线性调频扩展频谱；声表面波；线性调频信号中图分类号:TN92秒年UltrawidebandwirelesscommunicationsystemdesignbasedoncompressedchirpZHANGWen-Jie,WANGYan-Fen(SchoolofInfor.andElectr.Engineering,ChinaUniversityofMiningTechnology,Xuzhou,Jiangsu221008)Abstract:Withtheexcellentautocorrelationandkeenedgedtimepropertyafterthematchedfilterofchirp.ThechirpspreadspectrumtechniqueappliedforUltra-Widebandbasedoncompressedchirp.WepresentedthespectrumandpresentedtheCSSUWBwirelesscommunicationsystem.Simulateeachwaveandthetransmitcharacteristicofthissystem.Thesimulationresultsshowthatthepowerspectraldensitydistribution(PSD)ofthepulsegeneratedherecancomplywithFCCemissionmaskregulationsonUWB,andthispulsehasveryhighspectrumutilizationratio.Thesignaltransmitdistancecanachieve900meters.Keyword:UWB;ChirpSpreadSpectrum；Surfaceacousticwave;Chirp1.引言超宽带（UWB）通信是利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信的一种技术。窄脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯波形、厄密特脉冲等，然而在基带窄脉冲UWB通信中，基带窄脉冲包含较多的低频分量，因此在FCC关于UWB通信功率谱的规定下,频谱利用率不高。这就要求我们选取的脉冲波形在时域上应当平滑，并且功率谱密度容易由时域参数控制。而传统的高斯波形、厄密特脉冲等形式不能保证波形之间的正交性,从而在接收端用户间存在较大的干扰,造成误码率上升，影响系统性能]1[。Chirp(线性调频)信号由于其具有较大的时间带宽积、便于匹配滤波检测，容易产生等特点在雷达系统中被广泛采用，随着现代模拟信号处理技术声表面波器件（SAW）的发展，可以由低成本、低功耗、低复杂度的声表面波滤波器利用脉冲压缩技术产生和检测线性调频信号。Chirp信号的频谱满足FCC（美国联邦通信委员会）对超宽带（UWB）辐射掩蔽的限制，具有较高的频谱利用率，我们可以适当的提高其带宽来提高传输距离和传输速率。本文将线性调频脉冲压缩技术用于超宽带无线通信，设计了线性调频调制的超宽带无线通信系统，并对该系统的线性调频信号频谱和传输特性进行了仿真，该系统可以作为超宽带远距离通信的模型。2．线性调频信号特性分析线性调频矩形脉冲信号可表示为]2[)21cos()()(20ttTtrecttsi（1）式中矩形调制函数为0)(aTtrect2/12/1TtTt（2）式中，0为中心频率，B为调频带宽，T为矩形调制脉冲的时宽，a为矩形调制脉冲的幅度，为调频斜率，TB/2。0称为正向线性调频脉冲(Up-Chirp)，其瞬时频率不断增大；0为反向线性调频脉冲(Down-Chirp)，其频率不断减小。当Chirp信号通过匹配滤波器后，其输出信号可以表示为tBtTtBtTBats020cos)]/1(sin[)(（3）从式中可以看出经过匹配滤波器输出的波形其包络为辛格函数)/sin(xx，具有尖锐的时域特性，输出压缩脉冲的包络幅度增加BTD倍，即输出信号的峰值功率增加为输入信号的D倍。相对于发送的Chirp信号在时域上被压缩了BT倍（称为压缩增益比），相当于符号宽度减小，多径叠加的效应被减弱，符号间干扰相应的减小。匹配滤波器的设计可以由SAW器件完成，称为声表面波相关器，对于实际信道传输造成的信号幅度衰减和时间延迟参数都可以通过编程调节SAW的相关参数来实现]3[。线性调频信号)(tsi的频谱为]4[2/2/2/2/2020]}21)[(exp{21]}21)[(exp{21)exp()()(TTTTiidtttjdtttjdttjtsS（4）根据式（4），我们仿真得出了Chirp脉冲的功率谱密度，如图1所示。其中参数选择为：信号持续时间T=1e-6s,B=7GHZ，0=7GHZ，当2/Tt时，5.0a。从图中可以看出Chirp信号的频谱能很好的满足FCC对UWB辐射掩蔽的限制，并且具有较高的频谱利用率。在FCC对UWB辐射掩蔽的范围内，可以调整带宽及发射功率的办法来满足不同用户的需求。相对于传统的高斯脉冲，Chirp脉冲信号可以更好地满足FCC要求，从而可以更充分地利用其提供的频谱资源，实现远距离通信。图1chirp信号功率谱密度3.基于线性调频脉冲压缩技术的超宽带无线通信系统设计与仿真3.1系统设计与波形仿真基于线性调频脉冲压缩技术的线性调频扩谱发射机的原理如图2所示]4[，发射机的关键部件是两个分别具有正负调频斜率的SAW-Chirp滤波器。输入数据首先对时钟脉冲进行选通。当输入编码信号为“1”时，激励脉冲产生器产生的窄脉冲激励Up-Chirp滤波器，输出正斜率的线性调频信号。当输入编码信号为“0”时，激励脉冲产生器产生的窄脉冲激励Down-Chirp滤波器,输出负斜率的线性调频信号。将波形（2）和（3）相加，即可输出连续的正斜率（对应于编码信号“1”）和负斜率（对应于编码信号“0”）的线性调频扩谱信号。发射机各点波形图如图3所示。图2线性调频UWB通信系统的发射系统方框图(a)波形1（输入数据：10010）(f)波形6(b)波形2(g)波形7(c)波形3(h)波形8激励脉冲产生器激励脉冲产生器Up-chirpDown-chirp+功放234发射天线时钟脉冲信号输入1数据输出(d)波形4(i)波形9(e)波形5(j)波形10图3线性调频UWB通信系统的发射及接收系统各点波形接收机的原理框图如图4所示]4[，输入的线性调频扩谱信号经放大后同时加至下降和上升Chirp滤波器。对于正斜率的线性调频扩谱信号（对应于编码信号“1”），由下降Chirp滤波器进行匹配滤波，并输出一个经过脉冲压缩的中频相关峰，而此时上升Chirp滤波器对正斜率的线性调频的频谱进一步扩展，使能量分散。当输入为负斜率（对应于编码信号“0”），上升Chirp滤波器输出一个经过脉冲压缩的中频相关峰，同样理由，此时下降Chirp滤波器对正斜率的线性调频的频谱进一步扩展，而不输出压缩脉冲。包络检波器的输出波形（8）和（7）加到比较器。波形（8）对应于正斜率Chirp的压缩脉冲，此时比较器输出为“1”；波形（7）对应于负斜率Chirp的压缩脉冲，此时比较器输出为“0”。与此同时，包络检波器输出波形（8）和（7）相加之后控制定时器输出稳定的定时脉冲。比较器的输出波形对稳定的定时脉冲进行选通，最后经过判决取样电路（判决电平取归一化电平0.8v）输出被传送的编码信号。显然可见，这里输出的波形（10）与原始编码信号（1）相同。接收机各点波形图如图3所示。图4线性调频UWB通信系统的接收系统方框图3．2系统传输特性仿真IEEE802.15.4a任务小组已将线性调频扩频(ChirpSpreadSpectrum)物理层技术作为基准物理层标准。可用于最大范围60米的室内环境或最大范围900米的户外环境。该标准即可用于短距离高速通信，又可用于远距离低速通信。我们对线性调频通信系统传输距离随速率的变化作了仿真，如图5所示]5[。其中发射功率为0.55mw，误码率为1e-6。仿真结果表明在传输速率为14Mbps时，CSSUWB在室外的传输距离可以达到900米。Down-chirpUp-chirp包络检波包络检波+同步器选通器判决取样高放46587109接收天线比较器01002003004005000100200300400500600700800900DataRate[Mb/s]Distance[m]TH-PPM-UWBCSSUWB图5线性调频UWB通信系统传输距离随速率的变化曲线图4.结论声表面波滤波器件具有低功耗、低复杂度、低成本等特点，它可以用来产生和检测Chirp信号，并且Chirp信号的频谱能很好的满足FCC对UWB辐射掩蔽的限制，信号具有较高的频谱利用率。设计的基于线性调频脉冲压缩技术的超宽带通信系统结构简单、易于实现，在满足一定误码率的情况下，传输距离可以达到900米，该系统可以作为超宽带远距离通信的理想选择。参考文献：[1]HUANGLing,ZHANGHong-Xin,LUYing-Hua.ANovelMethodToGenerateUWBShapingPulsesBasedonChippulse[C].20066thInternationalConferenceonITSTelecommunicationsProceedings.2006,7[2]PengZhang,HaoLiu.AnUltra-WideBandSystemwithChirpSpreadSpectrumTransmissionTechnique[C].20066thInternationalConferenceonITSTelecommunicationsProceedings.2006,7[3]贺鹏飞，吕英华等.基于Chirp－BOK调制的超宽待无线通信系统研究[J].南京邮电大学学报，2006，2[4]耿富录，现代模拟信号处理技术及其应用[M]国防工业出版社1990年5月[5]葛利嘉，朱林等.超宽待无线电基础[M]电子工业出版社2005年5月作者简介：张文杰（1982-），男，山东济宁人，中国矿业大学硕士研究生，研究方向为超宽带无线通信。王艳芬（1962-），女，中国矿业大学教授，硕士生导师，研究方向为超宽带无线通信、信道建模与仿真、信号处理等。基金项目：中国矿业大学科技基金项目OC4501（theScientificResearchFundofChinaUniversityofMining&TechnologyNo.OC4501）单位：中国矿业大学信息与电气工程学院通信地址：江苏徐州中国矿业大学信电学院（文昌校区）研邮编：221008手机：[phone]Email：[e-mail]