超宽带脉冲波形
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超宽带基础知识页数:26
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第三章超宽带脉冲波形页数:53
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超宽带脉冲信号的一种频域采样和接收方法页数:6
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000基于脉冲形成网络的超宽带脉冲产生与设计
文章编号：1001-893X（2009）02-0029-04基于脉冲形成网络的超宽带脉冲产生与设计∗田波，邓茗春（空军工程大学导弹学院，陕西三原713800）摘要：分析了超宽带天线对冲击脉冲波形的要求。
利用阶跃恢复二极管和微带传输线，通过延迟的方法设计并制作了超宽带双极脉冲发生器。
根据超宽带脉冲发生器产生的脉冲参数，通过理论分析和时域有限差分法（FDTD）仿真，给出了一种微带脉冲形成网络的设计方法，并利用该方法成功地产生了纳秒级宽度的双极性超宽带窄脉冲信号。
测量结果表明：经过脉冲形成网络产生的信号具有良好的波形，且拖尾振荡小，有利于提高天线的辐射效率。
关键词：超宽带天线；脉冲形成网络；冲击脉冲；时域有限差分法中图分类号：TN914.3 文献标示码：AUWB Pulse Generation Based on Pulse Forming NetworkTIAN Bo，DENG Ming-chun（The Missile Institute，Air Force Engineering University，Sanyuan 713800，China）Abstract：The requirement of ultra wideband（UWB）antenna for pulse waveform is analyzed. Then using step recovery diode（SRD）and microstrip transmission line，a UWB monocycle pulse generator is designed by means of intervention and elimination. According to the parameters of the generated pulse and theory analysis and FDTD simulation results，a method based on pulse forming network is presented. The measured result shows that the waveform of bipolar pulse is good，and the ringing level is low. This pulse generator can be used to improve the radiation efficiency of UWB antenna.Key words：ultra wideband（UWB）antenna；pulse forming network；impulse；FDTD method1 引言随着微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带（UWB）无线技术开始走向商业化。
第三章超宽带脉冲波形
α =0.3ns α =0.5ns α =0.7ns α =0.9ns α =1.1ns
−
2
α
α2
= ± Ap e
−
α2
2
α 为高斯脉冲的成形因子
Frequency domain 1 α=0.3ns α=0.5ns α=0.7ns α=0.9ns α=1.1ns
0.8 Amplitude
Amplitude [V]
( n +1)
( 2π f σ )2 exp − 2
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
Frequency domain
1
0.8
Amplitude
0.6
0.4
0.2
0 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6 x 10
8
9
Frequency [Hz]
3.1 超宽带脉冲的设计原则
脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽的频谱； 为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。 这一点不是绝对的，当脉冲直流分量不为零时，可以采 用双极性调制，使总的发射脉冲的直流分量为零。 满足FCC的频谱掩蔽要求。对于发射脉冲信号的超宽带 系统，其发射信号的功率谱主要由发射的脉冲波形的功 率谱决定，因此超宽带系统的脉波形冲的频谱应满足 FCC的功率谱密度辐射限制（即频谱掩蔽），避免对其 他通信系统造成干扰。
2003年parr等人提出了新的超宽带设计思想该设计思想从频域出发将fcc频谱掩模等效为理想的带通滤波器能够通过该滤波器后波形不失真的脉冲只能是扁长椭球波脉冲扁长椭球波函数的闭合解难以求出parr通过特征值分解的数字滤波器方法求得了两个脉冲这两个脉冲被称为parr脉冲这两个脉冲正交没有表达式
−
2
α
α2
= ± Ap e
−
α2
2
α 为高斯脉冲的成形因子
Frequency domain 1 α=0.3ns α=0.5ns α=0.7ns α=0.9ns α=1.1ns
0.8 Amplitude
Amplitude [V]
( n +1)
( 2π f σ )2 exp − 2
n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6
Frequency domain
1
0.8
Amplitude
0.6
0.4
0.2
0 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6 x 10
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Frequency [Hz]
3.1 超宽带脉冲的设计原则
脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽的频谱； 为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。 这一点不是绝对的，当脉冲直流分量不为零时，可以采 用双极性调制，使总的发射脉冲的直流分量为零。 满足FCC的频谱掩蔽要求。对于发射脉冲信号的超宽带 系统，其发射信号的功率谱主要由发射的脉冲波形的功 率谱决定，因此超宽带系统的脉波形冲的频谱应满足 FCC的功率谱密度辐射限制（即频谱掩蔽），避免对其 他通信系统造成干扰。
2003年parr等人提出了新的超宽带设计思想该设计思想从频域出发将fcc频谱掩模等效为理想的带通滤波器能够通过该滤波器后波形不失真的脉冲只能是扁长椭球波脉冲扁长椭球波函数的闭合解难以求出parr通过特征值分解的数字滤波器方法求得了两个脉冲这两个脉冲被称为parr脉冲这两个脉冲正交没有表达式
经典的超宽带基带脉冲无线传输技术
经典的超宽带基带脉冲无线传输技术经典的超宽带无线系统主要采用基带脉冲传输技术,它具有高空间频谱效率、高测距精度、低功耗、低成本、小体积等诸多优点和潜力，但同时也面临波形失真等诸多挑战。
根据超宽带信号的基本特性，超宽带无线技术大体包括基带脉冲传输方式和带通载波调制传输方式两大类。
脉冲传输的特点是把信息调制在离散脉冲信号上发射，而带通载波调制传输的特点则是把信息调制在正弦载波上发射。
经典的超宽带无线系统主要采用基带脉冲传输技术。
脉冲波形超宽带脉冲无线传输技术依赖脉冲串传递信息，因此，脉冲波形的特征及设计是超宽带脉冲无线系统重要的研究内容之一。
根据超宽带基带脉冲的频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类：第一类是基带脉冲，该类脉冲包含从低频到高达几个GHz频率的连续带宽；第二类是特殊脉冲，即满足特定频谱要求的脉冲，例如，为了满足FCC规定的频谱特性或抑制窄带干扰而设计的特殊脉冲，一般通过特殊设计或滤波获得。
经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。
在超宽带技术研究中，常见的超宽带基带脉冲包括：矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲(Gaussian Monocycle)和瑞利单脉冲(Rayleigh Monocycle)等。
矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，工程应用价值不大，一般仅用于学术研究。
工程上常用的超宽带脉冲应该没有直流分量，一般通过对高斯脉冲进行求导获得，例如，对高斯脉冲求一阶导数可以获得瑞利单脉冲，对高斯脉冲求二阶导数可以获得高斯单脉冲。
比较而言，高斯单脉冲更适合作为传递信息的超宽带脉冲。
然而，上述脉冲波形的频率特性都无法满足FCC关于超宽带信号的频谱要求。
为此，人们还提出了其他超宽带脉冲的产生方法。
例如，用汉明窗调制载波的方法，汉明窗超宽带脉冲中心频率和带宽可以方便地通过参数调节获得。
调制技术在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。
(完整版)uwb概述
12
UWB定位算法：
1、临近检测（与天线有关，根据天线强度） 2、信号强度分析（接收信号的强度与发射机和接收机距离之间的关系） 3、到达时间定位 4、到达时间差定位 5、到达角度。 已有算法分析： 1、基于TOA的定位系统方案 2、泰勒级数展开法 3、MES（最大能量输出）算法 4、用锁相环来估计IR—UWB信号的到达时间 5、超宽带通信系统加权移动三角形到达时间精确定位算法
超宽带无线电基础
一、概论 二、研究现状 三、定位算法研究
1
一、概论
1960年UWB 技术最初作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术。 直到2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。 FCC对 UWB设备的最初定义是：一种发射信号的相对带宽大于O.2，或者
传输时带宽至少为500MHz的设备。相对带宽定义为2(fH—fL)／(fH十fL)， 其中fH和fL分别为-10dB时的上界频率和下界频率。规定其UWB频段3.1 到10.6Ghz
6
TR传输参考接收机（ＴＲ和改进ＴＲ）ＴＲ优点接收端本地模板信号从含噪声的接s 收信号中提取，降低了接收端对同步的要求，接收机结构简单，缺点是利用含噪声的 模板，会降低接受检测的性能，数据传输速率只有５０％，功率也有一半消耗在发射 参考信号上。
7
2、发射机：主要是建立发射模型，发射电路实现，超宽带发射芯片 系统主要由电源、MSP430F123单片机、超宽带发射芯片TH-UWB02、简单 的滤波整形电路组成。
9
发射机最新研究成果：针对超宽带标签信号的发射, 提出采用基于竞争冒险 原理的ECL 与门来产生窄脉冲的方法。
10
UWB定位系统现有模型
11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量时一个基站向目标站发射ＵＷＢ脉冲，目标站接收判断后发送回 执信号，其他基站重复此过程。各个基站计算出到每个基站到达目标站的 往返时间，这个往返时间的一半就是定位算法中需要的ＴＯＡ测量值。该 定位方案不需要基站之间的同步，但需要点对点的传输 ，因此需要较高的复杂性，较高的功耗和较长的处理时延。因此提出改进 方法：由一个目标站Ａ，３个服务站Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３（其中Ｂ１为主服 务站），１个中央处理站组成（ＰＵ）。Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３固定在已知位 置上。ＰＵ发送ＵＷＢ脉冲给Ｂ１，然后Ｂ１把ＵＷＢ脉冲分别传给Ａ， Ｂ２，Ｂ３；Ａ接收到ＵＷＢ脉冲后经过Ｔ时刻后分别传送给Ｂ１，Ｂ２， Ｂ３。最后Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３分别做ＴＯＡ测量，把测得的数据给ＰＵ。
UWB定位算法：
1、临近检测（与天线有关，根据天线强度） 2、信号强度分析（接收信号的强度与发射机和接收机距离之间的关系） 3、到达时间定位 4、到达时间差定位 5、到达角度。 已有算法分析： 1、基于TOA的定位系统方案 2、泰勒级数展开法 3、MES（最大能量输出）算法 4、用锁相环来估计IR—UWB信号的到达时间 5、超宽带通信系统加权移动三角形到达时间精确定位算法
超宽带无线电基础
一、概论 二、研究现状 三、定位算法研究
1
一、概论
1960年UWB 技术最初作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术。 直到2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。 FCC对 UWB设备的最初定义是：一种发射信号的相对带宽大于O.2，或者
传输时带宽至少为500MHz的设备。相对带宽定义为2(fH—fL)／(fH十fL)， 其中fH和fL分别为-10dB时的上界频率和下界频率。规定其UWB频段3.1 到10.6Ghz
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TR传输参考接收机（ＴＲ和改进ＴＲ）ＴＲ优点接收端本地模板信号从含噪声的接s 收信号中提取，降低了接收端对同步的要求，接收机结构简单，缺点是利用含噪声的 模板，会降低接受检测的性能，数据传输速率只有５０％，功率也有一半消耗在发射 参考信号上。
7
2、发射机：主要是建立发射模型，发射电路实现，超宽带发射芯片 系统主要由电源、MSP430F123单片机、超宽带发射芯片TH-UWB02、简单 的滤波整形电路组成。
9
发射机最新研究成果：针对超宽带标签信号的发射, 提出采用基于竞争冒险 原理的ECL 与门来产生窄脉冲的方法。
10
UWB定位系统现有模型
11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量时一个基站向目标站发射ＵＷＢ脉冲，目标站接收判断后发送回 执信号，其他基站重复此过程。各个基站计算出到每个基站到达目标站的 往返时间，这个往返时间的一半就是定位算法中需要的ＴＯＡ测量值。该 定位方案不需要基站之间的同步，但需要点对点的传输 ，因此需要较高的复杂性，较高的功耗和较长的处理时延。因此提出改进 方法：由一个目标站Ａ，３个服务站Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３（其中Ｂ１为主服 务站），１个中央处理站组成（ＰＵ）。Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３固定在已知位 置上。ＰＵ发送ＵＷＢ脉冲给Ｂ１，然后Ｂ１把ＵＷＢ脉冲分别传给Ａ， Ｂ２，Ｂ３；Ａ接收到ＵＷＢ脉冲后经过Ｔ时刻后分别传送给Ｂ１，Ｂ２， Ｂ３。最后Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３分别做ＴＯＡ测量，把测得的数据给ＰＵ。
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生
超宽带无线电中纳秒级脉冲产生汇报人：2023-12-21•引言•纳秒级脉冲产生原理•纳秒级脉冲产生电路设计目录•纳秒级脉冲产生实验研究•纳秒级脉冲产生在实际应用中的挑战与解决方案•结论与展望01引言超宽带无线电技术是一种无线通信技术，其脉冲宽度极窄，具有高速传输和低截获率等优点。
定义与特点超宽带无线电技术广泛应用于雷达、通信、探测等领域，尤其在军事领域具有重要价值。
应用领域超宽带无线电技术概述纳秒级脉冲可以极大提高无线通信的传输速率，满足高速数据传输的需求。
提高传输速率增强抗干扰能力实现低截获率纳秒级脉冲具有极窄的脉冲宽度，可以降低多径效应和干扰，提高通信的可靠性。
由于纳秒级脉冲的能量集中，其信号容易被敌方识别和截获，因此对于军事通信具有重要意义。
030201纳秒级脉冲产生的重要性02纳秒级脉冲产生原理利用电路中的电容和电感等元件，通过快速充放电过程，产生短暂的脉冲电流。
在某些半导体材料中，利用雪崩倍增效应可以产生纳秒级的脉冲电流。
脉冲产生的基本原理雪崩倍增效应脉冲电路纳秒级脉冲的产生方法利用激光束在特定材料中产生非线性效应，生成高强度、短脉冲的光信号。
基于电子学的脉冲产生方法利用高速开关、变阻器、反射镜等元件，产生高速变化的电流和电压，从而产生纳秒级脉冲。
纳秒级脉冲的宽度通常在几至几十纳秒之间。
脉冲宽度纳秒级脉冲的幅度通常很高，可以达到数千安培或更高。
脉冲幅度纳秒级脉冲的波形通常呈现出快速上升和下降的特点，类似于矩形波或梯形波。
脉冲波形脉冲的特性与参数03纳秒级脉冲产生电路设计确保电路在各种工作条件下都能稳定工作，避免出现振荡或失真。
稳定性要求电路在工作范围内保持较好的线性关系，以保证脉冲信号的准确性和一致性。
线性度根据超宽带无线电的应用需求，选择合适的带宽以支持高速数据传输。
带宽电路设计的基本原则电路结构与工作原理产生高频脉冲信号，作为纳秒级脉冲的源信号。
对源信号进行放大，以满足后续电路对脉冲幅度和功率的要求。
超宽带(UWB)通信中的脉冲波形研究
科
信息 科学 ｌ
超宽带（ ｕｗＢ） 通信 中的脉冲波形研究
张 娟
（ 中国铁 通 宿 州 分公 司 ， 徽 宿 州 ２ ４ ０ ） 安 ３０ ０
摘 要 ： 了目 研究 前超宽带 系 中脉冲波形的几种设计方法， 了各种方法的优点和缺点， 统 分析 对超宽带系统脉冲的设计和优化有一定参考价值 。 关键词 ： 超宽带； 波形设计 ； 高斯脉冲； 厄米特脉冲
１概 述 符号 ｄ １ 控制的发射脉 冲时延 ， Ｉ ｄ 的取值为 不同的高斯脉冲波型： （一—ｍ ４ 超宽带 （ ＷＢ 通信技术是一种使用 １ Ｈ ０ １ 采用 Ｐ Ｍ调制方式可使脉冲的功率谱变 Ｕ ） Ｇｚ 或 。 Ｐ ， 以上带宽的无线通信技术。 虽然是无线通信 ， 但其 得平滑 ； 采用跳时扩频 （Ｈ 是 Ｕ Ｂ通信的多址 Ｔ ） Ｗ 方式， 同时可进一步平滑脉冲的功率谱。 然后用分别用牛顿迭代法和线性最小均方 ３超宽带系统 中的波形设计 误差准则对 ａ 值和 ｆ 值进行 了 处理， 使这 ５ 组组合 Ｃ 超宽带系统脉冲应满足的基本条件是不含 脉冲尽可能接近 Ｆ Ｃ的功率限制。最后通过仿真 有直流分量； 而且其功率谱还应当满足 Ｆ Ｃ Ｃ 规定 得出结论：利用迭代法得到的线性组合能够比较 的辐射掩模的标准 ， 频带利用率要高； 最后 ， 的 好的满足 Ｆ Ｃ 它 Ｃ 所要求的功率限制。 ３ 基于厄米特多项式脉冲的波形设计方法 ： ． ２ 频谱的形状要尽量平坦，其理想的频谱应当接近 Ｈ ｒ ｔ多项式的表达式为： ｅｍｉ ｅ 白噪声谱 ， 且幅值越低越好， 不至于对现有窄带无 线通信系统造成干扰。现有文献中提到的波形设 ｆ） １ ｆ＝ ｉ ＴＮ大致有以下几种。 ｔ￣ ３１ ．基于高斯脉冲的波形设计方法： （） ， １ ｅ ｐ ） ｘ（ ＂ （ｘ （ ｅｐ＿ ２ ｔ ｄ ＂ 高斯脉冲的表达式为 ： Ｈ ｒ ｔ多项式并不是正交的函数集 ，变形 ｅｍｉ ｅ ｆ１ （ ）：± ｅｐ（ ｘ 一 ） ２ｏ － √２ 的 Ｈ ｒ ｔ多项式定义为： ｅｍｉ ｅ 令 ｚａ／ 则脉冲函数变为 ： — ｚ ４
信息 科学 ｌ
超宽带（ ｕｗＢ） 通信 中的脉冲波形研究
张 娟
（ 中国铁 通 宿 州 分公 司 ， 徽 宿 州 ２ ４ ０ ） 安 ３０ ０
摘 要 ： 了目 研究 前超宽带 系 中脉冲波形的几种设计方法， 了各种方法的优点和缺点， 统 分析 对超宽带系统脉冲的设计和优化有一定参考价值 。 关键词 ： 超宽带； 波形设计 ； 高斯脉冲； 厄米特脉冲
１概 述 符号 ｄ １ 控制的发射脉 冲时延 ， Ｉ ｄ 的取值为 不同的高斯脉冲波型： （一—ｍ ４ 超宽带 （ ＷＢ 通信技术是一种使用 １ Ｈ ０ １ 采用 Ｐ Ｍ调制方式可使脉冲的功率谱变 Ｕ ） Ｇｚ 或 。 Ｐ ， 以上带宽的无线通信技术。 虽然是无线通信 ， 但其 得平滑 ； 采用跳时扩频 （Ｈ 是 Ｕ Ｂ通信的多址 Ｔ ） Ｗ 方式， 同时可进一步平滑脉冲的功率谱。 然后用分别用牛顿迭代法和线性最小均方 ３超宽带系统 中的波形设计 误差准则对 ａ 值和 ｆ 值进行 了 处理， 使这 ５ 组组合 Ｃ 超宽带系统脉冲应满足的基本条件是不含 脉冲尽可能接近 Ｆ Ｃ的功率限制。最后通过仿真 有直流分量； 而且其功率谱还应当满足 Ｆ Ｃ Ｃ 规定 得出结论：利用迭代法得到的线性组合能够比较 的辐射掩模的标准 ， 频带利用率要高； 最后 ， 的 好的满足 Ｆ Ｃ 它 Ｃ 所要求的功率限制。 ３ 基于厄米特多项式脉冲的波形设计方法 ： ． ２ 频谱的形状要尽量平坦，其理想的频谱应当接近 Ｈ ｒ ｔ多项式的表达式为： ｅｍｉ ｅ 白噪声谱 ， 且幅值越低越好， 不至于对现有窄带无 线通信系统造成干扰。现有文献中提到的波形设 ｆ） １ ｆ＝ ｉ ＴＮ大致有以下几种。 ｔ￣ ３１ ．基于高斯脉冲的波形设计方法： （） ， １ ｅ ｐ ） ｘ（ ＂ （ｘ （ ｅｐ＿ ２ ｔ ｄ ＂ 高斯脉冲的表达式为 ： Ｈ ｒ ｔ多项式并不是正交的函数集 ，变形 ｅｍｉ ｅ ｆ１ （ ）：± ｅｐ（ ｘ 一 ） ２ｏ － √２ 的 Ｈ ｒ ｔ多项式定义为： ｅｍｉ ｅ 令 ｚａ／ 则脉冲函数变为 ： — ｚ ４
超宽带脉冲信号的波形设计研究
科技信息2009年第11期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 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。
1.对超宽带脉冲信号的约束条件如下1.1符合UWB 信号定义，-l0dB 绝对带宽大于500MHz 或分数带宽大于20%；1.2法定工作频段位于3.1GHz —10.6GHz ，且脉冲能量应尽量集中于该频段;1.3功率谱密度要符合限制:在全频域满足FCC 辐射掩模的规定;1.4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∞-∞乙p (t )dt =p (f =0)=01.5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。
根据FCC 对室内超宽带系统的辐射谱密度限制，若成形脉冲将3.1GHz ———10.6GHz 频段全部覆盖，则脉冲的最大允许总功率仅为0.556mW ，用分贝表示为-2.55dBm 。
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。
2.UWB 脉冲设计方法主要可归为两大类：从频域出发基于软频谱自适应(Soft Spectrum Adaptation SSA)的UWB 脉冲设计和从时域出发基于某种特定函数的UWB 脉冲设计。
超宽带基础知识
数学表达式：当调制信息为ai，i=0,1,2,...，调制信号为：
s(t )
k
a
k
p(t kTf )
f
列。
p(t kT ) 其中，p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期； 是脉冲序
k
优点：物理实现简单，只需一个匹配滤波器和一个脉冲发生器。
可以使用非相干解调。 缺点：误码性能不是最好。
高斯脉冲及其各阶导数：
高斯函数表达式：
为了简化表达式，令
，则高斯函数表示为
α 为高斯脉冲成形因子。 α 增大，脉冲幅度减小，脉 冲宽度增加。
高斯脉冲各阶导数波形：
波形分析： 从时域波形来看，高斯脉冲导数的阶数越高，脉冲的峰值 越多，过多的峰值不利于信号的检测和捕获，也不利于波形的 实现。 高斯脉冲含有较高的直流分量，不利于信号辐射。但其k阶 导数直流分量为零，信号能有效辐射。 使用高斯脉冲的原因： 超宽带脉冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲 的信号。 使用高斯脉冲分析简便。
补零前缀作用：使得系统抗多径能力增强且降低发射机频率。
M是所用子带数。
OFDM 主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换 成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正 交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少 子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于 信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落， 从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是 原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 码元组成：MB-OFDM系统采用时隙编码，每个OFDM码前插有补 零前缀，码后有保护时隙。
a 当采用二进制PAM（设调制信息为：1 , a2）时，在AWGN信道下的二进制
认知超宽带的波形设计研究的开题报告
认知超宽带的波形设计研究的开题报告题目：认知超宽带的波形设计研究1. 研究背景随着移动通信的迅猛发展和无线电频谱资源的日益稀缺，认知无线电技术（Cognitive Radio，CR）应运而生。
认知无线电技术基于对频谱的感知和理解，能够实现高效的频谱利用，提高频谱利用率和通信容量。
超宽带（Ultra-Wideband，UWB）通信技术作为一种无线通信技术，具有带宽大、抗干扰能力强、传输速率高等特点，在军事、医疗、安防等领域有广泛的应用。
认知超宽带技术（Cognitive UWB）作为一种融合CR和UWB的技术，兼具CR的频谱感知和利用能力以及UWB的高速率和低功耗的特点，具有广阔的应用前景。
波形设计是认知超宽带技术的核心问题之一。
设计合适的波形可以保证认知超宽带系统中的高速数据传输、强抗干扰和低功耗等特点。
因此，认知超宽带系统的波形设计成为了目前的研究热点。
2. 研究目的本研究旨在研究认知超宽带系统的波形设计问题，具体目的有：（1）探究认知超宽带系统的波形设计原理和方法，了解现有的波形设计算法及其特点。
（2）分析不同波形对认知超宽带通信系统性能的影响，包括传输速率、误码率、干扰抑制等方面。
（3）通过仿真实验，对所研究的波形设计算法进行性能验证和比较，以获取最优的波形设计方案。
3. 研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：（1）认知超宽带通信系统架构和波形设计原理。
介绍认知超宽带系统框架和波形设计的基本原理，包括码型选择、脉冲发生器的设计、匹配滤波器设计等。
（2）波形设计算法的比较研究。
分析现有的波形设计算法，比较其在性能表现和实现复杂度等方面的差异。
（3）基于仿真实验的波形设计研究。
对所研究的波形设计算法进行仿真实验，并对其进行性能分析和比较，筛选出最优的波形设计方案。
4. 研究意义本研究在认知超宽带通信技术领域有以下意义：（1）深入研究认知超宽带通信系统的波形设计问题，探究最优波形设计的实现方法和实现技术，以提高认知超宽带通信系统的性能特点。
超宽带(UWB)无线通信技术详解
超宽带（UWB）无线通信技术详解作者：王德强李长青乐光新近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。
许多世界著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的研究、开发和标准化工作之中。
为了使读者对UWB技术有所了解，本讲座将分3期对UWB技术进行介绍：第1期讲述UWB的产生与发展、技术特点、信号成形及调制与多址技术，第2期对UWB信道、系统方案及接收机关键技术进行介绍，第3期介绍UWB的应用前景及标准化情况。
1 UWB的产生与发展超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。
1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。
此后，超宽带这个术语才被沿用下来。
其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。
图1给出了带宽计算示意图。
可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。
为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。
美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。
2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。
根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。
根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz～10.6 GHz。
为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。
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对各种现有脉冲函数进行分析，分析他们的 时域和频域特性，判断它们是否满足FCC的频谱 掩蔽。 高斯脉冲及其导数 Hermite脉冲 小波脉冲分析 频谱匹配与脉冲优化
高斯脉冲及其高阶导数的分析
最早被提出来用作超宽带脉冲波形的是高斯脉冲及其各 阶导数函数脉冲，原因就是因为高斯函数的时域波形和 频谱形状都是钟形，符合超宽带脉冲既是时限又是频限 的要求；同时高斯脉冲函数容易实现。
本节分析高斯脉冲及其各阶是否合适做超宽带脉冲，如 何用这些函数设计超宽带脉冲。
归纳超宽带脉冲波形的研究现状
设计超宽带脉冲的基本原则是使脉冲的功率谱密 度满足FCC的频谱掩蔽，在基于FCC的频谱掩蔽 设计超宽带脉冲时可以有两种模式。
✓ 一种是从时域到频域的方向上设计超宽带脉冲，即根 据脉冲的时域表达式分析其频谱是否满足FCC的频谱 掩蔽，按FCC的频谱掩蔽约束修订脉冲参数；
2004年，张洪刚用了Parr的超宽带脉冲设计思想，用近似 的方法求得扁长椭球波函数，用该函数脉冲做超宽带脉冲。
2005年，赵君喜在文献[31]中借鉴滤波器设计的思想，将理想频谱 用适当的窗函数进行平滑，即用归一化窗函数在频域对理想带通频 谱进行卷积处理，给出频域时域性态良好的UWB脉冲波形。
2000年，Win和Scholtz在博士论文中采用了高斯函数的二阶导数作 为脉冲无线电系统的脉冲波形，以克服高斯脉冲含有较高的直流分 量，辐射效率不高的特点，该脉冲被称为Scholtz脉冲，其后被广泛 采用。
2002年，Ghavami等人提出用Hermite多项式函数作超宽带脉冲， 利用不同阶的Hermite多项式的正交性，不同的用户使用不同阶的 Hermite脉冲来实现多址通信，减小多用户间的干扰。其后有多位研 究者提出对Hermite脉冲进行改进，使不同阶的Hermite脉冲的持续 时间和带宽趋于一致。
第三章 超宽带脉冲波形
民用超宽带系统存在的条件是系统的功率谱密度 满足FCC的频谱掩蔽，而脉冲方式的超宽带系统 的功率谱由连续谱和离散谱组成，连续谱由脉冲 波形决定，离散谱则通过调制方式消弱。所以设 计满足FCC辐射限制的脉冲波形是脉冲方式的超 宽带系统的重要工作。
第三章 超宽带脉冲波形
3.1 超宽带脉冲的设计原则 3.2 超宽带脉冲的研究现状 3.3 从时域到频域的UWB脉冲波形研究 3.4 基于频域的超宽带脉冲波形研究
频谱利用率高
✓ 所设计的脉冲越能充分利用FCC给定的频率范围 3.1GHz~10.6GHz，即占用的频带越宽，超宽的频带所带来的 优点就越明显。脉冲频谱对FCC的频谱掩蔽匹配得越好，则系 统的频谱利用率越高，如下图示意。
表示的频谱不满足FCC的频谱 表掩示蔽的频谱满足FCC的频谱掩蔽，但频谱利 用 表示率不的高频谱满足FCC的频谱掩蔽，且频谱利用率高
2003年，Parr等人提出了新的超宽带设计思想，该设计 思想从频域出发，将FCC 频谱掩模等效为理想的带通滤 波器，能够通过该滤波器后波形不失真的脉冲只能是扁
长椭球波脉冲，扁长椭球波函数的闭合解难以求出， Parr通过特征值分解的数字滤波器方法求得了两个脉冲， 这两个脉冲被称为Parr脉冲，这两个脉冲正交，没有表 达式。这种方法设计的脉冲能量大部分集中在3.1～ 10.6GHz范围内，较好地符合FCC频谱要求，而且这种 方法具有灵活性，不同的频谱限制则对应不同的带通滤 波器。Parr开创了从频域出发，根据频谱掩模的约束要 求，反过来在时域中求解脉冲波形的实际方法，以前的 超宽带脉冲设计都是从时域出发，根据FCC频谱掩模的 要求设计波形。
便于实现
✓ 有些脉冲性能非常好，理想化，但却是物理上不可 实现的。所设计的脉冲应该容易实现，且产生的信 号稳定、可控制。
使整个系统的性能好
✓ 主要是误码率和多址容量。脉冲的互相关函数和自 相关函数会影响匹配检测的准确率。
3.2 超宽带脉冲的研究现状
脉冲产生器最容易产生的脉冲波形其实是一个钟形，类似于高斯函 数波形，因此早期的超宽带系统采用的波形为高斯脉冲波形。
2004年，文献[29]提出了将高斯脉冲的不同导函数进行组合以得到 最佳波形的方法。将多个高斯脉冲的导函数根据一定的准则如随机 系数和最小均方误差准则选择权重系数然后将其线性组合，使得到 的组合函数最佳匹配FCC的频谱掩蔽，并且每个导函数可选择不同 的成形因子，这种方法较为灵活，但是需要经过多次迭代才能得到 适当的权重系数。
3.1 超宽带脉冲的设计原则
脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽的频谱； 为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。
这一点不是绝对的，当脉冲直流分量不为零时，可以采 用双极性调制，使总的发射脉冲的直流分量为零。
满足FCC的频谱掩蔽要求。对于发射脉冲信号的超宽带 系统，其发射信号的功率谱主要由发射的脉冲波形的功 率谱决定，因此超宽带系统的脉波形冲的频谱应满足 FCC的功率谱密度辐射限制（即频谱掩蔽），避免对其 他通信系统造成干扰。
2002年，T. Ikegami 和 H. Tsukada 提出用小波 波形来合成超宽带的传输波形的思想，用小波作 用于超宽带传输波形上，利用尺度因子限制传输 信号的宽度，形成所需要的窄脉冲。
2003年，Sheng等人提出了一种选择高斯脉冲的 最佳微分阶数和最佳形成因子并使之逼近FCC辐 射掩蔽的算法，通过分析不同阶数的高斯导数对 FCC的匹配程度，得出高斯函数的五阶导数适合 做室内通信的超宽带脉冲，高斯函数的七阶导数 适合做室外通信的超宽带脉冲。
✓ 一种是从频域到时域的方向上设计超宽带脉冲，即根 据FCC的频谱掩蔽约束求得脉冲的时域表达式。
从时域到频域方面
✓ 高斯脉冲及其导函数 ✓ Hermite脉冲 ✓ 小波脉冲 ✓ 脉冲组合以最佳匹配FCC频谱
从频域到时域方面
✓ Parr脉冲 ✓ 近似扁长椭球波脉冲
3.3 从时域到频域的UWB脉冲波 形研究
高斯脉冲及其高阶导数的分析
最早被提出来用作超宽带脉冲波形的是高斯脉冲及其各 阶导数函数脉冲，原因就是因为高斯函数的时域波形和 频谱形状都是钟形，符合超宽带脉冲既是时限又是频限 的要求；同时高斯脉冲函数容易实现。
本节分析高斯脉冲及其各阶是否合适做超宽带脉冲，如 何用这些函数设计超宽带脉冲。
归纳超宽带脉冲波形的研究现状
设计超宽带脉冲的基本原则是使脉冲的功率谱密 度满足FCC的频谱掩蔽，在基于FCC的频谱掩蔽 设计超宽带脉冲时可以有两种模式。
✓ 一种是从时域到频域的方向上设计超宽带脉冲，即根 据脉冲的时域表达式分析其频谱是否满足FCC的频谱 掩蔽，按FCC的频谱掩蔽约束修订脉冲参数；
2004年，张洪刚用了Parr的超宽带脉冲设计思想，用近似 的方法求得扁长椭球波函数，用该函数脉冲做超宽带脉冲。
2005年，赵君喜在文献[31]中借鉴滤波器设计的思想，将理想频谱 用适当的窗函数进行平滑，即用归一化窗函数在频域对理想带通频 谱进行卷积处理，给出频域时域性态良好的UWB脉冲波形。
2000年，Win和Scholtz在博士论文中采用了高斯函数的二阶导数作 为脉冲无线电系统的脉冲波形，以克服高斯脉冲含有较高的直流分 量，辐射效率不高的特点，该脉冲被称为Scholtz脉冲，其后被广泛 采用。
2002年，Ghavami等人提出用Hermite多项式函数作超宽带脉冲， 利用不同阶的Hermite多项式的正交性，不同的用户使用不同阶的 Hermite脉冲来实现多址通信，减小多用户间的干扰。其后有多位研 究者提出对Hermite脉冲进行改进，使不同阶的Hermite脉冲的持续 时间和带宽趋于一致。
第三章 超宽带脉冲波形
民用超宽带系统存在的条件是系统的功率谱密度 满足FCC的频谱掩蔽，而脉冲方式的超宽带系统 的功率谱由连续谱和离散谱组成，连续谱由脉冲 波形决定，离散谱则通过调制方式消弱。所以设 计满足FCC辐射限制的脉冲波形是脉冲方式的超 宽带系统的重要工作。
第三章 超宽带脉冲波形
3.1 超宽带脉冲的设计原则 3.2 超宽带脉冲的研究现状 3.3 从时域到频域的UWB脉冲波形研究 3.4 基于频域的超宽带脉冲波形研究
频谱利用率高
✓ 所设计的脉冲越能充分利用FCC给定的频率范围 3.1GHz~10.6GHz，即占用的频带越宽，超宽的频带所带来的 优点就越明显。脉冲频谱对FCC的频谱掩蔽匹配得越好，则系 统的频谱利用率越高，如下图示意。
表示的频谱不满足FCC的频谱 表掩示蔽的频谱满足FCC的频谱掩蔽，但频谱利 用 表示率不的高频谱满足FCC的频谱掩蔽，且频谱利用率高
2003年，Parr等人提出了新的超宽带设计思想，该设计 思想从频域出发，将FCC 频谱掩模等效为理想的带通滤 波器，能够通过该滤波器后波形不失真的脉冲只能是扁
长椭球波脉冲，扁长椭球波函数的闭合解难以求出， Parr通过特征值分解的数字滤波器方法求得了两个脉冲， 这两个脉冲被称为Parr脉冲，这两个脉冲正交，没有表 达式。这种方法设计的脉冲能量大部分集中在3.1～ 10.6GHz范围内，较好地符合FCC频谱要求，而且这种 方法具有灵活性，不同的频谱限制则对应不同的带通滤 波器。Parr开创了从频域出发，根据频谱掩模的约束要 求，反过来在时域中求解脉冲波形的实际方法，以前的 超宽带脉冲设计都是从时域出发，根据FCC频谱掩模的 要求设计波形。
便于实现
✓ 有些脉冲性能非常好，理想化，但却是物理上不可 实现的。所设计的脉冲应该容易实现，且产生的信 号稳定、可控制。
使整个系统的性能好
✓ 主要是误码率和多址容量。脉冲的互相关函数和自 相关函数会影响匹配检测的准确率。
3.2 超宽带脉冲的研究现状
脉冲产生器最容易产生的脉冲波形其实是一个钟形，类似于高斯函 数波形，因此早期的超宽带系统采用的波形为高斯脉冲波形。
2004年，文献[29]提出了将高斯脉冲的不同导函数进行组合以得到 最佳波形的方法。将多个高斯脉冲的导函数根据一定的准则如随机 系数和最小均方误差准则选择权重系数然后将其线性组合，使得到 的组合函数最佳匹配FCC的频谱掩蔽，并且每个导函数可选择不同 的成形因子，这种方法较为灵活，但是需要经过多次迭代才能得到 适当的权重系数。
3.1 超宽带脉冲的设计原则
脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽的频谱； 为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。
这一点不是绝对的，当脉冲直流分量不为零时，可以采 用双极性调制，使总的发射脉冲的直流分量为零。
满足FCC的频谱掩蔽要求。对于发射脉冲信号的超宽带 系统，其发射信号的功率谱主要由发射的脉冲波形的功 率谱决定，因此超宽带系统的脉波形冲的频谱应满足 FCC的功率谱密度辐射限制（即频谱掩蔽），避免对其 他通信系统造成干扰。
2002年，T. Ikegami 和 H. Tsukada 提出用小波 波形来合成超宽带的传输波形的思想，用小波作 用于超宽带传输波形上，利用尺度因子限制传输 信号的宽度，形成所需要的窄脉冲。
2003年，Sheng等人提出了一种选择高斯脉冲的 最佳微分阶数和最佳形成因子并使之逼近FCC辐 射掩蔽的算法，通过分析不同阶数的高斯导数对 FCC的匹配程度，得出高斯函数的五阶导数适合 做室内通信的超宽带脉冲，高斯函数的七阶导数 适合做室外通信的超宽带脉冲。
✓ 一种是从频域到时域的方向上设计超宽带脉冲，即根 据FCC的频谱掩蔽约束求得脉冲的时域表达式。
从时域到频域方面
✓ 高斯脉冲及其导函数 ✓ Hermite脉冲 ✓ 小波脉冲 ✓ 脉冲组合以最佳匹配FCC频谱
从频域到时域方面
✓ Parr脉冲 ✓ 近似扁长椭球波脉冲
3.3 从时域到频域的UWB脉冲波 形研究