第三章超宽带脉冲波形
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超宽带脉冲波形页数:53
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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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超宽带无线通信技术课件
信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时，
超宽带可以提供的信道容量为C=7G×log2 （1+0.1）≈ 0.963Gbps，接近1Gbps。
➢ 数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系 统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。
超宽带的特点
3、低成本，低功耗
➢ 脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不 需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，因 此，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器， 接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机 的硬件实现复杂性和成本。同时，为了避免对 现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很 低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超 宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间 供电。
脉冲波形
➢ 高斯脉冲微分，升余弦、Herimite(厄密特)脉冲等。
高斯函数脉冲
高斯脉冲宽度 和频域带宽取 决于参数α, α的值越大， 高斯脉冲越宽， 相应的频域带 宽就越小
p(t)
1
2 2
e
t2 2
2
2 e
2
t
2
2
高斯脉冲二阶导
w2 (t)
4 2
e
2 t 2
2
1
4 t 2
2
高斯脉冲各阶导数
原始的发送信息。
（a）发射部分
在发射端，欲传输的基带信
号与一个码片速率很高的伪
随机码进行时域相乘，其输 d(t)
出为一个频谱带宽被扩展的
扩频码流，然后将此扩频码
流变换为射频信号发射出去。c(t)
在接收端，射频信号经过变
频后输出中频信号，它与本 d(t)*c(t)
地的伪随机码进行时域相乘，
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
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0
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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
超宽带通信脉冲波形的分析与仿真
（ 偶） 或 向量 。 其 相 应 特 征 值 应 尽 可 能 大 。 通 过 这 两 个 奇 （ 偶 ） 量 生 成 两 个 子 脉 冲 （ 和 （ 。 调 整 脉 冲 或 向 ．） ｆ ｆ ） 幅 度 ，使 得 不 仅 Ｓ ｔ ｆ２ ） 足 ＦＣＣ的 频 谱 掩 蔽 而 且 ）ｌ （满 （￣ｓｆ
—
Ｐ ＳＷＦ 的相 关概念 、特性及 其近似求解算法 ，然后阐述应 用Ｐ ＳＷＦ 脉冲 基来组合设计ＵＷＢ脉冲波形的算 法 。如果要求 陷波点有 千扰抑制 ，可 以对该 点左 右两侧 的频段分别求 对应的频域波 形 ，再做相应 线性变 换 ，使陷波点的频域值 为０ ，然后 对两个脉冲的 时域波 形做同样的 变换 ，即得所 求脉冲波形 ，最后通 过仿
（） ２
３ ）满足如下变换
＝
连接在一起 和骨干网络共同形成一个无缝的连接。 与当前流行的短距 离无 线通信技 术相 比 ，超宽带以 其高速率 、低成本 、低功耗 的优势 ，成 为下一代短距离
无 线 传 输 的 最 佳 候 选 技 术 之 一 。 它可 有效 解 决 企 业 、家
羔
，
（ ３ ）
其 中椭球 参量Ｃ Ｑ／ ，也称 为时 间带 宽积 ， 为 ＝ ２
函数的时域范围，
， Ｅ－ ／，／］ 为函数在频 ｘ Ｉ ２ ２，Ｑ ） ｒ ｒ
域的有限带宽。 ｃ ） ， 为特征函数， （） ｘ ｃ为特征值。
首 先确 定频域 的特 性 ，然后 再推 出时域 波形 。令
庭 、公共场所等环境下高速传输 的需 求和频率 资源分配
越来越拥挤之 间的矛盾 ，实现数据 、语音、视 频等多媒
体业务的高速无线传输 ，有 望广泛应 用于 无线局域 网、 个域 网 、无线 传感 网 、雷 达定 位和 成像 系统 ，以 及军 事、救援 、医疗、测量等众多领域。
—
Ｐ ＳＷＦ 的相 关概念 、特性及 其近似求解算法 ，然后阐述应 用Ｐ ＳＷＦ 脉冲 基来组合设计ＵＷＢ脉冲波形的算 法 。如果要求 陷波点有 千扰抑制 ，可 以对该 点左 右两侧 的频段分别求 对应的频域波 形 ，再做相应 线性变 换 ，使陷波点的频域值 为０ ，然后 对两个脉冲的 时域波 形做同样的 变换 ，即得所 求脉冲波形 ，最后通 过仿
（） ２
３ ）满足如下变换
＝
连接在一起 和骨干网络共同形成一个无缝的连接。 与当前流行的短距 离无 线通信技 术相 比 ，超宽带以 其高速率 、低成本 、低功耗 的优势 ，成 为下一代短距离
无 线 传 输 的 最 佳 候 选 技 术 之 一 。 它可 有效 解 决 企 业 、家
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，
（ ３ ）
其 中椭球 参量Ｃ Ｑ／ ，也称 为时 间带 宽积 ， 为 ＝ ２
函数的时域范围，
， Ｅ－ ／，／］ 为函数在频 ｘ Ｉ ２ ２，Ｑ ） ｒ ｒ
域的有限带宽。 ｃ ） ， 为特征函数， （） ｘ ｃ为特征值。
首 先确 定频域 的特 性 ，然后 再推 出时域 波形 。令
庭 、公共场所等环境下高速传输 的需 求和频率 资源分配
越来越拥挤之 间的矛盾 ，实现数据 、语音、视 频等多媒
体业务的高速无线传输 ，有 望广泛应 用于 无线局域 网、 个域 网 、无线 传感 网 、雷 达定 位和 成像 系统 ，以 及军 事、救援 、医疗、测量等众多领域。
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。
一种新的超宽带脉冲波形设计方法
一种新的超宽带脉冲波形设计方法顾真松;陈佳栋;缪翔【摘要】首先介绍了UWB成形脉冲的算法,然后基于Hermite矩阵和Chirp信号得到了UWB的成形脉冲.在对Chirp脉冲的带宽、中心频率等性能参数比较分析的基础上,将若干个Chirp脉冲信号进行线性叠加,通过仿真结果表明,随之产生的脉冲信号不仅满足FCC对UWB脉冲信号辐射功率要求,而且其脉冲信号的频谱利用率也很高,同时还能有效抑制对其他窄带系统的干扰.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)011【总页数】3页(P66-68)【关键词】超宽带;成形脉冲;功率谱密度;Chirp信号;组合波形【作者】顾真松;陈佳栋;缪翔【作者单位】南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏,南京,210003;南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏,南京,210003;南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏,南京,210003【正文语种】中文【中图分类】TN914.3UWB是一种无载波通信技术，利用纳秒至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占频谱范围很宽，适用于高速、近距离的个人无线通信[1]。
脉冲波形设计是关系到UWB系统性能的关键因素。
传统的UWB信号载体主要有方波脉冲、高斯脉冲、Hermite脉冲和正交椭球波函数等。
随着声表面波器件(SAW)的发展，可由低成本、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)。
由于Chirp脉冲具有良好的自相关性以及匹配滤波后尖锐的时域特性信号，并且其频谱能够满足美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带辐射掩蔽的限制[2]，具有较高的频谱利用率，故可适当提高其带宽来提高传输距离和传输速率。
本文先介绍Chirp脉冲波形的性能参数对脉冲频谱的影响，然后将Chirp脉冲信号线性叠加，得到宽频的短时脉冲信号，该脉冲信号可以提高频谱利用率。
1 UWB成形脉冲算法2002年4月,FCC修正了“超宽带”定义,并通过了超宽带技术在限制功率辐射条件下的商用许可,为超宽带通信划定的频谱范围为3.1～10.6 GHz。
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
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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。 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。
UWB EIRP Level [dBm/MHz]
-100 -150
求阶阶求增增
-200 -250 -300 -350
2 x 10
4
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Frequency [MHz]
Frequency [MHz]
不同成形因子下高斯脉冲的功率谱密度
高斯脉冲1~15阶导数的功率谱密度
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； 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。
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。
-1 k=4 1 0 -1 k=8 1 0 -1 -2 0 k=12 2 x 10
-9
k=5
k=6
k=7
k=9
k=10
k=11
-2
0 k=13 x 10
2
-9
-2
0 k=14
2 x 10
-9
-2
0 k=15
2 x 10
-9
Time[s]
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，因此从时域角度来说，导数的阶次越小， 脉冲波形越好。而且多次微分，增加了实现的难度。 高斯脉冲含较高的直流分量，不利于信号辐射；而搞死脉冲的k阶导数 的直流分量为零，信号能有效辐射。
高斯脉冲及其导数的分析所得到的 结论
通过对脉冲成形因子α的控制，可以得到纳秒级的窄脉冲。调整α， 可以得到所需要的频谱宽度的脉冲。 通过对求导阶数k的控制，可以控制脉冲频谱的峰值频率，k越高， 脉冲频谱的峰值频率越高。 从频域上来说，求导阶数k越高，系统发射信号越容易满足FCC的 辐射限制；从时域上来说，求导阶数k越高，脉冲时域波形的主峰 不明显，不易捕获，会使系统的误码率升高；从实现上来说，求 导阶数k越高，电路越复杂，越不容易实现。求导阶数k的确定需 综合考虑。 高斯脉冲不适合用作IR-UWB系统的脉冲，可以用作基于频移的脉 冲方式的UWB系统的脉冲。高斯脉冲的k阶导数可以用作IR-UWB 系统的脉冲。
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～ 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。
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]
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 从时域到频域的UWB脉冲波 脉冲波 形研究
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。 具体分析方法就是根据其时域波形和频域波形是否限制 性的，再看功率频谱密度函数能否满足FCC的频谱掩蔽。
已有的高斯脉冲种类
Gaussian monocycle，类似于高斯脉冲的一阶导数，其表达式为
p (t ) =
2 et ×e tm
−2× t t m
2
Scholtz’s monocycle，类似于高斯脉冲的二阶导数，其表达式为
p (t ) = e
t −2 π tm 2
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。
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。 2004年，张洪刚等人提出用近似扁长椭球波函数作为DS-UWB的超 宽带脉冲[30]。这其实是利用了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。
根据傅里叶变换性质： 则k阶高斯脉冲的傅里叶变换为
f ( k ) ( t ) = ( jω )k F f ( t ) F
p ( k ) ( t ) ↔ ± Ap
α
2
e
−
α 2ω 2 8π
( jω )
k
Frequency domain
1 k=1 k=2 k=3 k=4 k=5 k=6
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
Time domain
2.5 2 1.5 1
0.5 1
t2 x ( t ) = 2 exp − 2 σ 2σ t
Frequency domain
Amplitude [V]
0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -1 -0.5 0 0.5 alpha=0.5ns alpha=0.7ns alpha=0.9ns alpha=1.1ns 1 x 10
2 t × 1 − 4π × tm