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1、脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 1 18脉冲无线电技术王婷婷 陈雁摘要：脉冲无线电是一种超宽频（UWB）的扩频（SS）信号传输方式。它所具有的属性使它成为在高密度多信道环境下近程通信的可行候选方式。连续时间脉冲无线电多址联接模型利用脉冲位置调制（pulse position modulation）和随机跳时代码（random time-hopping code ）以减轻多路径效 应及抑制多用户之间的干扰。本文使用目前已有的脉冲信号技术可支持的调制格式来描述脉冲无线电的特征，并解析估计它在理想多址联接信道（MAC）条件下多址 联接的能力。关键词：脉冲无线电、
2、扩频多址联接、 时跳、超宽带无线电 、脉冲位置调制、脉冲正交调制、伪随机序列 导言：利用超短脉冲来传播数字信息的想法最早提出于 1992 年，并被称为脉冲无线电（Impulse Radio） 。它的实现依赖于脉冲位置调制（Plus-Position Modulation）和时间分集（time diversity） 。而时间分集通过依照一随机代码多次（ 1000）重复同一码元获得，而这又使脉冲无线电具有很高的处理增益。现在，脉冲无线电已进入多用户通信的研究领域，即所说的脉冲无线电多址联接（impulse radio multiple-access，IRMA ） 。它以异步用户传输和依赖于能量控制
3、的统计多用户(MUI)干扰抑制为理论基础。脉冲无线电利用持续时间极短（通常为几纳秒）的基带脉冲交换信息，因此它所传播的无线电能量以很小的幅度分布在很宽的频带上（从接近直流到几吉赫兹） 。当这样的脉冲作用于设计恰当的天线时，在传播过程中会发生畸变。天线起到滤波器的作用，即使在自由空间，波的辐射也伴随着脉冲的分化和演变。脉冲无线电工作在几吉赫兹下的使用频率密度很高的范围中，因而必须要与各种不同的干扰信号竞争，同时也必须确保不影响在其他特定频带上工作的窄带无线电波。要满足这些要求，就必须使用扩频技术（spread-spectrum techniques） 。实现这种超宽频带低功耗循环脉冲链频谱扩展的
4、一个简单的方法就是使用结合了在一个数据码元多个脉冲速度下的脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 2 18特殊脉冲位置调制的时跳。脉冲无线电有许多很吸引人的优点：第一，它在基带传播，所以既不需调频也不必经过载波同步处理；第二，它消耗功率极小；第三，它能有效减轻多路径效应及抑制阻塞及多用户之间的干扰。也正是这些极具吸引力的性质，给设计带来很大挑战。比如，如此宽频带的设计考虑必然会限制辐射的功率；超精细的时间分辨度会增加同步获取时间，并且可能会需要其他相关仪器来捕获足够的信号能量；而完全的移动性会加剧多址联接网络中对功率控制的需求脉冲无线电大致传输过程参看图 1。图
5、1 多址联接技术 目前使用的模拟调制方式及其优缺点分析1. 分类以及波函数表达在射频通信电路课程中，我们接触到的模拟调制方式大致有以下两种：幅度调制：用调制信号控制载波幅度，使载波幅度按调制信号规律变化，即将调制波信息反映在幅度变化中。常用的有普通调幅 AM、抑制载波的双边带调幅 DSB、单边带调幅 SSB。频率调制和相位调制：用调制信号去控制高频载波的频率为频率调制（FM） ，控制高频载波的相位称调相（PM） 。调频和调相都表现为高频载波的瞬时相位随调制信号的变化而变化。若将音频信号表示为 ，载波信号表示为 ，则()cosmvtVt()coscmvtVwt脉冲无线电技术Impulse Rad
6、io: How It Works 3 18AM: ()1cos)cmacvtVtwtFM: (incf2. 调制目的它们的共同特点是基带信号必须要调制到载波上，目的是提高天线辐射效率（无线系统中，只有当天线尺寸与波长可以比拟时才能有效辐射电磁波） ，并在频谱资源有限、频谱拥挤的情况下，实现较大的通信容量。3. 性能指标衡量调制解调好坏的主要性能指标有： 抗噪声抗干扰能力。由于大部分干扰都表现在幅度的变化上，比如高次谐波干扰产生的振幅上下细微抖动，又因为调幅波所携带的信息反映在幅度上，调频波是等幅的，只需在最后加一个限幅滤波器即可滤除振幅上的干扰，因此，调频波的抗干扰能力比调幅波强。 调制方式的
7、频带利用效率（频率有效性）调幅波实现的是频率的线性搬移，它的带宽有两种。AM 和 DSB 的W2F，为音频信号频谱宽度的两倍，而 SSB 的 WF，即为音频信号频谱宽度。而调频波是音频频谱的非线性搬移，理论上有无数对边频，带宽很大，用卡尔逊公式估算为 2(1)CRfBmF。因此，调频的频率有效性不如调幅好。 调制方式的功率有效性频谱角度看，已调波的平均功率等于各频谱分量的平均功率之和。对调频波，由于 ，所以其平局功率 。因此，从2()1nfJ22()cmcmnfVVPJ功率有效性这个标准来衡量，调频波较调幅波是一种高效的调制方式。这是我个人对模拟调制的大致了解。在此基 础上，我开始接触以下的脉
8、冲位置调制。 连续时间脉冲无线电多址联接位置调制(PPM-IRMA)位置调制不同于振幅和频率的调制，它是将音 频信号，或者说是码元信息反映在发送位置，即时延长短上。脉冲无线电发射的是时间极短、幅度极大的脉冲（下文中的单脉冲波，又称 monocycle），其所占 时间宽度 极小，因而其能量涵盖从直流到几吉赫兹的超()wt wT宽频带。下面是我对脉冲无线电 多址联接中使用的脉冲位置 调制的理解。1. 脉冲无线电多址联接（PPM-IRMA ）传统脉冲位置调制方式a) 脉冲位置调制实现原理脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 4 18现在假设有 M 个用户，每个用户要发
9、送 A 个信息码元。先针对一个用户分析，设第m 个用户在码元表 中选取信息码元，并按时间顺序连续发送信息码元序列0,1.A。为了实现扩频通信，每个信息码元发送的时间间隔从原来的 fN，缩小到 ，()sq Tf实现了频谱展宽。也就是说，每个码元信息以 为时间间隔（下文称为“帧” ） ，被发送了fT次， 被称作脉冲重复周期。对第 q 个信息码元，其帧号 k 可表示为fNfT，并由 表示取整的地板函数，则第 q 个码元可以表示成：,01f fkqrNx。每帧的时间长度 又被分为 cN个可能的片段，若用 来表示每()/)mfskfTcT个片段所占时间，则有 c ，其中 是考虑到接收端接收到两个连续帧之
10、间的fTgg处理时延而引入的保护时间。每个用户都有一个特定的位置时跳序列 ()mck%与之对应。根据这个序列在每帧中的取值 ， ，在 次发送中，同一个信息码元的每cn0,1cNf次发送所经历的时延是不相同的，他取决于位置时跳序列 ()mck的值。这里的 是一()mck个基站（basestation）事先产生并唯一分配给一个用户（user ）的伪随机序列。引入这个序列的目的是企图利用利用正交编码进行多用户情况下的正交解调（后面部分会有介绍正交原理和序列的产生） 。在脉冲位置调制中，真正携带码元信息的部分是根据信息码元值而确定的时延 ，且 ，其中 是单脉冲 的时间长度，有 。()msq()msqc
11、wT0()wt()wcT=也就是说，当单脉冲波被定位在第 个片段内发送时，它又需要经历一个长度为 的n ()msq时延。在各个时延的长度完全由信息码元的值确定。当 a，则 。()qsm()msqa根据以上所有这些符号的约定，以及参数关系，第 m 个用户发射的含有多个码元（比如 A 个）的 个单脉冲波 的叠加形式为fN()wt(/)()( fmfmckNkvttTk%ms（1）其中 为控制传输功率的幅度大小。正如前面所解释的， 的时延是为了确定帧的fT位置， 的时延是根据不同用户确定的扩频后单脉冲波所在的具体时间分段，而()mck%的时延是表示所携带的码元信息。图 2 说明了时域表示的脉冲无线电
12、传输的/sfN参数。脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 5 18图 2 Time scale representation of different parameters in the IRMAb) 脉冲位置调制优势从理论上对脉冲无线电位置调制实现机制的分析，并比较前一部分回顾的模拟调制方式的性能指标，我认为脉冲无线电的可实现的利益是：从抑制干扰和噪声的角度看，脉冲无线电利用了扩频技术，不仅实现了多用户的同时联接，同时也有效地抑制了多径效应。因为多径效应的产生是由于经过不同传播路径的波，到达接收端产生的不同时延的波叠加引起的。而脉冲无线电中，每个单脉冲波被限制
13、在相对较小的 时间间隔内，而不是 内，因此每个传输的脉冲间有较大的时cTfT间间隔，即使发生多径传输，也基本不会形成叠加。其次，脉冲无线电的扩频和正交解调，有效地抑制了噪声，大大提高了信噪比。这是由于脉冲的宽度极小，它的频带就想当宽，覆盖从直流到几吉赫兹的超宽频带。接收时，脉冲频带以及其上带的噪声，与接收机产生的伪随机序列作“相关” ，有用的信号被集中而变得很强，而噪声没有集中，相比之下，信号要大得多，信噪比大大提高。从功率利用的角度看，脉冲的功率幅度很小，有比较高的功率有效性。假想脉冲无线电通信技术投入使用，并与现有的技术并存，由于它的频带很宽，显然不符合传统意义上对频带管理而进行的划分，而
14、是干扰了所有其他信道或者频带的通信。但正是由于它的功率幅度很小，可以被看作普通噪声而滤除。具体方案要根据不同要求确定。从频带利用的角度看，因为脉冲在基带发射，频谱又覆盖很宽的频率范围，与传统意脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 6 18义上的节约频带精神矛盾。但是由于它实现多用户通信的原理是依靠伪随机正交序列，故不能再用传统观念判别。但是由于要实现正交调制，在第 k 帧中 m 个用户必须使用互不相同的 值，否则会出现重叠。因此，用这种方式实现的多用户是有上限个()mck%数限制的，即 。 （在后面部分有比较详细说明）axcNc) 多址联接信道当有 个用户活动在
15、多址联接系统中时，接收机天线输出端收到的叠加后合成的信u可以表示为（5）()1() ()uNkreckkrtAvtnt其中， 表示从第 k 个发射机接收到的信号强度。随机变量 表示第 k 个发射机和k接收机之间的异步时差。 表示非传输波在相关器输入的干扰。()nt假设发射机的个数 和信号强度大小uN在数据码元间隔内保持不变，信号从发射机kA到接收机的传输假定是理想的，每个信号只有一个固定的衰减和时延。如此假设下，经过天线/传输系统，发射的电磁波 波形变成接()trw收时的 。接收到的通过自由空间渠道传()recwt播的 的理想接收波形 参看图 3。这种自由空间的模型忽略了多径效应和色散tr (
16、)rect影响。d) 从功率角度看时跳序列的设计接收机阻止窄带干扰的能力和发射机抑制对其他无线电系统干扰的能力，都取决于时跳单脉冲波链 的功率谱密度（PSD） 。对于一个给定的周期为 伪随机时跳序()mvt ()Sf cP%列 ，忽略数据信息调制后， 的功率谱密度可以表示为：()ck%mvt（2）21()(/)DckcSfWfCffkPP%其中， 和 分别为 和 的频谱函数，而且从 函数中，可以看到()ffwt)mc每两根谱线间的间隔是伪随机时跳序列周期的倒数（ ） 。这种相对更窄的谱线分布，1/c%脉冲无线电技术Impulse Radio: How It Works 7 18为功率在带宽中更平均的分布以及任何单一谱线所占功率的最小化提供了机会。当加入了数据信息调制后，会使线频谱密度（作为频率的函数）更平滑。影响功率频谱密度函数谱线包络
