第10章-物联网通信技术曾宪武选编.ppt

图10.3.2 TH-PPM通信系统原理图 　　考虑到TH-PPM是一个多用户或多址通信系统， 其输出信号的数学表达式为 (10.3.1) 式中， p(t)(0≤t≤Tp)为UWB脉冲波形， Tp为脉冲的宽度； Ts为信息码元的持续时间， 它由Ns帧组成， 每一帧里包含 一个脉冲， 帧周期为Tf （两个相邻的脉冲间隔）， Ns为传输 单个数据符号使用的脉冲数； c(k)jTc是由于TH码引起的时移， c(k)j为用户k专属的TH码序列的第j个系数， Tc为码片时间(Chip Time)。 　　每一个TH码都是一个由Np个相互独立且服从相同分布的随机变量构成的序列， 其随机变量以概率1/Nh取［0, Nh－1］范围内的整数值， Nh也表示一个帧周期内最大可能的跳时位置数。 在实际应用中， 一般取Np=Ns。 εd(k)n代表数据调制引起的时延， ε为PPM偏移量， d(k)n为用户k发送的数据符号。 需要注意的是， 经过调制后的每一个脉冲宽度都要限制在Tc范围内， 即ε≤Tc－Tp。 TH-PPM调制波形的示意图如图10.3.3所示。 图10.3.3 TH-PPM调制波形的示意图 　　在实际的系统中， 由于两个相邻的脉冲间隔Tf远大于脉冲的宽度Tp， 所以可以利用不相关的时间间隔来传输不同用户的信号以实现多址通信。 同时， 由于PPM调制偏移εTf， 可以认为脉冲是等间隔的， 因此发射信号的功率谱对其他的通信系统易造成较强干扰。 这时采用一定的跳时方式， 相邻脉冲的间隔不再是等间隔的， 可以平滑发射信号的功率谱， 以减小UWB系统对其他通信系统的干扰。 　　TH-PPM系统利用用户跳时码之间的正交性可以避免用户信号之间的相互干扰， 同时还可以大大减弱辐射信号中的离散谱线。 实际应用中， 还可以根据信道状况改变Ns达到调整数据传输速率和适应信道的目的。 当信道状况良好时， 可以减小Ns， 提高传输速率； 当信道条件恶劣时， 增加Ns并降低传输速率可以提高传输可靠性。 　　2） DS-PAM　　DS-PAM是采用直接扩频的PAM的调制超宽带无线通信技术， 是PAM与直接扩频技术的结合， 其系统结构如图10.3.4所示。 图10.3.4 DS-PAM通信系统原理图 　　单路DS-PAM信号的数学表达式为 (10.3.2) 式中， aj为经过PAM调制的二进制数据， cj是伪随机DS码序列， p(t)为单个UWB脉冲，Tf为帧周期。 　　3. 典型的UWB成形脉冲　　早期的超宽带系统采用高斯单周脉冲等无载波脉冲携带信息， 称为无载波通信。 这种系统不需要复杂的载波调制解调， 可大大降低系统实现复杂度。 FCC对超宽带的新定义和频谱分配对超宽带信号成形技术提出了新的挑战， 促进了超宽带信号成形技术的研究。 目前， 常见的UWB成形脉冲主要有高斯脉冲及其各阶导数脉冲、 Hermite正交脉冲以及扁长椭球波函数(PSWF)正交脉冲等。 10.3.4 UWB典型信道模型　　1. IEEE802.15.3a信道模型　　IEEE802.15.3a信道模型是关于WPAN的标准， 其路径损耗模型和多径模型分别采用修正的自由空间损耗模型和修正的S-V多径模型。 以下仅介绍路径损耗模型。 　　路径损耗(Path Loss)是在发射器和接收器之间由传播环境引入的损耗量， 也就是发送端的发送信号到达接收端时所产生的衰减， 可定义为有效发射功率和平均接收功率之间的差值。 　　自由空间损耗模型是由Friis提出的， 模型中预测的接收信号功率是收发两端之间距离d的函数， Friis公式表示为 式中， Pr为接收功率， Gr为接收天线增益， Pt为发射功率, Gt为发射天线增益， c为光速， f为窄带信号的频率， L为损耗因子。 　　如果UWB发射机与接收机都采用全向天线， 则接收信号的平均功率谱密度可以表示为 (10.3.4) 式中， Pt(f)为平均发射功率谱密度， Gt(f)和Gr(f)分别为发射天线和接收天线的频率响应。 平均发射功率表示为 　　FCC规定UWB发射信号的整个功率谱密度必须限制在 －41.3 dB/MHz之下， 若UWB发射信号的频率范围为 则对应的功率谱密度为Pave/W， 接收天线端输出的信号平均功率为 　　因此， UWB路径损耗模型与传统的窄带路径损耗模型的不同之处是增加了一个修正项。 在FCC规定的3.1~10.6 GHz的UWB频带范围内， 修正值在1.5 dB左右， 这种差别还会随着信号相对带宽的减小而减小。 在10 m的距离之内， UWB信号的路径损耗与Friis公式近似， 所以可以用窄带系统的自由空间路径损耗模型来估计UWB系统的路径损耗。 　　2.