摘 要

超宽带早期作为美国军方大力研究的前沿通信技术，2002年由美国FCC批准进入民用领域，并制定超宽带技术的标准，至今已有近二十年的时间，超宽带技术却仍未在日常生活中得到广泛的应用，本文通过研究超宽带技术中脉冲调制方式，来加深对这种技术的理解，并通过对超宽带技术基本概念与发展历程的研究，更直观地去把握超宽带技术未来的发展走向。

本文对超宽带信号调制方式中的IR-UWB(脉冲调制超宽带方式)的原理进行了深入研究的基础上，着重讨论了超宽带脉冲调制技术的功率谱，并对每种脉冲调制方式进行了仿真。最后，通过对比三种调制方式，发现了各调制方式的特色，并对每个调制方式的优缺点进行了分析。

论文主要研究了多种不同的超宽带脉冲调制方式的原理、功耗，并对每种方式做了基于Matlab和simulink的仿真。

研究结果表明：超宽带脉冲调制方式的不同，调制出的信号的性能也各有特点。

关键词：超宽带；脉冲调制；功率谱；同频带干扰

Abstract

UWB was used as the forefront communication technology that the U.S. military vigorously studied. It was approved by the U.S. FCC to enter the civilian field in 2002, and it has established ultra-wideband technology standards. For nearly two decades, UWB technology is still not in everyday use. It has been widely used in life. This paper studies the pulse modulation method in UWB technology to deepen the understanding of this technology, and through the study of the basic concepts and development history of UWB technology, to more intuitively grasp the future of UWB technology. The direction of development.

In this paper, the principle of IR-UWB (Ultra-wideband with pulse modulation) in the UWB signal modulation method is studied in detail. The power spectrum of UWB pulse modulation technology is discussed in detail, and each pulse modulation method is performed. simulation. Finally, by comparing the three modulation methods, the characteristics of each modulation method are discovered, and the advantages and disadvantages of each modulation method are analyzed.

The dissertation mainly studies the principle and power consumption of many different UWB pulse modulation methods, and simulations based on Matlab and simulink are made for each method.

The result of the research shows that the performance of the modulated signal is different from that of the UWB pulse modulation method.

Key Words：Ultra-wideband；Pulse modulation；power spectrum；frequency band interference

目 录

第1章 绪论 1

1.1 超宽带通信背景及研究意义 1

1.2 超宽带技术特点、研究现状及前景 1

1.2.1 超宽带技术特点 1

1.2.2 超宽带技术研究现状 3

1.2.3 超宽带技术发展前景 4

第2章 超宽带脉冲设计与调制技术 5

2.1 超宽带脉冲设计 5

2.2 超宽带调制技术 5

2.2.1 TH-PPM-UWB调制原理 5

2.2.2 TH-PAM-UWB调制原理 7

2.2.3 DS-UWB调制原理 8

2.2.4 DPIM调制 10

2.2.5 几种调制方式对比 11

第3章 几种典型的超宽带脉冲调制方式的仿真及分析 12

3.1 TH-PPM-UWB调制 12

3.1.1 TH-PPM-UWB功率谱公式 12

3.1.2 TH-PPM-UWB仿真 13

3.2 TH-PAM-UWB调制 14

3.2.1 TH-PAM-UWB功率谱公式 14

3.2.2 TH-PAM-UWB仿真 16

3.3 DS-UWB调制技术 18

3.3.1 DS-UWB调制功率谱公式 18

3.3.2 DS-UWB调制仿真 19

3.4 三种超宽带调制技术的比较 20

第4章 总结 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 超宽带通信背景及研究意义

超宽带（UWB）是一种无线电通信技术，可以在很大频段范围内的无线电频谱上使用非常低的能量级别进行短距离、高带宽的通信。超宽带的研发初衷是为美军提供高精准度的非合作雷达成像，随着超宽带技术进入民用领域，其主要的应用方向变化为针对精准传感器数据的采集，精确定位和跟踪技术的研发。

根据美国联邦通信委员会（FCC）的标准，超宽带是指带宽超过500MHz或相对带宽不小于20％的无线电信号^[1]。2002年2月14日FCC的报告中规定信号在3.1至10.6 GHz的频率范围为超宽带，至今WiMedia联盟已经在这个频段范围内定义了14个频段。FCC报告中还限制超宽带发射机的发射功率谱密度为-41.3dBm/MHz，限制范围包括超宽带频带中的随机发射器。然而，超宽带发射器的发射极限在频谱的其他部分中呈现的功率谱密度较限定值更低（低至-75dBm/MHz）。

在超宽带技术发展的过程中，人们一直担心共享相同频谱的窄带信号和超宽带信号之间会产生干扰。通信技术发展的早些时候，唯一使用脉冲信号的无线电技术是火花间隙发射机，由于其产生的信号会干扰中波接收机接收信号，国际条约中禁止了火花间隙发射机的使用。然而，超宽带技术中含有通过脉冲调制形成超宽带信号的方式，过程中会使用到脉冲信号，这导致FCC组织在美国通过FCC规则以及与超宽带有关的会议以及通过FCC关于超宽带技术的报告和建议的会议上，关于超宽带脉冲是否会干扰其他传输方式这个问题引起了广泛的讨论。反对者认为，常用电器会产生热噪声（例如吹风机），如果工作在接收装置接收范围之内，就有可能干扰到传输信号，而热噪声可以看作脉冲信号，使用脉冲信号的超宽带技术在传输过程中同样可能对其他信号造成干扰，而支持者认为，可以通过广泛部署低功率宽带发射器，噪声不会被过度提高，超宽带传输信号就不会影响到其他传输信号^[2]。

超宽带技术理论上可以解决传统无线电传输中如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等难题，即使超宽带在发展过程中遇到诸多阻力，在无线通信方向上仍有非常可观的发展价值与应用前景。

1.2 超宽带技术特点、研究现状及前景

1.2.1 超宽带技术特点

超宽带信号具有系统容量大、传输速率高、功耗低、保密性优秀、多径分辨能力强以及定位精确的特点。

无线电技术在诸如通信，定位，跟踪和雷达等应用中的性能指标一般通过给定带宽和信道容量来表现。信道容量是系统给定信道从规定的源传递信息的理论最大可能位数。根据Shannon-Hartley定理，正确编码的信号的信道容量C与信道的带宽B和信噪比（SNR）的对数（假设噪声是加性高斯白噪声）成比例关系。

香农公式：

（1.1）

因此，可以通过增大信道带宽的值到实际可用的最大值，或者（在固定信道带宽中）通过以指数方式增加信号功率，使得信道容量线性增加。超宽带系统具有带宽大的特点，在限定的信号功率下，信道容量大于其他传输系统。因此，超宽带系统比其他传输系统在传输速率上具有优势。

根据香农公式可知，理论上在给定足够的信噪比的情况下，信道带宽越大，信道容量就越大。在相同信道容量的传输系统中，超宽带系统信道带宽更大，无需要使用可以产生非常高信噪比的更高阶调制方式，在实现上比传统传输系统更简单，功耗更低。

在无线通信技术中，信道化（与其他支路共享信道）是一个复杂的问题，会受许多变量的影响。在理想情况下，接收端信号检测器匹配发送信号的带宽，信号模式和延时。而两个超宽带支路可以通过使用正交跳时码在脉冲位置（或时间）调制系统中或使用正交脉冲和正交码在基于快速脉冲的系统中共享相同的频谱，因此，在多支路的超宽带系统中，只需设置好一条支路接收端信号检测器匹配发送信号的带宽，信号模式和延时即可设置好所有支路接收端信号检测器的数据^[3]。

将前向纠错用于高数据速率传输的超宽带脉冲系统中，可以提供接近香农极限的信道性能。在超宽带系统中，正交频分复用接收机通常使用低密度奇偶校验码（LDPC）、内部码来检查出大多数错误，然后再使用一些其他外部码，通过低密度奇偶校验码纠正内部码，使得在低误码率下修复偶然错误。例如：具有低密度奇偶校验码编码调制（RS-LCM）的里所码添加了里所纠错外码。DVB-T2标准和DVB-C2标准使用BCH码来消除低密度奇偶校验码解码后的残差。超宽带通道上的WiMedia联盟的标准使用混合自动重复请求：使用卷积和里所码进行内部纠错，使用帧校验序列进行外部纠错，当检查失败时触发自动重复请求（ARQ）。因此超宽带传输的误码率极低，还可以消除一定程度的误码。

当超宽带系统需要加密传输时，会使某些超宽带格式（主要是基于脉冲的）显示为背景噪声，以致非信号接收端不知道该信号的复杂模式，无法解调该加密超宽带信号。因此超宽带传输的保密性能极强。

多径干扰（信号的失真，因为接收机采用多种不同的路径进行各种相移和各种偏振位移）是窄带技术中的一个问题。多径干扰会导致信号衰落，而波浪干扰会破坏传输信号的准确性。超宽带传输过程中也会受到多径干扰的影响，但根据Shannon-Hartley定理以及适用于各种频率的模式，超宽带传输有更强的补偿能力。通常，一些超宽带系统使用rake接收机技术来恢复原始脉冲的多路径传输产生的副本以提高接收机的性能。另一些超宽带系统使用通道均衡技术来实现相同的目的。虽然在窄带接收机可能使用类似的技术，但由于窄带系统的不同分辨能力而受到限制。而超宽带系统通过特有的补偿技术，提升了传输系统的抗干扰能力。在诸多传输系统中具有巨大的优势。

1.2.2 超宽带技术研究现状

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