基于chirp信号的超宽带脉冲设计

2015-05-30张良凯

中国新通信 2015年20期

张良凯

【摘要】随着通信技术、计算机网络和多媒体技术的发展，人们对短距离、高速率无线通信业务的需求日益增长。为了构建短距离高速无线网络，无线个域网（Wireless Personal Area Networks， WPAN）的概念被提出，即在特定的距离内，给便携电子设备和通信设备之间提供高速率的数据连接。作为无线个域网中的一项关键技术与研究领域，超宽带（UWB-Ultra Wideband， UWB）成为解决高速短距离无线通信需求和日益拥挤的频谱资源分配之间矛盾的技术手段。目前在超宽带通信系统中，普遍采用的脉冲波形是高斯脉冲波形。用Chirp 信号来代替高斯脉冲信号，由于正向和反向线性调频脉冲具有良好的自相关性以及Chirp 信号可以用声表面波器件实现，具有系统易于实现，功耗低，复杂度低等特点。跟冲激无线电相比，Chirp超宽带基于线性调频扩频（CSS）技术，采用线性调频信号代替传统的窄脉冲，更适于中长距离传输。同时Chirp超宽带技术还具有抗干扰能力强、抗频偏能力强、发射功率低等优点。

【关键字】超宽带（UWB） Chirp 通信系统扩频技术

一、chirp超宽带的概念及相关介绍

Chirp信号是扩频信号，在一个信号周期内会表现出线性或非线性调频的特性，信号频率会随时间的变化而变化。chirp信号又被形象的称之为“扫频信号”。

Chirp信号的这种扫频特性可以应用在通信领域，表示数据符号等，达到扩频效果。这种用chirp信号进行扩频的通信方式成为chirp扩频（CSS），chirp超宽带的核心在于CSS技术。

超宽带（UWB）与传统通信技术不同的是，它是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的頻率范围。

Chirp超宽带是CSS和UWB的结合，它具有两者共同的特点，而且互补了两者的缺点。Chirp超宽带具有比UWB更远的传输距离，具有比CSS更高的多径分辨率和测量精度。

二、Chirp扩频技术

Chirp超宽带的核心技术就是扩频即CSS技术，满足UWB定义的CSS就是chirp超宽带。

Chirp信号中时间带宽积TB简称TB积，TB积是衡量Chirp信号的一个标准，在时域上看，TB积越大，压缩脉冲的能量就越大。在频域上看，TB积越大，其幅度越接近理想带通滤波器。CSS技术的基本原理是采用Chirp信号来表达数据符号，因为Chirp信号是宽带信号，所以使用Chirp信号来表示数据符号可以达到扩展带宽的效果。

Chirp扩频的特点有：

（1）抗干扰能力强；

（2）同步实现简易；

（3）发射功率低；

（4）低成本低功耗等。

三、基于Chirp超宽带的调制方式

现如今，人们常用的基于Chirp超宽带的调制方式可分为两大类：二进制正交键控调制（BOK）和直接调制（DM）。两类方式都可通过模拟设备简单实现。而且都采用了非相关的检测方法。

本文所设计的Chirp-BOK UWB无线通信系统，如下图所示。在发射端，用Up-Chirp表示二进制信息比特“1”，Down-Chirp表示二进制信息比特“0”。在接收端，采用RAKE接收机进行能量合并，并利用Up-Chirp和DownChirp良好的自相关性，采用相干解调，分别将Down-Chirp和Up-Chirp作为匹配滤波器的冲激响应，在每个Chirp信号结束时进行抽样判决，如果z1>z2，则判决为“1”，反之则为“0”。一对平方检波判决器决定输出是空位还是标记位。

由于系统中使用的是低成本、低功耗的声表面波器件，使Chirp-UWB系统更为简单，易实现。

在UWB进行较远距离通信时，还有一个要考虑的因素是信号的多径反射。UWB通信时所提供的大带宽对信号有着很大的影响。

随着数据速率的减小，传输距离逐渐增大。另外误码率也对传输距离有一定影响，适当提高误码率，可使传输距离有较大提高。这就需要在具体设计系统时在误码率和传输距离上有个较好的折衷。

基于Chirp扩频的超宽带通信系统功耗极低、结构简单、易于实现，在满足不同误码率的情况下，可以做不同距离的数据通信；同时，使用RAKE接收机能提高系统的传输距离。该系统可以作为超宽带低功耗、远距离、低速率通信的理想选择。