基于歸零基帶脈沖的OOK/DAMI方案

馮 偉，徐家品

(四川大學 電子信息學院多媒體與通信實驗室，四川 成都610064)

隨著全球信息產業的高速發展，無線技術中的傳輸速率已經從最初的kb/s發展到Mb/s，人們對高速高質量的無線通信服務的需求呈爆炸式增長。此外，現有的無線頻譜資源越來越緊張，60 GHz無線通信正是在這一背景下應運而生。IEEE802.15.3c建議，60 GHz系統一般選用SC PHY單載波模式、HSI PHY高速接口模式及AV PHY音頻/視頻模式。HSI PHY和AV PHY這兩種模式由于使用了OFDM復用體制[1]導致系統復雜度較高且對相位噪聲敏感[2]，單載波SC體制復雜度稍好但系統的通信容量又明顯小了很多，為此本文提出了一種基于多信號合成歸零基帶脈沖的OOK/DAMI方案，該方案屬于SC體制但通過合成方法來產生ps級的基帶脈沖信號，因而大大提高了通信系統的碼元速率。

目前產生ps級脈沖信號的方法大致可以分為3類，第一類利用可編程高速數字器件，優點是脈沖信號的頻率、相位、脈寬和幅度的程序可控[3]，由于使用的是電平變化陡峭的數字信號，所以產生的脈沖信號頻譜太寬。第二類基于階躍恢復二極管(SRD)，SRD在從正向激勵電壓轉換到負向激勵電壓時，反向電流會持續一段時間然后迅速截止，從而形成一個陡峭的階躍電壓來產生脈沖信號[4]。參考文獻[5]采用3級級聯的SRD電路產生了寬度為250 ps的脈沖信號，且3 dB帶寬接近4 GHz；參考文獻[6]采用由SRD和微波三極管構成的電路能產生脈寬為500 ps、峰峰值為7.6 V的單周期脈沖信號，但這種方法產生的脈沖信號幅度、頻率和脈寬等參數不好調節。第三類是采用傳輸線或晶格等器件，參考文獻[7]采用非線性傳輸線對產生的信號進行時域壓縮來得到需要的窄脈沖信號，這類方法的主要缺點是結構復雜且成本太高。

相反，本文采用信號合成方法來構造歸零基帶脈沖，不僅能夠產生ps級的歸零基帶窄脈沖，且功率譜能夠滿足60 GHz系統的遮蔽特性規范。通過改變參與合成信號的參數，能夠較方便地調節脈沖信號的幅度和頻率。

1 系統發射端模型

本文提出的基于多信號合成歸零基帶脈沖OOK/DAMI體制的通信系統，較多載波的OFDM體制不僅降低了系統收發機的結構復雜度、系統實現難度和成本，而且峰值平均功率比(PAPR)較OFDM體制的系統要小和對相位噪聲不那么敏感。最重要的是：采用多信號合成的方法可構造滿足功率譜遮蔽特性要求的歸零基帶脈沖；減小碼間串擾；增加系統抗干擾的能力；可以突破IEEE802.15.3c標準中OOK/DAMI體制數據的傳輸速率的上限；可提高系統功率發射的效率，大大降低系統的平均功耗。

1.1 OOK體制的通信系統發射端

如圖1所示，相干信號合成發生器的輸入端為一定頻率的余弦信號，PLL用于穩定余弦信號的頻率，相干信號合成發生器的輸出端為歸零窄脈沖包絡信號，經OOK脈沖編碼后形成單極性歸零脈沖w(t-kTp)，與載波相乘后輸出的載波脈沖為s(t)：

其中 Tp為 bit同步周期，ωc為60 GHz載波頻率。脈沖編碼模塊部分實現基帶OOK調制功能，載波調制使用SSB單邊帶調制，可以減小頻譜的占用。BP為帶通濾波器，用來濾除掉60 GHz頻帶附近之外的噪聲，RFPA為射頻功率放大器，將已調信號進行放大后從發射天線發送出去。

圖1 基于歸零基帶脈沖OOK體制的60 GHz毫米波通信系統發送端模型

1.2 DAMI體制的通信系統發射端

如圖2所示，相干合成信號發生器生成歸零窄脈沖包絡信號，同相和反相的歸零窄脈沖包絡信號進入脈沖編碼器，經DAMI脈沖編碼后形成雙極性歸零基帶脈沖m(t)：

圖2 基于歸零基帶脈沖DAMI體制的60 GHz毫米波通信系統發送端模型

經SSB調制后輸出的載波脈沖為s(t)：

其中m?(t)為 m(t)的 Hilbert變換，Tp為 bit同步周期，ωc為60 GHz載波頻率。二者的星座圖如圖3所示。

圖3 基于歸零基帶脈沖體制的星座圖

2 系統接收端模型

由于基于歸零基帶脈沖OOK/DAMI體制的接收端工作原理相同，所以都可以采用圖4所示的結構。

圖4 基于歸零基帶脈沖OOK/DAMI體制的60 GHz毫米波通信系統接收端模型

接收端信號由接收天線進入到BP模塊，BP模塊濾除掉60 GHz通信頻帶之外的噪聲信號，低噪聲放大器LNA對接收信號進行放大，之后進行解調。PLL模塊用來從放大之后的接收信號中提取出60 GHz的載波信號，之后經過兩個乘法器和LP(低通濾波器)分別實現正交和同相分量信號的提取，最后再通過整形、同步和解碼模塊后輸出二進制數據信號。

3 調制信號功率譜仿真分析

我國于2006年10月以信無函[2006]82號文件規定了 59 GHz～64 GHz作為 60 GHz頻段微功率(短距離)無線技術應用[8]，產生符合60 GHz功率譜遮蔽特性要求的皮秒級窄脈沖，是60 GHz脈沖通信系統中最為關鍵技術之一，也是主要的挑戰。在脈沖設計方面，采用多信號相干合成方法來構造歸零基帶脈沖。選用的基帶脈沖信號不同，調制之后的信號頻譜利用率也相差很大，幾種常用信號脈沖調制后的功率譜密度如圖5所示。

圖5 信號脈沖調制后功率譜密度

從圖5中可以看到不同類型的基帶脈沖調制后發射頻譜遮蔽特性差異很大。目前廣泛采用的是矩形脈沖調制，由于時域信號存在較陡峭變化的邊緣，所以其功率譜旁瓣較多且占的比例較大，發射頻譜的遮蔽特性最差。而高斯脈沖調制的發射頻譜的遮蔽特性相對最好，不僅沒有旁瓣，而且功率譜主要成分集中在載頻附近。

本文使用相干信號合成發生器來產生所需的歸零基帶脈沖信號，產生的脈沖信號為高斯脈沖，脈沖信號調制之后的時域波形和對應的功率譜密度PSD如圖6所示。

圖6(a)中，已調信號的包絡為高斯信號，沒有變化陡峭的部分。圖6(b)中顯示了當載波頻率在60 GHz附近變化時已調信號的功率譜密度，主瓣寬度在4 GHz左右，滿足60 GHz頻段的頻譜使用要求。當相干合成的參數不一樣時，產生已調信號的功率譜密度PSD也不同。本文通過對掩蔽功率譜利用率的比較來從備選脈沖中選出較優的脈沖信號。掩蔽功率譜利用率η定義為在功率譜限制范圍內的實際信號功率與總的可利用功率之比，用于測量信號波形利用輻射功率限制的效率。

圖6 相干合成的高斯沖激脈沖調制的時域波形和功率譜密度PSD

其中ac是單位轉換常數，P(f)是脈沖p(t)的頻譜，由于發射機產生的信號發射到輻射電磁遠場，信號產生線性變換，用系統函數 Heq(f)來表示。M(f)是輻射功率掩蔽，Fmin、Fmax是規定系統頻段的最低頻率和最高頻率。

本文針對傳統60 GHz毫米波無線通信系統的不足，提出了一種新型的基于相干合成歸零基帶脈沖OOK/DAMI體制的60 GHz毫米波通信系統模型，給出了OOK體制和DAMI體制下的通信系統發射端和接收端原理框圖，并分析了關鍵模塊的原理和功能，最后仿真分析了已調信號的功率譜密度，仿真結果顯示功率譜能夠滿足60 GHz通信功率遮蔽特性的要求。

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[8]信無函[2006]82號.關于 60 GHz頻段微功率(短距離)無線電技術應用有關問題的通知[Z].2006.