基于chirp信號的超寬帶脈沖設計

張良凱

【摘要】 隨著通信技術、計算機網絡和多媒體技術的發展，人們對短距離、高速率無線通信業務的需求日益增長。為了構建短距離高速無線網絡，無線個域網（Wireless Personal Area Networks， WPAN）的概念被提出，即在特定的距離內，給便攜電子設備和通信設備之間提供高速率的數據連接。作為無線個域網中的一項關鍵技術與研究領域，超寬帶（UWB-Ultra Wideband， UWB）成為解決高速短距離無線通信需求和日益擁擠的頻譜資源分配之間矛盾的技術手段。目前在超寬帶通信系統中，普遍采用的脈沖波形是高斯脈沖波形。用Chirp 信號來代替高斯脈沖信號，由于正向和反向線性調頻脈沖具有良好的自相關性以及Chirp 信號可以用聲表面波器件實現，具有系統易于實現，功耗低，復雜度低等特點。跟沖激無線電相比，Chirp超寬帶基于線性調頻擴頻（CSS）技術，采用線性調頻信號代替傳統的窄脈沖，更適于中長距離傳輸。同時Chirp超寬帶技術還具有抗干擾能力強、抗頻偏能力強、發射功率低等優點。

【關鍵字】 超寬帶（UWB） Chirp 通信系統 擴頻技術

一、chirp超寬帶的概念及相關介紹

Chirp信號是擴頻信號，在一個信號周期內會表現出線性或非線性調頻的特性，信號頻率會隨時間的變化而變化。chirp信號又被形象的稱之為“掃頻信號”。

Chirp信號的這種掃頻特性可以應用在通信領域，表示數據符號等，達到擴頻效果。這種用chirp信號進行擴頻的通信方式成為chirp擴頻（CSS），chirp超寬帶的核心在于CSS技術。

超寬帶（UWB）與傳統通信技術不同的是，它是一種無載波通信技術，即它不采用載波，而是利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用納秒級窄脈沖發射無線信號的技術，適用于高速、近距離的無線個人通信。按照FCC的規定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。

Chirp超寬帶是CSS和UWB的結合，它具有兩者共同的特點，而且互補了兩者的缺點。Chirp超寬帶具有比UWB更遠的傳輸距離，具有比CSS更高的多徑分辨率和測量精度。

二、Chirp擴頻技術

Chirp超寬帶的核心技術就是擴頻即CSS技術，滿足UWB定義的CSS就是chirp超寬帶。

Chirp信號中時間帶寬積TB簡稱TB積，TB積是衡量Chirp信號的一個標準，在時域上看，TB積越大，壓縮脈沖的能量就越大。在頻域上看，TB積越大，其幅度越接近理想帶通濾波器。CSS技術的基本原理是采用Chirp信號來表達數據符號，因為Chirp信號是寬帶信號，所以使用Chirp信號來表示數據符號可以達到擴展帶寬的效果。

Chirp擴頻的特點有：

（1）抗干擾能力強；

（2）同步實現簡易；

（3）發射功率低；

（4）低成本低功耗等。

三、基于Chirp超寬帶的調制方式

現如今，人們常用的基于Chirp超寬帶的調制方式可分為兩大類：二進制正交鍵控調制（BOK）和直接調制（DM）。兩類方式都可通過模擬設備簡單實現。而且都采用了非相關的檢測方法。

本文所設計的Chirp-BOK UWB無線通信系統，如下圖所示。在發射端，用Up-Chirp表示二進制信息比特“1”，Down-Chirp表示二進制信息比特“0”。在接收端，采用RAKE接收機進行能量合并，并利用Up-Chirp和DownChirp良好的自相關性，采用相干解調，分別將Down-Chirp和Up-Chirp作為匹配濾波器的沖激響應，在每個Chirp信號結束時進行抽樣判決，如果z1>z2，則判決為“1”，反之則為“0”。一對平方檢波判決器決定輸出是空位還是標記位。

由于系統中使用的是低成本、低功耗的聲表面波器件，使Chirp-UWB系統更為簡單，易實現。

在UWB進行較遠距離通信時，還有一個要考慮的因素是信號的多徑反射。UWB通信時所提供的大帶寬對信號有著很大的影響。

隨著數據速率的減小，傳輸距離逐漸增大。另外誤碼率也對傳輸距離有一定影響，適當提高誤碼率，可使傳輸距離有較大提高。這就需要在具體設計系統時在誤碼率和傳輸距離上有個較好的折衷。

基于Chirp擴頻的超寬帶通信系統功耗極低、結構簡單、易于實現，在滿足不同誤碼率的情況下，可以做不同距離的數據通信；同時，使用RAKE接收機能提高系統的傳輸距離。該系統可以作為超寬帶低功耗、遠距離、低速率通信的理想選擇。

參 考 文 獻

[1]馬英杰，周正，何文才.認知UWB正交脈沖序列設計及性能分析[J].北京理工大學學報，2011，31（5）：583-588.