（无线电物理专业论文）基于tr技术的超宽带无线通信技术.pdf

摘要 摘要 超宽带无线通信的用户大多处在异常复杂的环境中，复杂环境的时变多径传 播特性会严重影响通信性能，克服这一问题的核心技术之一是在无线链路中引入 环境自适应技术一时间反演技术。近年来众多研究表明时间反演技术具有很好的 时空聚焦特性，将时间反演技术与超宽带无线通信系统结合具有很好的应用前景。 本文研究目的是将时间反演技术应用到超宽带无线通信系统中，建立基于时 间反演的脉冲超宽带系统模型，研究该系统的通信性能，考察时间反演技术对原 有脉冲超宽带通信系统性能的改善。 本文的主要内容如下： 首先，介绍了基于时间反演的脉冲超宽带无线通信系统的基本理论，并对系 统中的各个组成单元进行了详细阐述，建立了基于时间反演的跳时脉冲位置调制 和直扩脉冲幅度调制超宽带无线通信系统模型。 接着，在m a t l a b 及s i m u l i n k 平台上分别建立了基于时间反演的跳时脉冲位置 调制和直接序列脉冲幅度调制超宽带无线通信系统模型，并就模型中重要模块的 m 文件进行了详细分析。 最后，在i e e e 超宽带多径信道模型和加性高斯白噪声模型中，分别对所建立 的两种基于时间反演技术的脉冲超宽带无线通信系统和采用r a k e 接收机的一般超 宽带无线通信系统进行仿真。通过对比分析，研讨了时间反演技术对脉冲超宽带 无线通信系统的性能和结构的改善。 关键词：脉冲超宽带技术，时间反演，s i m u l i n k ，跳时脉冲位置调制，直接序 列脉冲幅度调制 a b s t ra c t a b s t r a c t t h et i m ev m e t ya n dm u l t i - p a t he f f e c to fc h a n n e le n v i r o n m e n t , w h i c hm o s tu s e r s o fu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sh a v e , c o u l de x t r e m e l yd e g r a d et h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ap r o m i s i n gs o l u t i o nt ot h i sp r o b l e mi st oe m p l o yt h e e n v i r o n m e n ta d a p t i v et e c h n i q u ei nt h et r a n s m i s s i o nl i n k r e c e n t l y , m a n yr e p o r t si nt i m e r e v e r s a lr e s e a r c hi n d i c a t e dt h en o t a b l ec h a r a c t e r i s t i co ft i m er e v e r s a l ，n a m e ds p a c e - t i m e f o c u s i n g t h ec o m b i n a t i o no ft i m er e v e r s a lt e c h n o l o g yw i t hu l t r a - w i d e b a n dt e c h n o l o g y i sb d i e v e dh a v i n gg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h et a r g e to ft h i st h e s i si st oa p p r o p r i a t e l yu s et h et i m er e v e r s a lt e c h n i q u ei nt h e u l t r aw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，c o n c r e t e l y , t oe s t a b l i s ht h em o d e lo f t i m er e v e r s a lb a s e du w b s y s t e m , t od i s c u s st h ec o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e , a n dt o i n v e s t i g a t et h es y s t e mp e r f o r m a n e c ei m p r o v e m e n tb r o u g h ti nb yt h et i m er e v e r s a l t e c h n i q u e t h ec o n t e n to ft h et h e s i si sp r e s e n t e da sf o l l o w s f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo ft i m er e v e r s a lb a s e du w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi si n t r o d u c e da n dt h ee l e m e n t so ft h es y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e nt h e t i m eh o p p i n gp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( t h p p m ) u w bs y s t e mm o d e la n dd i r e c t s e q u e n c ep u l s ea m p l i t u d em o d u l 撕o n ( d s - p a m ) u w bs y s t e mm o d e la r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h et h - p p m - u w bs y s t e mm o d e lb a s e d o nt i m er e v e r s a la n d d s - p a m - u w bs y s t e mm o d e lb a s e do nt i m er e v e r s a la r ed e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo f m a t l a ba n ds i m u l i n k s o m eo ft h emf i l e sf o rk e ym u d u l e sa r ea n a l y z e di nd e t a i l a tl a s t , t h et w oi m p u l s e - b a s e du w bs y s t e m sb a s e do nt i m er e v e r s a lt e c h n i q u e a n dt h eo r d i n a r yu w bs y s t e m u s i n gr a k er e c e i v e ri na w g nc h a n n e la n di e e e m u l t i - p a t hc h a n n e l sa r es i m u l a t e d t h er e s e a r c ho nt h ei m p r o v e m e n to fc o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c ea n ds y s t e ms t r u c t u r ea r ed i s c u s s e db yc o m p a r i s o na n da n a l y z a t i o n k e y w o r d s ：i m p u l s e - b a s e du l t r a - w i d eb a n d ，t i m er e v e r s e , s i m u l i n k , t i m eh o p p i n g p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，d i r e c ts e q u e n c ep u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：壅丝日期：2 。疗年6 月台日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名：二黜 日期：立。噼6 月6 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早硒下匕 超宽带技术早在二十世纪六、七十年代就已在雷达信号处理领域引起了人们 的注意【l 】，只是受到当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛的应用。随 着微电子技术和射频、无线技术等的快速发展，特别是低成本高采样速率和高处 理速率超大规模集成芯片的飞速发展，使超宽带信号处理和超宽带无线通信的实 用化成为了可能，其特殊的优越性日益受到关注。但是无线通信的用户大多处在 异常复杂的环境中，复杂环境的时变多径传播特性会严重影响通信性能，克服这 一问题的核心技术之一是在无线链路中引入环境自适应技术一时间反演技术( t i m e r e v e r s a l ，简称t r ) 【2 】。t r 技术的基本原理是利用麦克斯韦方程的对称性，对记录的 由接收机送来的宽带探测信息进行逆时处理并用信息调制发射，信号能够自动地 在接收用户处实现时间空间同步聚焦，实现信号的完美复现【3 】。由于时间反演信号 的时空聚焦特性，能够极大提高超宽带无线通信系统的性能。 本章将分别综述时间反演技术的发展历史、现状、基本原理和主要应用；超 宽带无线通信技术的发展现状、基本原理、优势和主要应用。 1 2 时间反演技术概述 时间反演技术起源于时间反转镜( t i m er e v e r s a lm i r r o r 简称蝴) ，而t r a m 是光学相位共轭法的引申。在超声检测和成像中由于待测对象多是不均匀介质， 如人体、地层等，当声束在其中传播时，由于传播介质的密度和声速随空间起伏 变化，会使声束弯曲、使聚焦点散焦，形成相差畸变、图像失真和模糊【4 】。为了克 服介质分布非均匀性的影响，在声学中，引用了源于光学中不均匀介质的相位共 轭法，并将连续波的相位共轭法发展到脉冲波的时间反转法。 光学上的相位共轭法【5 】是为了弥补不同光线在通过不均匀介质的相位差，利用 一个相位共轭镜，使之重发一个共轭相位的波阵面，进行补偿。发出相位共轭波 阵面的方法是该波阵面与另一入射的二次谐波光波在空间混频而得到。 声学与光学类似，很容易想到将相位共轭方法用到声学上来【6 7 】。但是这在声 电子科技大学硕士学位论文 学上实现是比较困难的，其主要原因是由于在声学中介质的非线性系数较小，这 种混频不是很奏效。1 9 6 5 年p a r v u l e s c u 和c l a y 已经对时间反转、再发射以补偿多 径影响的试验进行了报道，但该试验并未体现出相位共轭( 或时间反转) 的空间聚焦 特性。直到2 0 世纪8 0 年代末，人们才利用超声比光学频率低的特点，将接收的 声信号经过换能器变成电信号，对此电信号利用电学上的混频方法得到相位共轭 信号，将其再次通过换能器发射出共轭的声信号，实现声束在目标方位上的聚梨8 1 。 同时研制出可以对信号进行检测、采样、存储、时间反转并重发的实用性系统。 从1 9 8 9 年f i n k 等人在超声方面获得了t r m 技术聚焦能力的结论后【9 】，t r m 技术 才成为科学家们理论和试验研究的一大热点【1 0 1 。之后的研究逐步表明了t r 在工程 应用领域中的巨大价值，采用这种技术，能使在均匀和非均匀媒质中传播的声波 实现时间和空间的同步聚焦，因此可用于复杂媒质中目标的探测。 近几年，人们开始研究t r 技术在电磁波领域的应用。人们发现，在电磁波传 播中利用t r 技术，同样可以实现电磁波的时间和空间同步聚焦，因此，可用于目 标的探测，如用于微波成像、体内癌细胞治疗等【l 卜1 3 】。同时，也逐步开展其在现 代无线通信系统中的应用研究，只是略去第一步骤而将目标反射信号用接收用户 所发射的探测信号代替，接收机处对所记录的无线信号信道响应进行时间反演操 作，并按特定方式将通信信息进行调制，信号将能够准确无误地在接收机处实现 时间空间同步聚焦，信号也因此仅在接收机处完美重现。 然而，目前t r 技术在无线通信方面的研究与应用仍然处于起步阶段。所取得 的成功主要集中在基于t r 的超宽带( i 照，b ) 电磁脉冲时间空间聚焦的物理现象 和物理机制研究方面【1 4 1 5 1 ，也有一些研究者尝试了t r 技术在多输入多输出 ( m i m o ) 天线通信系统中的简单应用【16 】。这些成果基本上是基于试验方法，研 究从发射端发射的信号在多径环境中传输到接收端信号的时间聚焦和空间聚焦特 性，实验表明，基于t r 的超宽带无线通信技术具有很强的环境自适应能力，展现 了其在无线通信应用中的巨大潜力。在公开的专利中，出现了t r 在电子信息技术 领域的应用专利，它们主要基于t r 的信号调制解调技术以及信号处理技术，用以 对信号进行均衡处理。另外也出现了单比特和多比特的低速t r 无线传输系统【l 八， 其中提出基于t r 的通信技术仍然用来实现信号处理功能且系统传输速率极低，不 能满足现代高速通信要求。 2 第一章绪论 1 3 超宽带无线通信技术概述 1 3 1 超宽带无线通信技术的起源和发展状况 超宽带技术的历史渊源，可以追溯到一百年前马可尼发明越洋无线电报的时 代。实际上马可尼在1 8 9 7 年演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线电这个 词的含义。马可尼最早发明的火花隙发射器的信号就占据了很宽的频带。不过， 现代意义上的超宽带无线电，又称为冲激无线电( ( m ：i m p u l s er a d i o ) 技术，出现于 二十世纪六十年代，最早则可追溯到1 9 4 2 年d er o s a 提交的随机脉冲系统的专利。 冲激无线电技术出现之后的应用长期仅限于军事、灾害救援搜索、雷达定位及测 距等领域。 1 9 6 3 年美国s p e r r y 研究中心的r o s s 博士以u w b 信号作为分析工具来研究微 波网络的特性、材料的内在特性，并用于天线接收单元的分析研究【l 列；之后r o s s 博士又进一步开发了一种用于短距离探测目标的室内雷达。1 9 7 4 年，m o r a y 申请 了一个采用超宽带技术的地面探测雷达系统的美国发明专利，这个系统可以探测 深达几米的地下地貌，这个系统后来在商业上取得了成功。1 9 7 8 年r o s s 博士在 i e e e 会刊文章中以“时域电磁学为标题对超宽带作了比较全面的综述，论述了 超宽带信号波形的产生技术，时域处理方法与时域特征分析技术，相关的天线技 术以及基带雷达技术等。从8 0 年代开始，时域电磁学的研究成果开始被应用于无 线通信，特别是在密集多径环境下的短程通信。s c h o l t z 在文章【1 9 】中详细地综述了 这种被称为“冲激无线电( i m p u l s er a d i o ) 的应用，以及该技术的优点和缺点。文 章论述了在同一个区域中冲激无线电通信系统可以容纳大量的用户，而目这种冲 激无线电超宽带信号具有比窄带信号更强的抗多径能力，超宽带在无线通信中的 应用开始受到广泛的关注。 超宽带技术真正成为热点是近年来的新兴事情。2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦 通信委员会f c c 发布了超宽带无线通信的初步规范，规定了超宽带无线通信目前 实际可使用的频谱范围为3 1 1 0 6g h z ，并规定了在这一范围内平均发射功率不超 过4 1 3d b m m h z ，从而正式有条件地解除了超宽带技术在民用领域的使用限制， 这是超宽带技术真正走向商业化的里程碑，也极大地激发了相关的学术研究和产 业化进程。i e e e 8 0 2 1 5 3 a 任务组将u w b 作为高速无线个域网最重要的实现技术 之一。很多公司提交了基于超宽带技术的物理层提案，争取成为实现的标准。出 于各自的商业利益的考虑，各方案之间竞争十分激烈，还没有形成普遍接受的标 3 电子科技大学硕士学位论文 准，有关的标准化进程还在进行中。 目前，国际上许多著名的国际性跨国公司，如i n t e l 、a t & t 、t i 、m o t o r o l a 、 i b m 、s o n y 等等都涉足这些方面的研究，有的还成立了专门的研究所，有的正在 申请或获得了相关方面的专利，有的彼此之间结成u w b 方面的各种联盟，致力于 个人无线多媒体应用。美国i n t e l 和x t r e m es p e c t r u m 更是早在2 0 0 2 年就推出了采 用大规模集成电路、速率达1 0 0 m b p s 以上的u w b 传输链路演示系统。2 0 0 3 年4 月i n t e l 公司演示了多带方式的u w b 系统，速率达到2 2 0 m b p s ，传输距离为l 米； 同时，新加坡资讯通信研究院的u w b 实验系统更是达到了2 2 0 m b p s 的速率，传 输距离为4 米。m o t o r o l a 收购x t r e m e s p e c t r u m 后成立f r e e s c a l e 公司，期间多次进 行了同时有微波炉、蓝牙系统、8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l a 、蜂窝通信系统、无绳电话在同 一地区工作的条件下传输两路不同高清晰度数字电视( h d t v , h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 活动图像的演示，产生了巨大影响。另外，还有t i m e d o m a i n 、w i s a i r 、 a l e r e o n 、a t m e l 等多家公司都演示了其u w b 通信系统或者发布了u w b 芯片。 国际上许多著名的大学和研究机构，如斯坦福大学、南加州大学、英特尔无 线研究室等等都广泛开展了这方面的研究，有的还成立了专门的实验室，已经获 得了很多重要的进展。美国南加州大学的s c h o l t z 教授等学者在南加州大学成立的 u 1 t r a l a b 实验室是世界上超宽带通信系统技术的一个重要研究机构。他们与美国 t i m e d o m a i n 公司率先联合研究跳时扩谱u w b 技术在通信中的应用【2 眦3 1 ，并开展 对超宽带通信系统中的信道特性的实测与理论研究，给出了初步的信道特性描述， 分析了关于跳时扩谱u w b 系统在多径信道下的性能，极大地推动了超宽带技术的 理论研究。 我国在超宽带无线通信技术方面的研究刚刚起步，得到了国家和学界广泛的 重视。国家8 6 3 计划和国家自然科学基金已设立了超宽带技术的研究项日，虽然 取得重要进展，与欧美国家先进的技术水平和强大的资金投入相比，在实用系统 研发和相关技术的国家标准制定等方面差距很大，而且差距有逐渐拉大的趋势， 需要努力迎头赶上。 1 3 2 超宽带无线通信技术的规范和标准化工作 如前所述，2 0 0 2 年4 月美国f c c 正式有条件地解除了u w b 技术在民用领域 的使用限制。事实上，为探索u w b 应用于民用领域的可行性，自1 9 9 8 年起，f c c 就超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛 4 第一章绪论 征求业界意见并委托相关机构进行评估，美国国家通信与信息委员会( n t i a ： n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o na d m i n i s t r a t i o n ) 等团体对此大约提交了 8 0 0 多份意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍有条件地 开放了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明此项技术所具 有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。在1 9 9 8 年9 月，f c c 提出了一个征求建 议的通知函，开始探讨u w b 系统在原f c cp a r t l 5 条例规范下应用的可能性；在 2 0 0 0 年5 月n 日，f c c 发布了一个n o t i c eo fp r o p o s er u l em a k i n g ( n p r m ) ，准 备修改p a r t l 5 条例以便允许u w b 技术的应用。在2 0 0 2 年4 月，f c c 发布f i r s t r e p o r t a n do r d e r ，在2 0 0 2 年8 月2 0 日，f c c 正式修改了p a r t l 5 ，允许u w b 以无许可证 的方式使用很宽的一段频带。 但f c c 对可利用带宽和信号发送功率附加了若干限制。具体而言，对使用 u w b 时的发送输出功率标准值按3 个用途分别做出了规定。这3 个用途分别是： ( 1 ) 成像系统i m a g i n g s y s t e m s ( 如：地质勘探及可穿透障碍物的传感器等) ，包括地面 穿透雷达g p r 、墙内、穿墙和医用成像以及监视系统；( 2 ) 车辆雷达系统v e h i c l e r a d e rs y s t e m s ( 如：汽车防冲撞传感器等) ；( 3 ) 通信与测量系统c o m m u n i c a t i o n sa n d m e a s u r e m e n ts y s t e m s ( 如：家电设备及便携终端之间的无线数据通信等) 。f c c 对这 些超宽带应用的有效各向同性发射功率( e i r p ：e f f e c t i v ei s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 和 频谱进行了严格规定，如图1 1 所示。 欧美其他有关标准化组织，如美国电子与电气工程师协会( i e e e ：i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) 、欧洲电信标准化协会( e t s i ： e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e ) 和国际电信联盟( i t u ：i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 也在相继进行相关的标准化工作。 i e e e8 0 2 1 5t g 3 a 工作组已对采用u w b 技术的高速无线个域网( w p a n ： w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的媒体接入控制( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层 标准提出了指导性规范；对3 1 1 0 6g h z 频段u w b 信号的传播特性与信道模型提 案进行评审，建立了以i n t e l 公司信道模型提案为基础的典型应用场合信道模型。 在先后征集到的物理层提案中，经多轮任务组会议不断反复评审、筛选、合并、 修改，目前主流方案集中在两个有载波超宽带方案上，一是以美国i n t e l 、美国德 州仪器t i 公司为首的多带o f d m 联盟( m b o a ：m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e ) 所提出 的多带o f d m ( m b o f d m ：m u l t i b a n do f d m ) 方案：另一个是以美国m o t o r o l a 公司 为主导的双子带直扩码分多址( d s c d m a ：d i r e c ts e q u e n c es p r e a d i n gc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 方案。 5 电子科技大学硕士学位论文 善 嘉 董 墨 趸 塞 霎 p r e q u e n c y i ng f t z 图1 - 1f c c 对超宽带信号带宽功率和频谱的限制 在征集、评审提案过程中，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 任务组要求各个物理层提案须满足 如下基本要求： ( 1 ) 可以在短距离内传输高速率数据，当距离增大的时候，比特率可以适当减 小。具体地，当传输距离为1 0 米时，要求系统能够达到1 1 0 m b i t s s 的数据速率； 当传输距离降低到4 米时，数据速率达到2 0 0 m b i t s s ；如果距离进一步降低，希望 能够达到4 8 0 m b i t s s 以上的速率： ( 2 ) 对性能的要求是：对于1 0 2 4 b y t e 的帧，误帧率应该小于8 ；容量大，要 求至少能够支持4 个p i c o n e t 同时传输，其中每一个p i c o n e t 的最小有效数据速率至 少达到5 0 m b i 吲s ； ( 3 ) 能够与其它系统共存，能够与i e e e 8 0 2 1 5 b l u e t o o t h t m 蓝牙系统、i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网( w l a n ：w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、i e e e8 0 2 1 6 宽带无 线接a ( b w a ：b r o a d b a n dw i r e l e s sa c e e s s ) 系统，以及无绳电话共存工作而互相不造 成明显的干扰，还应该考虑对其它的辐射装置( 例如微波炉) 的抗干扰能力。 ( 4 ) 功率消耗小，要求数据速率为1 1 0 m b i t s s 时，消耗的功率应该小于1 0 0 m w ， 数据速率为2 0 0 m b s 时，消耗的功率应该小于2 5 0 m w 。并要求系统具有省电模式。 6 第一章绪论 系统的复杂度应该与蓝牙大致相当。 此外，致力于低速w p a n 应用的i e e e 8 0 2 15 4 a 任务组亦随后成立，基于脉 冲方式的超宽带方案得到了高度重视，该任务组的标准化工作尚处于起步阶段。 1 3 3 超宽带无线通信技术的优势 超宽带信号在时域上持续时间极短，是一种纳秒级脉冲。在频域上，它的频 带覆盖了很宽的频带，包括现在大多数无线通信系统的工作频段。因此，在超宽 带技术的发展过程中，美国联邦通信委员会f c c 等有关组织对超宽带无线系统的 频谱提出了十分严格的规定，目前允许的超宽带通信应用中大多采用的超宽带信 号已是经过载波调制的信号，或者是通过波形设计或滤波后的频谱符合有关规定 的信号。根据f c c 的规定，超宽带信号有两种定义：一种定义是指1 0 d b 带宽超过 5 0 0 m h z 的信号；另一种定义是指相对带宽叩大于0 2 0 ( h p2 0 ) 的信号，所谓相对 带宽r ，是指刁= 2 ( 厶一五) ( 厶+ 五) 其中厶和五分别表示该信号1 0 d b 带宽的高、 低频率。 由于使用极窄的脉冲并具有很宽的带宽，超宽带技术具有如下优势： ( 1 ) 超宽带信号的带宽极宽，可提供很大的系统容量，这使得超宽带无线系统 适合于高速率无线传输应用；数据传输速率范围可在每秒数十兆比特到每秒数百 兆比特，甚至上g b i t s s 。 ( 2 ) 极宽的带宽使得系统具有很大的增益，抗窄带干扰的能力强。超宽带系统 进一步通过采用跳时或扩谱信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的 脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率很低，甚至比普通仪器产生的噪声功率 还小，接收时将信号还原，在解扩的过程中产生了扩频增益。因此，在相同码率 下，和i e e e 8 0 2 1 1 系列无线局域网和i e e e 8 0 2 1 5 蓝牙等相比，超宽带系统具有更 强的抗干扰功能。 ( 3 ) 超宽带信号具有较强的多径分辨能力。由于超宽带系统发射持续时间极短 的脉冲，占空比也非常低，在接收端，多径信号在时间上能做到有效的分离，因 此具有比较强的时间分辨能力，有利于多径环境下通信和精确定位方面的应用。 ( 4 ) 超宽带信号的发射功率十分低，仅仅相当于一些设备的背景噪声，对其它 窄带系统的干扰小，可以和现存的窄带通信系统同时运行，具有比较好的共存性， 可与其他系统共享频谱资源，提高频谱利用率。 ( 5 ) 同样，由于发射功率十分低，超宽带信号被截获、侦测到的概率低，有利 7 电子科技大学硕士学位论文 于安全保密通信。 ( 6 ) 发送功率小还大大延长了系统电源的使用时间，同时减少了对人体的影响。 在电池寿命和电磁辐射上，超宽带无线系统具有很大的优越性。 ( 7 ) 利用带宽优势，相对于使用载波传输的无线通讯技术，不需要使用复杂的 调制方法和接收方法，超宽带射频收发器架构很简单，系统实现相对简单，成本 较低。 1 3 4 超宽带无线通信技术的主要应用 由于超宽带技术的上述优势，使超宽带无线传输技术成为中短距离无线网络 的理想接入技术。根据传输速率不同，超宽带无线传输系统也具有不同的特点和 应用领域。近年来，人们对超宽带技术的深入研究使超宽带技术在系统理论、天 线、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了巨大进步， 尤其是在超宽带无线传输领域的技术进步，使超宽带通信成为末来无线网络的重 要组成部分成为可能。 利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能【2 4 】，可以设计 既具有通信功能也具有定位功能的脉冲超宽带无线传输与定位系统【2 5 】。该系统具 有传输距离远( 通信速率低) 、分布式移动定位、便携、低成本、低功耗、定位可靠 性和精度高等特点，因而可以广泛应用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘 点、人员监护与救生等重要领域。美国已经开发出相关产品和技术，如帮助执法 人员透过墙壁等其他障碍物透视、探测违法人员活动情况的技术，帮助消防人员 发现起火房间里是否还有人存在的监控产品等。这一技术还可用于汽车、航空器 等交通设备防碰撞传感器中，如当传感器感觉到汽车遭遇紧急情况时会让气袋处 于待命状态。利用超宽带信号截获概率低、保密性高和体积小的优点，该系统还 可以应用于侦察、情报收集、伤员救护、武器制导等军事领域。u w b 技术正在诸 如需要低捕获和检测概率、抗多径的无线保密安全通信、短距离高速无线数据传 输、精确测距与定位、雷达、透视、监控乃至医疗等等应用领域里引起了越来越 广泛的兴趣。 总的说来，超宽带技术的主要应用有两个方面：短距离高速无线多媒体通信 应用，包括了短距离( 1 0 米以内，速率在l o o m b p s 以上) 高速无线多媒体个域网智 能家域网及无线u s b 等；低速超宽带技术的应用，包括雷达、定位、传感与成像 监控。 8 第一章绪论 1 4 研究基于时间反演的超宽带无线通信技术的目的和意义 超宽带( u w b ) 无线通信系统与现有其他无线通信系统相比，具有诸多优点， 如上面所述的通信容量高、高多径分辨率、不需要新频谱( 兼容其他系统) 、保密 性好等，使它成为了下一代无线通信的关键技术之一。无线通信的用户大多处在 异常复杂的环境中，虽然超宽带无线通信技术具有很强的抗多径干扰的能力，在 脉冲超宽带和基于o f d m 超宽带技术中，多径传播还是会严重影响系统的性能，导 致误码率提高，克服这一问题的核心技术之一是在无线链路中引入环境自适应技 术一时问反演技术。 为了进一步提高u w b 无线通信系统的性能，需要研究基于时间反演 ( t i m e r e v e r s a l ：t r ) 的环境自适应超宽带高效无线链路传输技术。t r 技术的基 本原理是利用麦克斯韦方程的对称性，对记录的由接收机发来的宽带探测信息进 行逆时处理并用信息调制发射，信号能够自动地在接收用户处实现时间空间同步 聚焦，实现信号的完美复现。简单分析表明，一方面t r 信号的时间空间聚焦特性 能够极大地提高通信性能，增加通信容量、降低符号间干扰( s i s ) 和共道干扰、 提高传输速率、增加保密性能，而通信系统结构却非常简单；另一方面t r 技术的 基本原理使宽带无线系统能够在异常复杂环境中任意两点间能准确无误地建立高 效连接，表现出固有的环境自适应性。因此，基于t r 的环境自适应超宽带高效无 线链路传输技术具有十分广阔的应用前景，然而要将该技术推向实用仍然存在着 诸多技术难题需要解决。基于t r 的环境自适应超宽带高效无线传输链路技术成为 了未来宽带无线通信技术发展的必然趋势，这一课题已经成为当前无线通信技术 研究与应用热点，并必将成长为无线通信技术中的关键技术之一。 1 5 本论文的主要工作和创新 本文在研究时间反演技术和超宽带无线通信技术的基础上，在理论上将二者 结合，研究基于时间反演的脉冲超宽带无线通信技术，并结合计算机仿真，对采 用时间反演技术的超宽带无线通信系统的性能进行仿真，得到一些成果。本文其 他章节的主要内容安排如下： 第二章详细介绍基于时间反演的脉冲超宽带无线通信系统的基本原理、系统 组成和系统性能评估的基本方法。 第三章将在i e e e 超宽带信道模型下，利用m a t l a b 和它的通信仿真软件 9 电子科技大学硕士学位论文 s i m u l i n k 建立基于t r 的脉冲超宽带( 包括跳时脉冲位置调制超宽带和直接序列扩 谱脉冲幅度调制超宽带) 无线通信系统模型，其中包括系统的发射机和接收机模 型，然后就模型中关键模块的m 文件进行详细的阐述和说明。 第四章在a w g n 信道模型和i e e e 超宽带多径信道模型下分别对基于时间反 演的脉冲超宽带无线通信系统的性能进行仿真，将其和传统超宽带的系统性能进 行对比分析。 第五章将对采用r a k e 接收机的脉冲超宽带无线通信系统的性能进行仿真，将 其和基于t r 的脉冲超宽带无线通信系统的性能进行对比分析，并改进基于t r 的 脉冲超宽带无线通信系统模型的接收机，考察采用r a k e 接收机对系统性能的影响。 第六章对全文所作的工作和存在的问题进行了总结，对下一步的研究进行了 展望。 1 0 第二章时间反演的超宽带无线通信技术理论基础 第二章基于时间反演的超宽带无线通信技术 本章将对基于时间反演技术的脉冲超宽带无线通信技术进行全面的阐述，分 别介绍基于时间反演的脉冲超宽带无线通信的基本原理、系统构成和系统性能评 估的基本方法。 2 1 基于时间反演的脉冲超宽带无线通信的基本原理 通过上一章关于时间反演技术的介绍，对时间反演技术有了基本的了解，为 更好将时间反演技术应用到超宽带无线通信系统中，就需要介绍时间反演腔和时 间反演镜( t i m er e v e r s e dm i r r o r 简称t r m ) 。时间反演腔和时间反演镜是我们将 时间反演技术应用到超宽带通信中的基础。 2 1 1 时间反演腔和时间反演镜 由早期用于水下探测，到后来应用于超声波领域，再到近年来应用于电磁波 传播和通信系统中，时间反演技术经历了几个不同阶段的发展。 比较完整的时间反演理论首先由m f i l l l 【提出，包括时间反演腔和时间反演镜 ( t 蹦) ，这些理论都是在声学领域中提出的，是将t r 技术应用到无线通信系统 的重要基础。 首先介绍时间反演腔的基本理论，时间反演腔的原理如图2 1 所示。在任意的 传播试验中，初始条件( 声源和边界条件) 确定了波动方程的一个解p ( r ，f ) 。而在 时间反演实验中，我们的目的是通过初始条件找到与p ( r ，f ) 对应的解p ( r ，- t ) 。但是 由于实验都具有因果性，p ( r ，_ f ) 是无法通过实验直接得到的。因为在现实通信系统 中，持续的时间是有限的，我们假设整个通信的时间为r ，我们只能通过实验找出 p ( r ，t f ) 。按照上面的描述，对于已知声源和围绕声源周围空间的闭合曲面的边晃 条件，要对任意问题实施时间反演的方案是通过测量在时间区间t 内整个三维空 间的声压p ( r ，f ) ，然后再发射p ( r ，t f ) 。这个方案同样是不太容易实现的，因为这 样需要收发合置的传感器包围整个空间并进行采样。 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 时间反演腔的示意图 对于要进行试验的三维空间，一个更加实际的方法是利用惠更斯原理：在空 间的任意一点的声波场都可以根据围绕该空间的闭合曲面的声波场和该闭合曲面 上声场的法向导数来预测。因此，时间反演操作就从3 d 空间转化为2 d 平面了。 其具体实现可以分为如下几个步骤：首先，由信号源发送一个测试声压信号p ( f ) ， 以确立空间传输信道的物理特性( 即获得空间物理信道的冲击响应特性) ，如图2 1 所示，时间反演腔的传感器墨在时间区间t 内对自身所接收的声压信号p ( f ) o 噍( f ) 进行数据“存储”。然后，当时间区间t 结束后，传感器足对接收到的信号p ( f ) 9 嚏( f ) 进行时间反演操作得到p ( - t ) 圆h a - t ) 。最后，时间反演腔的所有传感器冠将 p ( - t ) o h a - t ) 发射出去，通过空间传播后，各信号重新汇聚于信号源，构成声压信 号的空间聚焦。同时，由于各个传感器所记录的信道响应已充分考虑了不同路径 所引入的空间相位延迟、以及非均匀介质所带来的影响，所以，来自时间反演腔 各个传感器的信号不仅能够在空间上汇聚于一点，而且还可以实现在同时刻到达， 即同时实现时一空聚焦。该方案已经很好反应了t r 技术的时空聚焦特性，但这只 是在非均匀介质中实现聚焦的理想方案，实现上述的腔体十分困难。紧接着，f i n k 又提出了时间反演镜技术，把时间反演腔中聚焦区域周围的传感器布置到我们感 兴趣的一侧，如图2 2 所示。当然，它的聚焦能力相比于一个封闭的腔体来说肯定 是有所降低。 1 2 第二章时间反演的超宽带无线通信技术理论基础 艮( k 图2 - 2 时间反演镜的基本原理图 与时间反演腔聚焦过程类似，时间反演镜实现聚焦如图2 2 所示。在非均匀介 质中，时间反演镜聚焦到一个目标点需要三个步骤：第一步，从传感器阵列向目 标发射一个声波，目标在收到来自传感器的声波后，产生了在非齐次介质中反向 传播的声压场；第二步，保存步骤，这个散射失真的声压场被传感器阵列接收并 保存起来；最后一步，传感器阵列对保存的声压场进行时间反演并发射出去。这 个场通过非均匀介质传播，并在目标处聚焦。 在非均匀介质中，时间反演聚焦是一个非常稳健的技术。对于任意的传感器 ( 收发组件) ，电磁波的时间反演聚焦是非均匀介质中最佳的解决方案。它可以看 作是发射端与接收端之间非均匀介质传播方程的时空匹配均衡器。 2 1 2 基于时间反演技术的通信系统的基本原理 时间反演聚焦技术与信号传输匹配滤波器原理非常相似【2 6 1 。这个著名的原理 是：一个冲击响应为j | l o ) 的线性系统的输出能够在输入信号为h ( - t ) 时达到最大。 该响应是通过卷积h ( 0 0h ( - 0 得到的。这是一个偶函数，在t = o 处达到由输入信号 给予的能量最大值。 考虑在理想的通信系统，所要发射的信号是石( f ) ，目标接收天线和发射天线之 间的信道冲激响应是矗( f ) ，那么接收到的信号y ( t ) 为： y ( f ) = x ( f ) ( f ) ( 2 1 ) 按照时间反演镜的原理，将公式( 2 1 ) 中接收的信号进行时间反演作为发射信 1 3 羹耋 电子科技大学硕士学位论文 号，即发射信号为少( o ) ，那么接收到的信号y ( f ) 可以表示为： y ( f ) = y ( 一f ) 圆j ；l ( f ) ( 2 2 ) 由卷积的定义可以得n - y ( f ) = y ( 一f ) p | l ( f ) = 工( o ) 圆 ( o ) 固| z ( f )( 2 3 ) 由时间反演镜的原理，如果将y ( f ) 时间反演后在发射天线发送出去，那么在接 收天线处就能得到时空聚焦的效果。 为了让发射的信号x ( f ) 能够在接收端实现时空聚焦效果，在发射信号x ( f ) 之 前，对其进行信道均衡，即x ( t ) 圆j | l ( 一f ) ，这就需要在发射端知道信道的冲激响应。 在实际的通信中，信道是不断变化的，这时就需要发射端定时地发射探测信号， 计算出信道的瞬时冲激响应，并应用到要发射的信号x ( f ) 上。在本文后面的仿真中， 由于采用了a w g n 信道和i e e e 信道模型，没有进行信道冲激响应的探测，而是 直接将信道冲激响应应用于发射信号的信道均衡中。 2 1 3 超宽带通信技术的基本理论 在基于时间反演的脉冲超宽带( u l t r a -