（理论物理专业论文）超宽带（uwb）无线通信系统的性能分析.pdf

颇士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 超宽带( u l t l aw i d eb a n d ，u w b ) 技术是一种新型的无线通信技术。它通过对 具有很陡上升沿和下降沿的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有g h z 量级的带宽， 它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、 能提供厘米级定位精度等优点。所以，u w b 技术在短距离无线通信领域极具发展 潜力，是当前通信领域研究的热点问题之一。系统性能分析对u w b 无线通信系统 研究是至关重要的，因而，本文着重分析u w b 系统性能。 在u w b 无线通信系统中，码间干扰与多用户干扰成为影响其系统性能的主要 因素。码间干扰主要是由于密集的多径信道所产生，而多用户干扰则是由于在同频 段内的多用户所产生。 本文在多径与多用户环境下，对超宽带无线通信系统性能进行了相关的理论研 究。文章首先对u w b 无线通信系统的特点、应用以及未来发展趋势进行了简要的 概述。然后介绍了u w b 无线通信系统中三种常见的调制：跳时脉位调制( t i m e h o p p i n gp u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，t h p p m ) 、脉幅调制( t i m eh o p p i n gp u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，t h p a m ) 、直序扩频( d i r e c ts e q u e n c eu l t r aw i d eb a n d ， d s u w b ) ，并对相应的解调技术作了简要的介绍。接着推导出在多用户环境下基 于标准高斯近似( s t a n d a r dg a u s s i a n a p p r o x i m a t i o n ，s g a ) 假设的各种i r u w b 系 统的误码率和m u i 特征。本文还分析了t h - p p m 系统、t h 。p a i d 系统以及d s u w b 系统的多径性能，从三个方面( 即功牢控制、信道参数和调制参数) 对t h p p m 系 统和t h - p a m 系统的多径性能做了比较分析。仿真结果表明：1 ) 在单用户及多径 信道下t h p a l m 调制系统性能优于t h p p m 系统；2 ) 在多用户条件下，随用户数 的增加系统误码率下降，且误码率曲线到达平台越快。最后，本文主要对能改善 u w b 系统性能的几种关键技术进行了讨论，包括超宽带无线通信的r a k e 接收技术、 采用参考脉冲的接收技术、m i m o 技术及协同通信技术。 在本文的结尾总结了本课题主要完成的研究工作和存在的问题，对进一步的研 究进行了展望。 关键词：性能分析超宽带无线通信；多用户系统；多径信道；多址干扰； 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t t h eu l n a - w i d eb a n d ( u w a ) i san e wt e c h n i q u ef o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i n c e i tm o d u l a t e sd i r e c t l yo nt h ei m p u l s eo fs t e e pp o s i t i v ee d g ea n dn e g a t i v ee d g e ，t h eu w b s i g n a lh a sg h zw i d e 丘e q u e n c yb a n d s i m u l t a n e o u s l y , i th a ss u c ha d v a n t a g e sa st h e i n s e n s i t i v i t yt oc h a n n e lf a d i n g , l o wd e n s i t yo fs i g n a l sp o w e rs p e c t r u m ，l o wa c q u i s i t i o n ， l o w c o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ，t h ea b i l i t yt oh a v et h ec e n t i g r a d ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , e t c ， t h e r e f o r e ，t h i st e c h n i q u ep l a y sa ne x t r e m e l yp o t e n t i a lr o l ei nt h es h o r t r a n g er a d i o c o m m u n i c a t i o na n db e c o m e so n eo ft h eh o tr e s e a r c ht o p i c s s i n c et h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i s i se x t r e m e l yi m p o r t a n tt ot h er e s e a r c ho nt h es y s t e mo fu w bw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h eu w bs y s t e m i nt h es y s t e mo fu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s l ) a n d m u l t i - u s e ri n t e r f e r e n c e ( m u i ) a r ct h em a i nr e a s o n st h a ta f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h ei s ii sm a i n l yc a u s e db yt h ed e n s em u l t i p a t h ，a n dt h em u ic a u s e db yt h em u l t i - u s e l s i nt h es a n l e 丘e q u e n c yd o m a i n t h i s p a p e r s t u d i e st h e p e r f o r m a n c e o ft h e s y s t e m o fu w bw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nt h em u l t i - u s e re n v i r o n m e n t f i r s t ，t h ec h a r a c t e r s ，a p p l i c a t i o na n d f u t u r ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mo ft h eu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d i nd e t a i l s s e c o n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h r e e k i n dn o r m a lm o d u l a t i o nm o d e l s ， n a m e l yt 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 ) ，t i m eh o p p i n gp u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n 口h - p a m ) a n dd i r e c ts e q u e n c eu l t r aw i d eb a n d ( d s u w b ) t h ec o r r e s p o n d i n gd e m o d u l a t i o nt h e o r i e sa r ea l s or e c o m m e n d e d t h i r d ，b a s e do nt h e h y p o t h e s i so fs t a n d a r d g a u s s i a na p p r o x i m a t i o n ( s g a ) i nt h ee n v i r o n m e n to f m u l t i - u s e r s ，t h i sp a p e rd e r i v e st h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) e x p r e s s i o n s t h ec o m p a r i s o ni s m a d eo ft h er e c e p t i o nt e c h n i q u e sa n dm u l t i - p a t hp e r f o r m a n c e so ft h - p p m 、t h p a m a n dd s - u w b t h em o d u l a t i o nm o d e so ft h - p pa n dt h p a ma r ef u r t h e rc o m p a r e di n s u c ht h r e ea s p e c t sa s p o w e rc o n t r o l ，i n f o r m a t i o nc h a n n e lp a r a m e t e r sa n dm o d u l a t i o n p a r a m e t e r sa n dt h ef u r t h e rd i s c u s s i o ni sa l s om a d eo nt h em u l t i p a t hp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mu n d e rt h e # y e nc o n d i t i o n i ti s s h o w nb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o nt l l a tt h et h r e em o d u l a t i o nm o d e so fu w bw i r c l e s sc o m m u n i c a t i o nh a v et h e s i m i l a rb e r e x p r e s s i o ni nt h ec a s eo fw h i t eg a u s s i a nn o i s e i fo n l ys i n g u l a ru s e rs y s t e m i i i st a k e nm t oc o n s i d e r a t i o n ，t h es y s t e mo ft h p p ma n dd s - u w bo w n st h es a m eb e r e x p r e s s i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fw h i t eg a u s s i a nn o i s ea n dt h u si t ，c o m p a r e dw i t ht h e b e s tt h p p m ，h a sb e t t e rb e rp e r f o r m a n c e l a s t ，i td i s c u s s e sf o u r - k i n dk e yt e c h n i q u e t h a tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mo fu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，s u c h a sr a k er e c e i v e rt c c h n i q u e ，t rr e c e i v e rt e c h n i q u e ，m i m ot e c h n i q u ea n dc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h el a s tp a r to ft h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sac o n d u s i o no ft h e t a s k sf m i s h e du n t i ln o wa n dp u t sf o r w a r dt h ee x i s t e n t i a lp r o b l e m sf o rt h ep u r p o s eo ft h e p r o m i s i n gp r o s p e c t sf o rf u r t h e rs t u d y o nt h i st o p i c k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c ea n a l y s i s o ft h e s y s t e m ；u l t l a w i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ；m u l t i - u s e rs y s t e m ；m u l t i p a t hc h a n n e l ；m u i 1 1 1 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 力l 峥彦 b 强：孑竹g 年fz ，ajb 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本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和汇编本学位论文。 作者签名：身if ；鸯 日期埘年f 月；日 导师签名：翻圩叩 日期：聊年，z 月27 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i $ 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。凰重迨窒堡塞厦进卮i 旦坐生；旦二生i 旦三生筮盔! 作者觐身7 坤荔 日瓠加铲l 陟月；8f ) 和v 月 守似 、鲫年 叛 师期 争目 壤士学位论文 m a s t e r 。st h e s f s 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着无线技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱 资源日趋饱和。由此，人们对后3 g 寄予的期望是在全球范围内实现无缝覆盖，进 行包括语音、文本、图像、视频等在内的高速多媒体通信，以期望实现“任何人、 任何时间、任何地点”的连接性【1 1 。 u w b 的核心技术是冲击无线电，即利用持续时间非常短( 纳秒、亚纳秒) 的 脉冲波形来代替传统的连续波形直接驱动天线输出。 u w b 技术所采用的方案是通过重叠的原则共享已占有的频率资源。由于美国 联邦通信委员会( f c c ) 规定的用于通信系统的发射功率普很低( 一4 1 3 d b m m h z ) 且必须在一定的频率范围内( 3 1g h z 一1 0 6 g i - i z ) 内，促使它被允许在很宽频谱范 围内工作，传输很高的的数据速率；再加上窄脉冲作载体具有抗多径干扰、穿透墙 壁丛林功能、抗截获侦破、逻辑电路简单及易于全数字化等特点【2 1 ，使u w b 技术 广泛地应用于工业、军事、医疗等众多领域。f c c 正式准许u w b 技术用于民用后， u w b 技术开始走向商业化，并有了飞速发展，主要用于短距离无线系统中的高速 无限个域网、无线以太网接口、室外对等网及传感器、定位和识别网、智能无限局 域网等，实现计算机和各种娱乐设备问的互联。 窄脉冲作载体的u w b ( 简称i r u w b ) 技术也很可能成为未来短距离无线通 信的主流技术之一。因此，对u w b 通信技术的研究将具有很大的意义。而随着现 代通信技术的发展，可利用的频谱资源日趋饱和。为此，在有限频率资源条件下， 必须缩短无线信号的传输半径，极大限度的复用频率资源，提高单位空间的信道容 量，所以，u w b 通信系统多用户的多址接入技术及其性能分析是当前值得研究的 课题之一。 1 2 国内外u w b 的发展状况 u w b 信号优异的传输特性使其在无线通信方面具有很大的潜力，决定了其在 军事与安全领域的地位。1 9 9 4 年以前i r u w b 领域的研究，属于美国政府的军事 机密。1 9 9 4 年以后，许多研究计划才取消了保密限制，进而加快了u w b 技术的发 展速度。 早在1 9 6 5 年，美国就确定了u w b 的技术基础。在后来的二十年内，u w b 技 术主要用于美国的军事方面，其研究机构仅限于与军事相关的企业以及研究机关、 团体。在军用方面，目前美国国防部正开发十几种u w b 系统，包括战场防窃听网 络等。在民用方面，主要用于通信( 如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线 音频，数据和视频分发等) 、雷达( 如车辆及航空器碰撞故障避免，入侵检测和探 底雷达等) 以及精确定位( 如资产跟踪、人员定位等) 。s o n y ，m o t o r a l a ，i n t e l 等高 科技公司都已涉足u w b 技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率 相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速率传输等要 求。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2 0 0 2 年5 月2 0 一2 3 日，i e e e 举办了一期会议，专门讨论u w b 技术及其应用。2 0 0 2 年2 月1 4 日，f c c 正式通 过了将u w b 技术应用于民用的议案，定义了三种u w b 系统：成像系统、通信与 测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的e i r p ( 全向有效辐射功率【3 】) 分别作了 规定。但是u w b 技术的协议与标准尚未确定，目前，只有美国允许民用的u w b 器件的使用。而欧洲正在讨论u w b 的进一步使用情况，并观望美国的u w b 标准。 我国对于u w b 无线技术的研究已经起步，有了初步的见解和技术设想。2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键 技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容。 近几年，国内研究开始形成气候。第一，为了促进我国u w b 技术的发展，由 中国电子学会和中国通信学会联合主办的“2 0 0 5 年全国超宽带无线通信技术学术会 议( u w b 。0 5 ，c h i n a ) ”于2 0 0 5 年1 1 月1 0 1 2 日在南京召开。第二，东南大学移 动通信国家重点实验室和毫米波国家重点实验室宣布，已于2 0 0 5 年1 2 月共同成功 研制出中国第一套高速超宽带无线通信实验、演示系统，并通过了国家8 6 3 计划通 信主题专家组的验收。该系统采用自主设计的双载波一正交频分复用( d c o f d m ) 方案，无线传输速率达到1 1 0m b p s ，传输距离超过1 0 米，可用来同时传输4 路高 清度电视节目或未压缩视频图像，也可用于高速无线数据传输。第三，中国科学技 术大学无线网络通信实验室2 0 0 5 年成功地进行了基于脉冲超宽带技术( m - u w 鼬的 无线传输演示。极窄脉冲信号穿越两堵砖墙和一个走廊，将一自j 实验室内的视频图 像传送到另外一间实验室。 1 3 论文主要研究内容 本文在综合分析大量文献基础k ，总结了目前u w b 的几种调制方式与多址技 术，分析了t h p p m 系统、t h p a m 系统以及d s u w b 系统的多径性能，从功率 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 控制、信道参数和调制参数，对t h p p m 系统和t h p a m 系统的多径性能做了比 较。推导出在s g a 假设下各种m u w b 系统的误码率和m u i 特征并对给定条件下 系统性能作了仿真分析。最后，本文主要对能改善u w b 系统性能的几种关键技术 进行了讨论，包括超宽带无线通信的r a k e 接收技术、采用参考脉冲的接收技术、 m m o 技术及协同通信技术。 在本文的结尾总结了本课题主要完成的研究工作和存在的问题，对进步的研 究进行了展望。 1 4 论文结构安排 全文共分七章，各章内容安排如下： 第一章介绍了本课题的研究背景和研究意义，以及国内外的相关情况，最后 介绍了本文的结构安排。 第二章本章对u w b 的定义、实现方式、两种标准方案及其主要技术特点与 应用前景作了介绍。 第三章本章对u w b 系统使用的基本脉冲做了简介，并对u w b 信号的调制 与解调技术及其信号结构做了讨论分析。 第四章本章从理论上分析和比较了t h p p m 和t h - p a m 系统的多径性能， 重点介绍了t h p p m 、t h p a m 以及d s u w b 的解调技术和多径性能。从三个方面 对t h p p m 和t h p a m 系统的多径性能做了比较，并对给定条件下系统性能作了 分析，得出了些结论。 第五章本章主要讨论超宽带无线通信信号的多址性能，用标准高斯近似方法 分别推导出了t h p p m 、t h - p a m 和d s u w b 系统的误码率。通过分析得出，超宽 带无线通信三种多址方式在白噪声条件下具有相似的误码率表达式。同时利用仿 真，比较分析了t h p p m 、t h p a n 系统的错误概率。 第六章本章主要对能改善u w b 系统性能的几种关键技术进行了讨论，包括 超宽带无线通信的r a k e 接收技术、采用参考脉冲的接收技术、m i m o 技术及协同 通信技术。 第七章总结了本课题主要完成的研究工作和存在的问题，对进一步的研究进 行了展望。 第二章超宽带( u w b ) 无线通信系统概述 超宽带技术在无线通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域 具有广阔的应用前景。其最大的特点是在极宽的频带中进行通信，并为避免对其它 系统造成干扰，发射功率受到严格的限$ t j t 4 。 本章对u w b 的定义、实现方式、两种标准方案及其主要技术特点与应用前景 作了介绍。 2 1 超宽带基本概念 2 1 1u w b 的定义 “超宽带”的概念首先由美国军方于1 9 9 0 年提出，其定义的特征是信号的相对带 宽大于2 5 的任何波形。这里，信号的相对带宽是指2 ( 岛- f l ) 舱+ j ，其中，h 表 示信号高端频率，丘表示信号底端频率，临- ，l ) 表示信号带宽，即有： 信号槲糌等岩一半乩2 5 眩， l 七l lj c 式中：f c = 0 e h + f l ) 2 ，为信号的中心频率。 2 0 0 2 年4 月，美国f c c 给出了“超宽带”的两种定义。第一种定义对军方的定 义作了两点修改，一是信号的带宽是指一1 0 d b 带宽，即，h 和，l 分别表示低于信号最 大发射( 包括天线的影响) 1 0 d b 的高端和底端频率，二是信号的相对带宽大于等 于o 2 ；第二种定义是信号的1 0 d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z ，而不管相对带宽是多 少。 o 1 0 1 2 0 归一化 功率谱 ( 曲；) 图2 1 1绝对带宽的两种定义 4 项士学位论文 m a s t e r st h e s i s 显然，“超宽带”只是从信号带宽的角度定义无线电信号的，因此有多种不同的 实现方式。其中，最典型的实现方式是采用冲击无线电( i r ) ，它是以占空比很低 的窄脉冲( 纳秒级宽度) 而不是正弦载波作为信息载体的无线电技术。因此，超宽 带无线电直接发射的信号可以看成基带信号( 以常规无线电而言) ，也可看成射频 ( r f ) 信号( 从信号的频谱特性而言) 。信号能量分布的频带很宽( 超宽带信号频 谱与窄带的比较如2 1 2 图所示) 。 图2 1 2 超宽带信号频谱与窄带的比较 2 1 2 超宽带短距离通信实现的两大方案 超宽带短距离无线通信技术已经引起了全球通信技术领域的极大重视， i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组正进行高速无线个人网的标准制定，并提出两个候选方案： 1 、m o t o r o l a 、x t r e m e s p e c t r u m 等公司支持的窄脉冲窄波直接序列d s u w b 方 案【5 】。该方案将3 1 g h z 至1 0 6 g h z 分为两个频段，在每个子频段上使用冲击脉冲 信号作为信息载体，有效脉冲占据1 g h z 以上频率空间。低频段占据3 1 3 1 5 g h z ， 可以传输的数据速率从2 8 5 4 0 0 m b i t s 。高频段占据3 1 3 1 5 g h z ，可以传输的数 据速率从5 7 - 一8 0 0 m b i t s 。同时使用两个频段可达到1 2 g b i t s 的高速数据传输。 2 、i n t e l 、t i 等公司提供的多带时域交织正交频分复用( m b t f i o f d m i y w b ) 方案 5 1 。该方案的特点是：在3 1 1 0 6 g h z 共7 5 g h z 带宽范围内，分成1 2 8 个子带， 每个子带选用5 2 8 m h z 带宽，其中1 0 0 个子带用于用户传输数据，6 个为空子带， 1 2 个用于承载导频信号，另外1 0 个子带为用户自定义。这里的o f d m 和传统的 o f d m 系统类似，只是符号长度、子载波间隔、循环前缀长度等具体参数与传统系 统有较大的差别。例如，符合长度为3 1 2 5 n s ，子载波间隔为4 ，采用6 0 6 n s 的循环 前缀对抗多径，9 5 n s 的保护时隙提供了足够的频带切换时间，i f f t ，f f t 周期为 磺士擎住论文 m a s t e r st h e s i s 2 4 2 4 n s 。系统可支持5 5 ，8 0 ，1 1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 ，4 8 0 m b i t s 。 典型超宽带收发信机如图2 2 。1 所示。这种通信系统采用跳时脉冲位置调制 ( t h p p m ) 。在发送端，基带信号和伪随机序列共同控制窄脉冲产生器，将信息符 号映射为脉冲的发射延时，然后经天线发射；在接收端，有本地产生的伪随机脉冲 序列与接收信号相关，然后进行基带信号处理完成信号解调，得到原始信息。 图2 1 3 a 发射系统 图2 1 3 b 接收系统 图2 1 , 3u w b 系统收发系统 2 2 超宽带无线通信的特点 超宽带通信系统发送信号由非常窄( 通常为纳秒或亚纳秒级【6 】1 的脉冲串组成， 信号能量分布的频带很宽( 从直流附近的低频部分至g h z 以上的频率范围) ，占空 度( d u t yc y c l e ) 很小，脉冲间干扰较小。它解决了困扰传统无线技术多年的有关 传播方面的重大难题，具有以下主要的特点： 1 、抗干扰性能强 u w b 采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线 电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时 将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e 8 0 2 1 l b 和蓝牙相比，在同等码速条件下，u w b 具有更强的抗干扰性能。 2 、传输速率高 数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化【7 1 是通信发展的主要趋势。对于高 质量的多媒体业务，高速率传输技术是必不可少的基础。从信号传播的角度考虑， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 超宽带无线通信由于能有效减少多经传播的影响而使其可以传播高速率数据。目前 的演示系统表明，在距离( 3 4 m ) 传输速率| 口j 达4 8 0 m b s 。有望高 篮牙1 0 0 倍， 也可以高于i e e e8 0 2 1 1 a 和i e e e8 0 2 1 l b 。 图2 2 1u w b 通信特点 3 、发送功率非常小，消耗电能少 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗一定电 能。而u w b 不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，并且在需要时爿1 发送脉冲电波。 同时u w b 通信设备可以用小于l m w 的发射功率就能实现通信( 见圈2 2 1 ) 。低 发射功率大大延长系统电源工作时问，其电磁波辐射对人体的影响龉会很小。这样， u w b 消耗电能少，应用面就广。 4 、隐蔽性和保密性好 无线电波空间传播的“公开性”是无线电通信较之有线通信的固有不足。超宽带 无线电通信发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲宽度通常在l n s 以下，射频带 宽可达1 g t t z 以上，且所需甲均功率很小，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号中， i _ l 丁传统的接收机无法接收，难以被敌疔俭测。这是超宽带无线电通信较之常规无线 通信最突出的特点。 另一方面，u w b 采用跳时扩频哆接收机只有已知发送端扩频码时j 能解出发 制数据具有很好的保密。忖。 s 、多址分辨能力强 由于超宽带无线通信发射的是持续时间极短、占空比极低的脉冲，在接收端， 多径信号在时间上能做到有效分离。如图2 2 2 所示，假如到达接收点的多经脉冲 要存时间上发生交署，其多经传输距离是很小的。可见，发剥窄脉冲的超宽带尤线 崩士学位论文 m a s t e r st h e s i s 信号，在多经环境中的衰落不像连续波信号那样严重。大量的实验表明i9 1 ，对常规 无线电信号多经衰落深达( 1 0 3 0 ) d b 的环境，对超宽带无线通信信号的衰落最多 不到5 d b 。此外，由于脉冲多经信号在时间上很容易分离，可以方便的利用r a k e 接收技术，以充分利用发射信号能量，提高信噪比，从而改善通信质量。 童接路径反射路径 册黼一 接收密口 5 0 却s 图2 2 2 超宽带信号的多经传播示意图 6 、空间容量丈 随着无线通信技术的不断发展，无线通信已由原来提供远距离通信向短距离传 输发展，通过频率空间的复用，在有限的频率资源条件下满足通信业务发展的需求。 短距离无线通信的发展趋势使得对系统容量的评价不仅仅是考虑点对点的传输速 率，“空间容量”是实际应用中的重要衡量指标。 7 、穿透能力强 由于超宽带脉冲信号具有丰富的低频分量，( 实验也证明【“1 ) 超宽带脉冲信号 具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有 效传播的空白。实验表明，使用于窄带系统的丛林通信模型同样可使用于超宽带系 统：超宽带技术还能实现隔墙成像。 8 、结构通用，便于功能一体化 纳秒级的窄脉冲具有很高的测距精度，采用超宽带无线通信，很容易测距、定 位与通信台一，而常规无线电难以做到这一点。 2 3 超宽带的应用及未来发展 南于具有占空比和超宽频带特性，u w b 信号的功率普密度极低，为我们提供 了一种重复利用现有频带而不对传统用户造成干扰的新途径，这也将使得u w b 可 在不远的将来在全球范围内得到发展，f c c 已经发布了使用范围以及限制条件，如 表2 2 1 所示【1 j 0 表2 2 1f c c 2 0 0 4 4 2 2 发布的对u w b 使用范围及限制条件 应用名称应用频带用途 小于9 6 0 m h z 成 地面穿墙雷达探测埋藏物体的图像 或3 1 1 0 6 g h z 像墙壁同上探测墙里物体的位置 系 墙壁穿透 同上探测墙壁另外一面的物体和人员活动 监视 1 9 9 1 0 6 g h z 建立一固定的射频区，检测该区域人、物或干扰 统 医疗系统 3 1 1 0 6 g h z投射人或动物内部检测健康状况 车载雷达 2 2 2 9 g h z检测车辆附近的物体避免碰撞等 通信和测量系统 3 1 1 0 6g h z告诉将用网络和f c c 规定的第1 5 部分车辆设备 2 4 本章小结 本章对u w b 技术进行了概述，介绍了u w b 的定义、频谱规划、实现方式、 两种标准方案、技术特点、及其应用前景。可以看出，u w b 技术是未来短距离无 线通信，特别是无线个域网、传感器网络等领域很具发展潜力的一种技术。 第三章超宽带( u w b ) 信号的调制与解调技术 超宽带无线通信需要可靠的调制技术实现多址接入，u w b 信号接收的首要问 题是把目标信号接收后将其正确的解调出来，其信号的解调过程实际上是一种与已 知模板信号进行能量匹配的过程。本章对l r w b 系统使用的基本脉冲做了简介，对 u w b 信号的调制与解调技术及其调制信号结构做了分析讨论。 3 1u w b 的基本脉冲 在超宽带冲激无线电中，窄脉冲是信息载体，通过对窄脉冲的调制寄载要传输 的信息。因此，超宽带系统中窄脉冲信号的作用就与常规无线电系统中的正弦载波 类似。但是，作为u w b 的窄脉冲信号必须具备两个基本特点：一是激励信号的波 形为具有陡峭前沿的单个短脉冲；二是激励信号包括很宽的频谱，从直流至微波波 段。 研究最多的u w b 脉冲是高斯函数波形 1 l i 。个高斯脉冲p o ) 可用以下表达式 描述： 川击e ， 令小笔删：肌) _ 土巫。“r 其中内方差。口足脉冲形成因子。 一u 1 p ( i 0 ) c p ( 0 ，1 ) u o - u 。辛p 0 t 0 卜p ( o 1 ) 面 查咄 阿刮 u o - - u lf f i = p ( i 0 ) - p ( o 1 ) ( 4 2 1 2 ) 因此，对于任意传播路径的时延f ，( f ) 的绝对值越人，该路径造成发0 和 发1 误码率差异越大。造成此种结果的根本原因是t h p p m 系统依靠发射脉冲的 时延承载要传输的信息比特符号。一种极端的情况是多径时延 可能扮演了调制指 数4 的角色。如，发0 时，直接来波的到达时刻为，瓦+ c 罗k ，如果t 使得多径 信号的到达时刻为，b + q ”+ f _ ，b + q ”+ ，显然此为发1 条件下直接 来波的到达时刻，判决结果为1 ，而非0 ，造成误判。 3 、调制参数的选择 在已知多径路径模型的条件下，合理选择g ，可获得最佳的系统误码率性能。 定义多径接收信号，( f ) ( 不合噪声m ( f ) ) 与解调器模板信号的互相关函数为： 。厶( f 耽p 。f 础- 毛善扩置( f 1 ( 4 _ 2 1 3 ) 其中几( f ) 。姜，p o 一_ ，0 一c r ) 为一个比特持续时间内的信号波形q 当接收准确同步时，f - 0 ( o ) - l 7 砸忉( f - f 灿以磊町册协) “。2 1 4 可取最大值。此时，合理选择8 使得 。j 7 ( f ) p 。p f - 瓦善口抽慷晴枷一s ) 4 2 1 5 ) 和 沁) 。l r 。冷。o f 胁越- 磊口m 删哪 4 1 2 1 6 同时获得较小时，式( 4 2 1 2 ) 中的u 和一u 可以同时获得较大值，系统可获得最 佳误码率性能。因此选择g 的原则为：避开多径的典型传播时延，同时使琶。撕) 和 r ，( 一e ) 的值较小。 仿真4 2 1t h p p m 误码不平衡性仿真 为简化比较不同多径时延和衰减对发0 和发1 的影响的不平衡性，取两经信 号，( f ) 。荟吼s ( f f 嘲) + n u ) ，其中，口。为直接来波的衰减。解调输入信嗓比设定 为- 3 2 d b ，选择两条路径的衰减比为吼a 1 ，f ”- 0 ， f ( 1 】- 。 ，( f m ) 一e b k 忙m + 6 ) 一r 0 r ( ”一e ) j - 一曰。0 ，对每组数据执行1 0 0 0 次仿真， t h p a m 误码不平衡性如图4 2 1 所示。 图4 , 2 】t h - p p m 误码不平衡性仿真 图4 2 1 表明t h p p m 发“o ”的误码率大于发“1 ”时的误码率。即存在0 、1 ， 误码不平衡性，从而验证了分析结论。综合以上分析，可得以下结论： ( 1 ) 多径传播满足式s 墨f ”1 ，( 以- 0 , 1 ，2 ，n 。一1 ) 时，调制指数e 的选择 不会影响系统的误码率性能。 ( 2 ) 如果上式的条件不满足时，则不同调制指数g 的选择将影响到系统的误 码率性能，存在0 、“1 ”误码的不平衡性。 ( 3 ) 调制指数f 在多径时延z 附近时，多径传播对发0 的影响较大，且系统 总的误码率性能将恶化，为了提高t h p p m 超宽带无线电系统抗多径干扰能力，所 选择的6 要远离多径信道的典型时延，消除t h p p m 的0 、“l ”误码不平衡性。 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 4 3t h p a m 系统的多径性能 在多径传播环境下，t h - p a m 系统的接收信号为： n t - 1 一 删o ) 苫三辱盘。搿n s p o ( f 一- ，乃一c ，砭一f 扣) + 腮( f ) ( 4 3 1 ) 式中n ( t ) 为双边功率普密度为2 高斯白噪声。 为使比较条件相同，t h p a m 也采用相关解调，检、钡4 统计量为 z b r ( t ) m ( t ) d t( 4 3 2 ) 设系统发 - 1 ”和发“十1 ”式等概率的，采用与t h p p m 系统类的分析，可得 t h p a m 系统在多径条件下的误码率为： 去睡一哼_ x 2 出+ 乓e 洋1 _ s m 式中 n j l u ：。磊q 霄峨1 ) 一u ：， 吼2q 2 。e 2 - 卢2 因此总的误码率为 卟去吟e 牟_ ，m 由上式可鉴，任何多径干扰对t h p a n t 系统发“1 ”和发“+ 1 ，的影响相同。对于 t h p a m 系统得总误码率影响最大的多径时延满足r | t h ) 一r 。( 也；。为最小 值) 。 4 4 t h p p m 系统和t h p a m 系统的多径性能比较 仿真4 4 1 不同信道对系统性能影响的比较：脉冲波形采用高斯波形二阶导数： p o “) - 2 e 4 ，_ 吮p 。卅。”， 一l x l o “s ，l - l x l 0 丌9s ，t a u 一2 5 x 1 0 一”。 脉冲周期为砰= 1 2 5 x 1 0 s ，脉冲的持续时间功- - 1 2 5 x 1 0 8 s ，中心频率 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ，c = 8 0 m h z ，n s = 2 0 ，n p = l o o ，n m a = x = 1 0 0 ，所传输的信息数据随机产生，调制信号 的平均功率为5 8 3 4 m w ，采用高斯白噪声信道模型。对于t h p p m ，调制指数 e = 4 5 8 3 x 1 0 4 s 。为了比较不同多径信道对系统性能的影响，针对四种多径信道进行 计算机仿真，各信道有四条路径，各路径分量的衰减系数满足： 专kc - f ；1 ，且为常数( 4 4 1 ) 怠 多径信道参数如表4 4 1 所示，时延的单位为1 0 。，s 。其中，信道a 1 是无多径的 情况，其他备信道的多径衰减相同，但多径时延不同。针对每组参数进行1 0 0 0 0 次 仿真。 t h - p p m 和t h p a m 多径性能仿真结果分别如图4 4 1 和图4 4 2 所示 表4 4 1 多径信道参数，( 时延单位：1 0 4 s ) 多径第1 径第2 径第3 径第4 径 信道 f ( ) f i t t o ) f ( 1 )口( 1 )f ( 2 )口f 2 )f ( 3 )口3 ) a l 01 o000 0o0 a 2 o0 83 - 2 20 2 15 5 70 3 1 6 70 2 a 3 oo 89o 2 11 2 1 o 31 6 3