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超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 摘要 近年来，现代社会对通信服务的需求迅猛增加，人们迫切需要一 项新的、具有高信息传输速率、吞吐量大、功耗低、抗干扰能力强等 特性的无线通信技术。因此，超宽带技术逐渐成为无线通信领域研究 与开发的热点。超宽带无线电因其本质及所具有的优越性能被视为下 一代无线通信的关键技术之一，并将成为人类实现未来短程高速无线 通信的理想选择。 本文在介绍了超宽带技术背景知识的之后，对超宽带系统的若干 关键技术进行了归纳，并详细、重点地对超宽带系统的定时同步技术 进行了分析和总结。通过对已存在的各种同步算法的研究与分析，发 现超宽带同步技术中最大的挑战就是设计出快速、低复杂度而又具有 高性能的同步算法。 本文首先提出了一种新颖的基于能量获取方法的快速超宽带定 时同步算法。由于使用能量获取的方法能够避开复杂的相关运算，因 此实现起来快速、简单，而且又能满足系统需求。同时，此算法引入 非相干接收机进行解调，可以灵活调整计算复杂度与系统性能这一对 矛盾。 此后，在继承上一方法优点的同时，为获得更高的同步精度，本 文又提出一个两步法的同步算法，利用第二步的简单操作可将同步精 度提高到亚纳秒的级别。 最后，本文提出了一个全新的超宽带通信系统方案。首先，设计 了系统的调制方法一准四进制脉冲位置调制方法。之后，根据信号 的特点，提出了一个针对此系统的同步算法，使系统能够快速、有效 地获得同步。接着给出根据接收符号的结构特性而设计的解调方案。 最后，为了从整体上评价同步的性能，给出系统仿真的性能曲线图， 并比较了理想同步与非理想同步情况下系统的性能。 关键字：超宽带同步能量获取 r e s e a r c ho ne n e r g y c a p t u reb a s e ds y n c h r o n i z a t i o n i nu l t r a w i d e b a n ds y s t e m s a bs t r a c t r e c e n t l y ，t h er e q u i r e m e n t so fm o d e ms o c i e t yf o rc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y an e wc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t h h i g hi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h r o u g h p u t ，l o wc o m p l e x i t ya n d r o b u s ta n t i - i n t e r f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i ci sh i g h l yd e m a n d e d c o n s e q u e n t l y ， u l t r a - w i d e b a n dt e c h n o l o g yh a sb e e nb e c o m i n gah o t s p o ti nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，a n di sr e g a r d e da so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e si nn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，d u et oi t s u n i q u en a t u r ea n di n h e r e n ta d v a n t a g e s i tw i l lb e c o m et h eb e s tc h o i c ef o r s h o r t r a n g eh i g hr a t ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni nt h ef o r e s e e a b l ef u t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef u n d a m e n t a lk n o w l e d g eo fu l t r a - w i d e b a n d t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e df i r s t ，a n dt h e ns e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so ft h e in 船s y s t e m s a f t e rt h a t ，w ef o c u so nt h ea n a l y s i sa n ds u m m i n g - u po f t h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e sd e s i g n e df o ru w bs y s t e m t h r o u g ht h e r e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ee x i s t i n g s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，i t s f o u n dt h a tt h em a i nc h a l l e n g ef o ru w bs y n c h r o n i z a t i o ni st oa c q u i r e s y n c h r o n i z a t i o nw i t hm i n i m i z e da c q u i s i t i o nt i m ea n dc o m p l e x i t yb u t o p t i m i z e dp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，an o v e lr a p i ds y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne n e r g y c a p t u r em e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r d u et ot h ee n e r g yc a p t u r e m e t h o d ，c o r r e l a t i o no p e r a t i o ni sb y p a s s e d ，s ot h a t ，i t sr a p i da n ds i m p l e ， w i t h p r o m i s i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，t h en o n c o h e r e n t r e c e i v e ri su s e d ，w h i c hc a nm a k eb e s tt r a d e o f fb e t w e e nc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t ya n ds y s t e mp e r f o r m a n c e at w o s t a g es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei st h e n p r e s e n t e dt oa c h i e v e n h i g h e ra c c u r a c y ，i n h e r i t i n ga l l t h eb e n e f i t so ft h ef i r s ta l g o r i t h m b y e m p l o y i n gt h eo p e r a t i o ni ns e c o n ds t a g e ，t h es y n c h r o n i z a t i o na c c u r a c y c a l lb ei r e p r o v e dt os u b n a n o s e c o n d1 e v e l l a s tb u tn o tl e a s t ab r a n d n e wim s y s t e mi sd e s i g n e d i nt h i s s c h e m e ，aq u a s i - 4 p p mm o d u l a t i o ni sp r o p o s e d a n dt h e nar a p i da n d e f f i c i e n ts y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi sb r o u g h tf o r w a r d 。t a i l o r e dt ot h e n a t u r eo ft h e u n i q u es i g n a ls t r u c t u r e ，f o l l o w e db yt h ec o r r e s p o n d i n g d e m o d u l a t i o n f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es h o w nt oe v a l u a t et h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dc o m p a r ei tw i t ht h ei d e a lt i m i n g k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d s y n c h r o n i z a t i o ne n e r g yc a p t u r e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：地臣，三：翌 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：一2 塑丛：呈! 鲨一 日期：2 鲤垒! 主2 亚 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 1 1 超宽带技术 第一章绪论 当今世界，信息交流呈爆炸性增长且有全球化趋势。多媒体信息流逐渐将语 音信息流挤下霸主宝座，第三代移动通信应运而生，它把人类通信带到全球个人 多媒体通信时代。在这一背景下，无线通信技术得到了长足的发展，然而现代社 会对各种无线通信业务的需求增长迅猛。无线通信已由原来提供远距离通信向短 距离传输方向发展，通过频率的空间复用使得在有限的频率资源条件下满足通信 业务发展的需求。在过去二十年间，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计 算与宽带无线通信的需求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、 智能化的移动计算，以及方便、快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品， 已经逐渐地融入人们的工作领域和日常生活中。随之而来的便携式终端以及无线 通信相关的新技术层出不穷，其中短距离无线通信技术的发展更是百花齐放、令 人目不暇接。正是由于无线频率资源的日渐珍贵，为短距离宽带无线通信技术的 应用提供了广阔的市场前景。因而短距离宽带无线通信技术受到了世界各国工业 界与研究机构的广泛关注。特别是进入2 l 世纪，由于数据业务的推动，短程无线 通信呈现出巨大的发展潜力，这使得短程无线通信技术得到迅猛发展，个人局域 网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的概念被提出并受到广泛的欢迎和关注，成为 未来无线通信的一个重要的应用发展方向。p a n 定位在家庭、办公室及建筑物等 的应用场合，主要应用在语音通信网关、数据通信网关，信息自动交换及电子信 息器件互联，其中心思想是：用无线电或红外线代替传统的有线电缆，实现个人 信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。目前能够实现p a n 的无线通信 技术有：蓝牙( b l u e t o o t h ) ，红外( i r d a ) ，h o m er f ，h i p e r l a n 2 ，i e e e8 0 2 1 1 b ( w i f i ) ，i e e e8 0 2 1l a ，i e e e 8 0 2 1 1 9 等。然而，由于这些无线通信技术的固有不 足，特别是在信息传输速率、吞吐量、功耗及抗干扰能力等方面很难满足未来高 速短程无线通信的要求，因而人们迫切需要一项新的具有高信息传输速率、吞吐 量大、低功耗、抗干扰能力强等特性的无线通信技术。国际上最近几年正在蓬勃 兴起的一种无线通信的革命性传输技术超宽带( u w b ，u l t r a w i d e b a n d ) 脉 冲无线传输技术因其本质及所具有的优越性能而成为人类实现未来短程高速无 线通信的理想选择 北京邮电人学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 超宽带以其优良独特的技术特性，可缓解日益紧张的频带资源需求，非常适 合室内复杂多径环境下高速无线局域网的应用，正越来越受到通信学术界和产业 界的重视，己经成为目前无线通信领域研究的热点，并将获得日益广泛的应用。 高速、低成本、低功耗的优点使得超宽带较适合家庭无线消费市场的需求。再者， 业界专家从发展趋势来看，预言说家庭将是无线通信下一个主战场，这都给超宽 带提供了大显身手的舞台。该技术的“特立独行 所带来的潜在应用前景使人们 对该技术的发展充满了期待。 1 1 2 技术原理概述 超宽带技术的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫、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。马可尼发明的最早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( i r ，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。这项专利因为第二次世界大战的原因，直n 5 0 年代才发表【1 1 。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【2 】，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或障碍物的室内雷达【3 】。1 9 7 4 年，m o r a y l 丰l 请了一个采用超宽带技术的地面探测雷达系统【4 】的美国发明专利， 这个系统可以探测深达几来的地下地貌，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 会刊文彰5 】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。之后，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。 1 9 9 3 年，美国南加州大学通信科学研究所的r a s e h o l t z 在国际军事通信会议 ( m i l c o m 9 3 ) 发表论文【6 】，论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而 开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。传统的无线通信技术为了 划分频带而使用“载波”，载波的频率和功率在一定范围内变化，人们利用载波 的状态变化来传输信息。而u w b 技术则与这种方式截然不同。它的信号不使用 载波，而是由一系列间歇式脉冲组成。通过改变脉冲的幅值、极性、时长或其他 特性，将信息编码到数据流中。脉冲时域宽度越窄，其频谱范围越宽。这项技术 称为“冲激无线电”。由于u w b 发送的脉冲非常短，因而它具有g h z 量级的带 宽。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，而且这种冲激无 2 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 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。自从1 9 9 4 年开始，美国大部份的超宽带研发工作都是在没 有分类限制的状况下进行。这种情况大幅加快研发的速度，业界对其商业化发展 的兴趣亦大幅提高。 超宽带原来专属军方使用的技术，2 0 0 2 年2 月，美国联邦通信委员会( f c c ， f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i r e e ) 正式将其解禁，批准用于民用通信，从而引 起了世界各国及i n t e l 、m o t o r o l a 、s o n y 等知名大公司的广泛关注。根据f c c 的规 定，超宽带的可用带宽为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，可见超宽带的带宽明显大于目前所 有通信技术的带宽。按照f c c 的定义和工业上普遍认可的标准，对超宽带的界定 有两种方法。 方法一：定义小数带宽 ，7 = 2 ( 厶一无) ( 厶+ 五) 式( 1 - 1 ) 其中，厶和五分别是- 1 0 d b 黼高频率和最低频率。如果刁 0 2 ，则此系 统可称为超宽带系统。 方法二：定义绝对带宽 只曲。妇= 厶一五 式( 1 2 ) 同样，厶和无是- 1 0 d b 处的最高频率和最低频率。如果只咖妇5 0 0 m h z ， 则此系统可称为超宽带系统。凡符合上述两种定义的系统就是名副其实的超宽带 系统。另外，f c c 规定超宽带设备的功率谱密度不超过- 4 1 3 d b m h z ，以避免对 已有通信系统产生干扰。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 o p i cr a d i o e dp o w e r ) 和频谱进行了严格规定。f c cu w b 室内辐射 极限如图1 1 所示。 图1 - 1f c c 矾b 室内辐射极限 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 虽然u w b 技术较其他短距离传输技术来说具备了传送超宽带信号的性能， 似乎有更广阔的市场前景，但目前其市场推广最大的障碍在于标准化工作。而且 标准化工作上还存在较大的分歧，造成统一标准工作的延迟。 自从t g3 a 开始审查i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的建议以来，很多公司联合起来推出 各种建议。 在物理层方面，2 0 0 3 年7 月后基本上只剩下两个竞争者：一个是由i n t e l 和t i 领导的多频带o f d m ( m b o a ) 提交的多载波正交频率复用( m b o f d m ) 建议； 另一个是由m o t o r o l a ，c r l ，d e c a w a v e 和o l ( i 半导体公司的行业组织联合支持的 直接序列u w b ( d s u w b ) 建议。两大阵营的u w b 技术标准最大的分歧在于是 采用单频段技术还是多频段技术。m b o a 主张采用多频段技术，d s u w b 联盟主 张采用单频段技术。 由于双方都没能够达至i j l e e e 批准所必要的7 5 的投票率，因此均未能成为超 宽带标准。这个僵局意味着双方有可能不顾i e e e 的批准而继续向前发展，导致 两个超宽带技术标准同时存在的局面。 d s u w b 系统【7 】_ 【1 0 】工作在3 1 1 0 6 g h z 频段，建议采用了双频带( 3 1 5 1 5 g h z 和5 8 2 5 1 0 6 g h z ) 的方法，即在每个超过1 g h z 的频带内用极短时间脉冲传输数 据，该方法也称为脉冲无线电。它采用2 4 码片( c h i p 符号) 的直接扩频( d s s s ) 实现编码增益，与m b o f d m u w b 相比有较好的频率利用率。 d s u w b 系统工作在3 1 1 0 6 g h z 频段，为了避免在这个频段范围内的对已 有通信系统的干扰，分为高、低两个频段：低带的中心频率为4 1 g h z ，带宽为 1 3 6 8 g h z ，恒定的符号速率5 7 m s p s ，能提供的数据传输速率有2 8 5 ，5 7 ，7 5 ， 1 0 0 ，l1 4 ，2 0 0 ，4 0 0 m b p s ；高带的中心频率为8 2 g h z ，带宽为2 7 3 6 g h z ，恒定 的符号速率为l1 4 m s p s ，能提供的数据传输速率有1 0 0 ，l1 4 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 ， 6 0 0 ，8 0 0 m b p s 。目前，提案中更多地考虑低带的情况。该系统采用d s s s 技术的 直接序列扩频码分多址，m b o k + b p s k 调制，信道编码采用卷积码( 编码速率为 1 2 ，2 3 或3 4 ) ，r s ( r e e d s o l o m o n ) 码和级联码。 在d s u w b 系统中，对于不同微微网( p i c o n e t ) 利用不同的b o k 码集实现码 分多址，每个p i c o n e t 发射信号的中心频率相对于标准中心频率分别偏移+ 3 m h z ， 3 m h z ，+ 9 m h z 或9 m h z ，b o k 码集采用三元码 1 ，0 ，+ 1 ) 。在一个微微网 内，不同的d e v 按照i e e e 8 0 2 1 5 3 m a c 协议采用t d m a 多址方式实现信道划分。 d s c d m a 系统方案的物理层一个分组的帧包括：前导( p r e a m b l e ) 、物理头( p h y h e a d e r ) 、m a c 头( m a ch e a d e r ) 、头校验序列( h c s ，h e a dc h e c ks e q u e n c e ) 、 帧体( f r a m ep a y l o a d ) 、帧校验序列( f c s ，f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 。其中前导 包含了捕获序列、训练序列、前导码帧首定界符( s f d ，s t a r to f f r a m ed e l i m i t e r ) 。 4 北京邮电大学硕士学位论文 超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 d s u w b 系统发射机主要由以下部分组成：加扰、编码、打孔、交织、m 元 双正交键控( m b o k , m - a r yb i - o t h o g o n a lk e y i n g ) 调制等。d s - u w b 系统发射机 原理图如图1 2 所示。 图1 - 2 发射机原理图 d s u w b 系统接收机主要由以下部分组成：滤波、同步、m b o k 解调、解交 织、解打孔、解码、解扰等。d s u w b 系统接收机原理图如图1 3 所示。 2 b o k 解调 丽导+ 物理头l 丁一 + m a c 头+ imi 4 1 0 4 g 正a ( l o ) i 帧体+ ；帧i 校验i m a c序列 m a c 头 图1 - 3 接收机原理图 p h y s a p m b o f d m u w b 是子信道化的( c h a n n e l i z e d ) u w b 系统，每个子频带( 信 道) 采用时频交织正交频率复用( t f i 0 f d m ) 方式，把超宽带带宽分成一组正 交窄带信道( 即增大符号时间) 。长符号时间的好处是抗符号间干扰( i s i ， i n t e r - s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ) 能力较强，但是o f d m 方式增加了收发器的复杂度， 增加了对子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 的处理。 m b o f d m 系统h 1 3 】工作在3 1 1 0 6 g h z 频段，我们将这段频率按照5 2 8 m h z 带宽划分，7 5 g h z 的频段被分成1 3 个子带，能提供的数据传输速率有5 5 ，8 0 ， l1 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 m b s ，峰值可达到4 8 0 m b s 。该系统利用正交频分复用( o f d m ) 技术，系统使用1 2 2 个子载波，采用q p s k 调制，信道编码采用卷积码，编码速率 有1 1 3 2 ，1 2 ，5 8 和3 4 几种。必用方案的频带为3 个，可选方案的频带为7 个。 m b o f d m 采用时频编码( t f c ，t i m e f r e q u e n c yc o d e ) 划分信道，对于不同的微 微网( p i c o n e t ) 使用不同的时频编码，并且不同的时频编码对应于不同的前导图 案。在一个p i c o n e t 内，不同的用户设备采用t d m a 进行信道划分。m b o f d m 系 5 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 统方案的物理层一个分组的帧包括：前导( p r e a m b l e ) 、物理头( p h yh e a d e r ) m a c 头( m a ch e a d e r ) 、头校验序列( h c s ) 、尾比特( t a i l b i t s ) 、帧体( f r a m e p a y l o a d ) 、帧校验序列( f c s ) 、补充比特( p a db i t s ) 。 m b o f d m 系统发射机主要由以下部分组成：加扰、编码、打孔、交织、调 制、i f f t 、插入导频、插入循环前缀、插入保护间隔、数模变换、时频编码等。 m b o f d m 系统发射机原理图图1 4 。发射信号功率谱密度低于4 1 2 5 d b m m h z 。 发射机中心频率最大抖动为2 0 p p m ，符号时钟频率最大抖动为2 0 p p m 。 图1 - 4 发射机原理图 m b o f d m 系统接收机主要由以下部分组成：滤波、时频解码、模数变换、 同步、去循环前缀、去保护间隔、f f t 、载波相位跟踪、去导频、解交织、解打 孔、解码、解扰等。m b o f d m 系统接收机原理图如图1 5 。 图1 - 5 接收机原理图 两个方法的主要区别在于超宽带带宽的分配。其实两方面都有各自的优缺 点。d s u w b 技术是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的 频率。对现有的，许可频带内的用户造成的干扰比较少，成本可以做得比较低， 可实现更高速的无线数据传输，应用于媒体流及大量的数据传。m b o f d m i m b 技术是多频带方式，技术上易于实现，功耗很低，频带的利用率高，多个频率子 带并列，可以避开某些频带从而灵活配置，速率的扩展性好。 1 1 3 特点 超宽带( u w b ) 技术与常规无线通信技术相比，其主要性能特点及技术优 6 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 势表现在以下几个方面： ( 1 ) 传输速率高，空间容量大 根据仙农( s h a n n o n ) 信道容量公式，在加性高斯白噪声( a w g n ，a d d i t i v e w h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道中，系统无差错传输速率的上限为： c = b l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ，其中，b ( 单位：h z ) 为信道带宽，s n r ( s i g n a lt o n o i s e r a t i o ) 为信噪比。 在u w b 系统中，信号带宽b 高达5 0 0 m h z 7 5 g h z 。因此，即使信噪比s n r 很低，u w b 系统也可以在短距离上实现几百兆至1 g b s 的传输速率。例如，如果 使用7 g h z 带宽，即使信噪比低至1 0 d b ，其理论信道容量也可达到1 g b s 。因此， 将u w b 技术应用于短距离高速传输场合，如高速无线个域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明， 基于u w b 的w p a n 可达的空间容量比目前无线局域网( w l 州，w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) ( 标准i e e e8 0 2 1 1 a ) 高出1 2 个数量级。 ( 2 ) 适合短距离通信 按照f c c 规定，u w b 系统的可辐射功率非常有限，3 1 g h z 1 0 6 g h z 频段总 辐射功率仅0 5 5 m w ，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将 不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数s n r r ( d ) 。根据仙农公 式，信道容量可以表示为距离的函数： c ( d ) = b l 0 9 2 1 + s n r r ( d ) 】 式( 1 3 ) 另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频 段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致 u w b 信号产生失真，从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离 小于1 0 m 时，u w b 系统的信道容量高于5 g h z 频段的w l a n 系统，收发信机之间 距离超过1 2 m 时，u w b 系统在信道容量上的优势将不复存在。因此，u w b 系统 特别适合于短距离通信。 ( 3 ) 具有良好的共存性和保密性 据f c c 规定，u w b 带宽内，i _ r w b 信号的发射功率要小于0 5 6 m w ，也就是说 功率密度小于7 5w m h z ( - 4 3 1 d b m b v i h z ) 。这样，一方面u w b 系统辐射谱密 度极低，对传统的窄带系统来讲，u w b 信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下， u w b 信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，u w b 系统与传统的窄 带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有 利的。另一方面，极低的辐射谱密度使u w b 信号具有很强的隐蔽性，很难被截 获，这对提高通信保密性非常有利。 ( 4 ) 分辨率高，抗多径衰落 7 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 多径衰落是无线通信的一大障碍，传统的技术容易受到建筑物内部以及周围 多径的干扰，使得无线传输特性变差。u w b 具有极高的工作频率和极低的占空 比( 即脉冲持续时间与符号长度的比值) 从而具有很高的分辨率，不同路径的分 辨率可降到纳秒量级，因此对信道多径衰落不敏感，特别适合于室内等多径密集 的场合。u 帅非常窄的波形使得它有可能从信道的多个反射中被独立的分辨出 来，从而使得多径衰落大大减小。实验表明，对常规无线信号多径衰落深达 1 0 3 0 d b 的多径环境，对u w b 信号的衰落不超过5 d b ，具有优良的抗多径衰落性 能。 ( 5 ) 抗干扰能力强 u w b 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲 数。u w b 的占空比一般为o 0 1 0 0 0 1 ，具有比其他扩频系统高得多的处理增益， 抗干扰能力强。一般说来，u w b 抗干扰处理增益在5 0 d b 以上。 ( 6 ) 定位精度高 信号的定位精度与其带宽直接相关，u w b 信号的带宽一般在5 0 0 m h z 以上， 远高于一般无线通信信号，因此其定位精度也很高。基带窄脉冲信号形式的信号， 因为其带宽通常为数g h z ，所以其定位精度可以高达厘米量级。表1 1 简单比较 了几种与u w b 技术相近的其他几种短距离无线通信技术在传输速率，传输距离 等方面的性能指标 表卜1 短距离无线技术比较 i e e e8 0 2 1 l ab l u e t o o t hh o m e r fu w b 传输速率5 4 m b i t s l w 5 0 0 m h z ) 覆盖3 1 0 g h z 带宽，即多带系统。 2 2 调制和多址 超宽带信号具有非常宽的带宽，但是它并不像其它扩频系统依赖扩频序列或 跳时序列来产生宽带信号，它是使用了纳秒级脉冲从而占据了从直流到几个g h z 的频谱宽度。如此宽的带宽，使u w b 系统不同于窄带无线通信系统，即u w b 系 统是功率受限系统，而传统的窄带系统是带宽受限系统，这个根本区别使得u w b 调制方案有着自己的特点。 调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和 可靠性，同时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。对于多址技术解决多个用 户共享信道的问题，合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多 用户容量。在u w b 系统中采用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的 1 4 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 调制、基于o f d m 的正交多载波调制。多址技术包括：跳时多址、跳频多址、直 扩码分多址等。系统设计中，可以对调制方式与多址方式进行合理的组合。 2 2 1u w b 的调制方法 i n 船系统发送的是纳秒级或亚纳秒级脉冲串，脉冲宽度远小于脉冲之间的 平均间隔( 帧) ，两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。 p a m 是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。在 p a m 调制系统中，一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。任何形状的 脉冲都是通过其幅度调制使传输数据在 1 ，+ 1 ) 之间变化( 对于双极性信号) 或 在m 个值之间变化( 对于m 元p 蝴) 。增加传输脉冲所占的带宽或减少脉冲重复 频率，都可以增加一个固定平均功率谱密度的u w b 系统所能达到的吞吐量和传 输距离，可以看出这一效果与增加传输功率的峰值的效果是相似的。在m p a m u w b 通信系统中，有着高脉冲重复率的2 p a m 得到的吞吐量要高于更高阶p a m 系统所得到的。p a m 信号可以通过非相干技术来解调。 脉冲位置调制( p p m ) 又称时间调制，是用每个脉冲出现的位置落后或超前 某一标准或特定时刻来表示某个特定信息的。二进制p p m 是超宽带无线通信系统 经常使用的一种调制方法，相对其它调制方法来说也是较早使用的一种方法。采 用p p m 的一个重要原因是它能够使用零相差的相关接收机来接收检测信号，而这 种接收机有着非常好的性能。然而，p p m 会产生离散的且不携带任何信息的频谱， 这样一来就可能产生干扰。有两种方法来减少这种干扰：一是使脉冲重复频率随 机化，这可以使频谱宽度增加到一定程度；另一种方法是增加脉冲序列的周期。 2 2 2u w b 的多址技术 跳时多址( t h m a ，t i m e - h o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ) 是最早应用于u w b 通信 系统的多址技术，它可以方便地与p p m 调制、b p s k 调制相结合形成跳时脉位调 制( t h p p m ，t i m e h 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 ) 、跳时二进制相移键控 ( t h b p s k ，t i m e h o p p i n gb i n a r yp h a s es h i f tk e y ) 系统方案。这种多址技术利 用了u w b 信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期( l ，又称帧周期) 划分成m 个持续时间为z 的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列 在m 个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采 用p p m 调制或b p s k 调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。 由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从 而避免了多用户干扰。将跳时技术与p p m 结合可以有效地抑制p p m 信号中的离散 谱线，达到平滑信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 用户数很大时必然产生多用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题 【2 2 】 o 跳时二进制移相键控t h b p s k 方式中，发送的数据采用b p s k 调制，脉冲的 发送时刻受伪随机序列控制。而t h p p m 是用多个单周期脉冲传送一个二进制信 息符号，所有脉冲极性都相同，各脉冲的发送时刻由跳时与待传送的数据信息共 同控制，这是t h p p m 与t h b p s k 的区别。图2 2 给出了t h p p m u w b 发射机结 构： 图2 - 2t h - p p m - i i w b 发射机结构 直扩码分多址( d s c d m a ，d i r e c ts e q u e n c ec a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ) 是i s 9 5 和3 g 移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这种多址方式同样可以应用 于u w b 系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪随机序列对数据 信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即使用户信号间发生冲突，解扩 后互干扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是限制其性 能的重要因素。因此，在d s c d m a 系统中需要进行功率控制。在u w b 系统中， d s c d m a 通常与b p s k 结合。 跳频多址( f h m a ，f r e q u e n c yh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ) 是结合多个频分子信 道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的随机跳频码控制射频频率合成器， 以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传输数据，数据调制在基带完成。 若用户跳频码之间无冲突或冲突概率极小，则多用户信号之间在频域正交，可以 很好地消除用户间干扰。原理上讲，子信道数量越多则容纳的用户数量越大，但 这是以牺牲设备复杂度和功耗为代价的。在u w b 系统中，将3 1 g h z 1 0 6 g h z 频 段分成若干个带宽大于5 0 0 m h z 的子信道，根据用户数量和设备复杂度要求选择 一定数量的子信道和跳频码解决多址问题。f h m a 通常与多带脉冲调制或o f d m 相结合，调制方式采用b p s k 或正交移相键控。 o f d m u w b 是基于一系列的频域编码的短脉冲序列，这些短脉冲时域宽度 为纳秒级。而且o f d m 调制方式实现简单，即可以采用离散傅立叶变换( d f t ， d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 。o f d m 有很多优点：能提供较大的系统容量，具有 1 6 北京邮电大学硕士学位论文超宽带通信系统中基于能量捕获的同步研究 较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，能适应多径和移动信道 传播条件，能够适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率。 本节对目前常用的u w b 调制技术和多址技术进行分析比较。在u w b 系统中 采用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于o f d m 的正交多 载波调制，本节主要介绍了基于超宽带脉冲的调制，包括p a m 调制及p p m 调制。 对于多址技术详细介绍了跳时多址、直扩码分多址，简单分析了跳频多址技术。 在系统设计中，我们可以根据需要对调制方式与多址方式进行合理的组合，以达 到我们期望的系统性能。 2 3 信道 经研究表明：u w b 信道不同于一般的无线衰落信道，这种明显的区别主要 体现在三个方面：( 1 ) 新的多径分量幅度统计规律：u w b 信道中可分离的不同多 径到达时间之差可短至纳秒级，在典型的室内环境下，每个多径分量包含的路径 数目很可能只有2 至t j 3 条，显然已经不符合r a y l e i g h 分布或r i c e 分布的假定；( 2