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传输参考超宽带系统中的接收机优化设计与性能研究 摘要 超宽带是一种新兴的短距离无线通信技术，它通过发射极短的脉 冲信号传输数据，具有成本低廉、功耗较小，电路实现简单，抗多径 能力强等诸多优点。超宽带可与现有的无线通信系统共享频谱，因此 在频谱资源日益紧张的今天，超宽带技术逐渐成为无线通信领域研究 与开发的热点。目前，超宽带无线电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。 由于室内环境具有复杂的散射特性，超宽带无线信道通常含有数 百条多径。传统的超宽带系统采用r a k e 接收技术收集多径能量。 但r a k e 接收要达到较好的检测性能，就必须进行精确的信道估计， 搜索出每个耙指的纳秒级精确时延和增益系数，这是非常困难的。此 外，r a k e 接收所需要的大量延迟分支将使接收机的复杂度急剧增 加，成本昂贵。与r a k e 接收相比，传输参考( t r ) 超宽带技术避 免了复杂的信道估计，降低了对同步的要求，并对信道引起的脉冲形 变具有鲁棒性，因此传输参考超宽带受到人们越来越多的关注。 本文在介绍了超宽带背景知识之后，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t r u w b 技术进行了分析和总结。 通过对已存在的各种接收检测算法的研究与分析，发现t r u w b 系 统中，特别是考虑到信息传输速率和脉冲间干扰( i p i ) 时，最大的 挑战就是设计出低复杂度而又具有高性能的接收检测算法。为此本文 创新性地提出一种m 序列编码的t r i 丁w b 系统。通过调用m 序列编 码，t r 系统中的参考脉冲和数据脉冲可以连续发送。这种连续发送 脉冲的帧结构，不仅可以大大的提高系统的速率，而且还可以有效地 消除脉冲间的i p i 。在接收端，我们利用m 序列的循环相加移位特性 ( c a p ) ，采用一个延迟线和相关器即可实现信息检测，使系统的设 备复杂度降低至最小。特别需要指出的是，传统的t r 系统和现有的 许多方案中均需要较长的延迟线，这在实际工程中很难实现，而本文 所提的t r 系统只需要很短的延迟线，这解决了t r 系统在实现方面 的一个主要难题。随后，本文详细分析推导出系统检测性能，并给出 了二进制系统在u w b 密集多径信道下的闭式解。理论分析和系统仿 真均有力的证明，本文提出的r n 序列编码的t r 系统较其他的t r 系 统有更高的传输信息速率和接收检测性能。 随后，本文在继承上一方法优点的同时，为获得更好的误比特率， 又提出一种改进的接收检测算法。通过充分利用信号独特的帧结构和 m 序列码字之间的近似正交性，直接从接收到的信号中构建出干净的 解调模板。构造模板的过程不仅消除了脉冲间干扰，同时也有效地降 低了模板中的噪声。在略微增加设备复杂度的条件下，进一步提高了 系统的检测性能和系统效率。仿真和分析都充分证明了系统的可行性 和优良的性能。 关键字：超宽带传输参考脉冲间干扰m 序列循环相加移位特性 h t h er e c e i 、但ro p t i m 毗狐t i o n r e s e a r c ha n dp e i 之f o r m a n c ea n a 工y s i sf o r t ra n s t - r e f e r e n c ei 】w bs y s t e m a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) i m p u l s e r a d i oh a sa t t r a c t e dg r o w i n gi n t e r e s t s i n c ei ti sc a p a b l eo fo f f e r i n gv e r yh i g hd a t ar a t e sb yt h et r a n s m i s s i o no f u l t r a s h o r t p u l s e s i 冈m h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t , l o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w - c o m p l e x i t yi m p l e m e n t a t i o n ，a n di m m u n et o m u l t i p a t h s e s p e c i a l l y , i 肿s y s t e m sc a nc o e x i s tw i t ht h ee x i s t i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a tt h es a m e f r e q u e n c y b a n 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 t i nw i r e l e s sc 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 s o n eo ft h ek 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 i t w 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 h r a t ew i r e l e s s c 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 d u et ot h er i c h s c a t t e r i n g i n d o o re n v i r o n m e n t u w bc h a n n e l g e n e r a l l yc o n t a i n sh u n d r e d so fm u l t i p a t h s c o n v e n t i o n a lims y s t e m s e m p l o yr a k er e c e i v e r st oc o l l e c tt h ea v a i l a b l em u l t i p a t hd i v e r s i t y h o w e v e r , e s t i m a t i o no fa l lt h et a pg a i n sa n dd e l a y sw h i c ha r en e e d e df o r r a k eo p e r a t i o ni saf o r m i d a b l et a s k e v e ni ft h e s ee s t i m a t e sw e r e a v a i l a b l e t h er e s u l t i n gra ker e c e i v e rw o u l db ev e r yc o m p l e xd u et ot h e l a r g en u m b e ro ff i n g e r sr e q u i r e d a l t e r n a t i v e l y , t h et r a n s m i t - r e f e r e n c e in ( t r i 入船1s y s t e m sh a v ea t t r a c t e ds u b s t a n t i a li n t e r e s t sb e c a u s ei t a v o i d se x p l i c i tc h a n n e le s t i m a t i o n r e d u c e ss y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t s a n da l s oi sr o b u s tt op o s s i b l ec h a n n e ld i s t o r t i o no np u l s es h a p 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 u w bs 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 ed e t e c t i o ns c h e m e sd e s i g n e df o rt r - u 、加s y s t e m t h r o u g ht h e i l l 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 gd e t e c t i o na l g o r i t h m s ，i t sf o u n dt h a t t h em a i nc h a l l e n g ef o rt 1 0 i 帅s y s t e mi st od e s i g nat r a n s c e i v e r s t r u c t u r ew i t hm i n i m i z e d c o m p l e x i t y b u t o p t i m i z e dp e r f o r m a n c e ， e s p e c i a l l yt a k i n gt h ed a t ar a t ea n di n t e r - p u l s e - i n t e r f e r e n c e ( i p i ) i n t o a c c o u n t t o a d d r e s st h et a s kan o v e l m s e q u e n c ec o d e d t r a n s m i t - r e f e r e n c es i g n a l i n ga n dd e t e c t i o ns c h e m ei s p r o p o s e di nt h i s p a p e r , w h e r eb yi n v o k i n gm - s e q u e n c ec o d e st h er e f e r e n c ea n dd a t ap u l s e s a r et r a n s m i t t e ds i d eb ys i d et oi n c r e a s et h ed a t ar a t e t k ss t r u c t u r e e n a b l e sd e m o d u l a t i o nw i t hac o n v e n t i o n a lc o r r e l a t i o nr e c e i v e rd e s p i t e e x i s t i n gs e w e ri p i r e l y i n go nt h ec y c l e a n d - a d dp r o p e r t y ( c a p ) o f m - s e q u e n c e , t h er e s u l t a n ti p ii ss k i l l f u l l yr e d u c e db yt h ec o n v e n t i o n a l r e c e i v e rw h i c ho n l ye m p l o y so n es h o r t d e l a yl i n ea n do n ec o r r e l a t o r e s p e c i a l l y , t h es h o r td e l a yl i n er e q u i r e m e n to v e r c o m e sam a j o rh u r d l e ( 1 0 n gd e l a yl i n e s ) o fp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o no ft h et rs y s t e m w et h e n a n a l y z et h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n dg i v eac l o s e f o r me x p r e s s i o no fb i t e r r o rp r o b a b i l i t y ( b r p ) f o ro u rb i n a r ys y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dt rs y s t e ma c h i e v e s s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tb y c o m p a r i n gw i t ho t h e rd e s i g n si nt e r m so fd e t e c t i o np e r f o r m a n c er e l a t e dt o t h ed a t ar a t ea n dp o w e r e f f i c i e n c y a ni m p r o v e dd e t e c t i o ns c h e m ei st h e np r e s e n t e dt oa c h i e v eb e t t e r b e p p e r f o r m a n c e ，i n h e r i t i n ga l lt h eb e n e f i t so ft h ef i r s ta l g o r i t h m t a k i n g f u l l a d v a n t a g eo ft h en e w l yd e s i g n e df r a m es t r u c t u r ea n dn e a r l y o r t h o g o n a lm s e q u e n c ec o d e s ，w ec a l lc o n s t r u c tc l e a rd e m o d u l a t i o n t e m p l a t e s t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si sn o to n l ya l li p ir e d u c t i o no p e r a t i o n b u ta l s oa l l a v e r a g i n go p e r a t i o nw h i c hr e d u c e st h en o i s el e v e l i n d e m o d u l a t i o nt e m p l a t e s i ti se x p e c t e dt os i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eb e p p e r f o r m a n c ei nc o n t r a s tw i t ht h ep r e v i o u ss c h e m ew h i l ea d d i n gl i t t l e c o m p l e x i t y b o t ha n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt od e m o n s t r a t e t h ep r o m i s i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds c h e m e k e yw o r d s ： u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) ，t r a n s m i t - r e f e r e n c e ( t r ) ， i n t e r - p u l s ei n t e r f e r e n c e ( i p i ) ，m - s e q u e n c e ，c y c l e a n d a d dp r o p e r t y i v 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 盔! 丑拯1 日期： 塑1 2 、三：! i 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年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： j i ：哀邮电太堂亟i 佥塞 箍= 童呈i 直 第一章引言 1 1u w b 技术简介及国内外研究现状 无线技术在通信发展进程中一直扮演着重要角色。几十年来，移动通信蓬勃 发展，3 g 、b 3 g 等概念的日益普及。随着数据业务的推动，无线家族中的另一 成员短距离( 1 0 m 1 0 0 m ) 宽带无线接入技术正异军突起，呈现出巨大的发 展潜力，无线个人局域n ( w p a n ) 的概念被相应提出。w p a n 的核心思想是用无 线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。从蓝牙、i r d a 、 h o m e r f 到i e e e8 0 2 1 1 ( 即w i f i ) 系列，越来越多的人开始感受到了短距离无 线通信技术所带来的诸多便捷，甚至有人认为短距离无线通信技术具有与3 g 抗 衡之势。 在这种背景下，超宽带( i r 、腮，u l t m - w i d e b a n d ) 技术应运而生，高性能、 低成本、可充分应用多种成熟技术、系统设计简单等特征，使得u w b 技术的应 用具有非常大的潜力，引起了全球通信技术领域的极大重视，逐渐成为短距离无 线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 1 1 1u w b 技术的历史背景 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 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 ) ， 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 s 0 年代才发表【l 】。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m s p e r r y 研究中一i 蝴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 1 ，之后r o s s 博士 又进一步开发了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 申 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 c 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【们，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 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 t t 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 r = 2 ( 厶一无) ( 厶+ 五) ( 1 - 1 ) 其中，厶和五分别是- 1 0 d b 处的最高频率和最低频率。如果r 0 2 ，则此系 统可称为超宽带系统。 方法二：定义中心频率 f c = ( 厶+ 五) 2 ( 1 - 2 ) 同样，厶和五分别是- 1 0 d b 处的最高频率和最低频率。如果f c 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等效同向辐射功率( 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。表1 1 给出了f c c 关 于u w b 不同民用通信系统的所占频谱范围内等效同向辐射功率e i r p 的规定，图 2 1 1 给出了室内商用通信系统的频谱规定。与此同时，其他一些国家及地区，如 欧洲、日本、新加坡等也基于f c c 标准，对u w b 也做出相应的频谱界限规定 频率 ( m h z ) 表1 - 1f c c 关于不同u w b 通信系统的频谱规定 9 6 0 1 6 1 0 1 6 1 0 - 1 9 0 0 1 9 0 m 1 9 9 0 1 9 9 0 3 1 0 0 3l o m l 0 6 0 0 等效同向辐射功率e i r p ( d b m ) 室内手持低频高频中频车载 通信通信成像成像成像雷达 1 5 2 0 91 5 2 0 91 5 2 0 91 5 2 0 91 5 2 0 91 5 2 0 9 限制限制限制限制限制限制 7 5 3- 7 5 36 5 3- 6 5 3- 5 3 3- 7 5 3 5 3 3石3 3- 5 3 35 3 35 1 3 6 l - 3 5 1 3 _ 4 1 34 1 3 5 1 34 1 3_ 6 1 3 - 4 1 3 1 0 6 0 0 2 2 0 0 05 1 3 2 2 0 0 0 2 9 0 0 05 1 36 l - 35 1 35 1 3 2 0 0 0 0 31 0 0 0 3 1 0 0 0 图1 - 1f c c 对室内商用频谱的规定 4 1 3 5 1 3 5 1 3 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。 3 1 1 2im b 技术的主要研究体制 根据f c c 的定义及工业上的普遍认可的标准，信号相对带宽( 信号一1 0 d b 处 的最高频率与最低频率之差与中心频率之比) 0 2 0 ，或者绝对带宽( 信号一1 0 d b 处的最高频率与最低频率之差) 5 0 0 m h z 的信号即可称为超宽带信号。按照 f c c 的规定，u w b 的民用频率范围为3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，可见u w b 的带宽明 显比其他通信技术的带宽要大，可以算是名副其实的超宽带系统。基于上述定义， 产生了三种不同的u w b 通信体制：基于o f d m 技术的m b o f d m u w b ，基于 序列扩频方式的d s u w b ，以及基于脉冲无线电方式的i r - u w b 。由于各自的实 现方式不同，在信号的调制、解调处理上也有所不同，各自的优缺点也各有不同。 m b - o f d m u w b 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 o 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 7 1 - 1 0 i t 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 ， 11 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，3 2 0 m b s ，峰值可达至j j 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 c 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 ，f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 、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 系统发射机原理图如图1 2 。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 。 4 图1 - 2 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 3 。 图1 - 3 接收机原理图 该方案具有o f d m 技术的诸多优点：由于相邻的子载波可以有一半的重叠， 系统具有比较高的频谱利用率；通过精确地控制频谱的形状，使发送信号的频谱 严格满足f c c 的规定，有效地节约频率资源；通过增长符号长度可以抵抗多径干 扰；采用循环前缀可以克服信道间干扰和符号间干扰；简单有效地收集多径能量， 提高系统性能；采用现有成熟技术使系统具有更好的灵活性与兼容特性，并且可 以方便地进行系统升级，而无需大规模更改现有的系统架构。但是，该方案仍然 受到许多因素的制约。一方面，由于各子信道的频谱相互覆盖，频率偏差会导致 子信道间的信号相互干扰，对波形的正交性提出了严格要求；另一方面，发射机 结构复杂，需要进行快速的傅氏变换，以及能够快速跳频的本地振荡器，这对能 否在目前的技术下降低成本提出了严峻的挑战。 d s u w b d s u w b 系统【l l 】【1 3 1 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 s y m b 0 1 ) 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 ) 调制等。d s u w b 系统发射机原理图如图1 4 所示。 5 图1 - 4 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 5 所示。 h 解调 前导砌理头 l t + m a c 头+ m 罂i 广l 1 r r c l p f 制懈k m a c 头 4 1 啪击( l o ) 帧体滁器列 图1 - 5 接蝴理图 扰码器1 种子主p h y 叫解扰b s a p 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 i g h z ，带宽为 1 3 6 8 g h z ，恒定的符号速率为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 ，11 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11 4 m s p s ，能提供的数据传输速率有1 0 0 ，11 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 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 ) 、 6 墨慧 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 ) 。 尽管d s - u w b 的基础技术也比较成熟，但是同m b o f d m u w b 一样，也面 临着诸多严峻的考验：对于d s u w b 接收机，需要一个判决反馈均衡器来消除符 号间干扰，并需要丰富的多径来收集多径能量，大大增加了设备复杂度和设计难 度；需要软频谱适应来满足各个国家或地区的u w b 频谱规范，导致设计代价非 常高；如何有效地消除窄带干扰尚无明确方案。 i r - u w b 传统的“窄带”和“宽带”都是采用射频( 】r f ，r a d i of r e q u e n c y ) 载波来传送信号， 载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相 反，脉冲无线电超宽带( 熙i n 鹏) 技术是一种基带传输方式，通过发送低占空 比的脉冲无线电信号传送声音和图像数据，而且每秒可发送多至l o 亿个代表“o 和“l ”的脉冲信号。这些脉冲信号的持续时间极窄( 通常为0 1 至1 5 纳秒) ，频带极 宽( 数m h z 到数g h z ，甚至超过1 0 g h z ) 。 由于采用超短脉冲作为发送信息的载体，i r u w b 无线系统具有许多独特优 点，并决定了其广阔的发展前景。 ( 1 ) i r u w b 系统采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，抗干扰性能 强。( 2 ) i r i y w b 的数据速率可以达到几十m b p s 至l j 几百m b p s ，传输速率高。( 3 ) i r u w b 无线技术能使设备工作在其他无线电系统占据的频谱上而不产生干扰， 频谱效率。( 4 ) i r u w b 不使用载波，只在需要发送信息的瞬间发射冲击脉冲，系 统耗能小。( 5 ) 发射功率谱密度低，用传统的接收机无法接收，保密性好。除此 外，i r u w b 还有许多其他优点，可参考全文参考文献，在此不再赘述。 尽管i r u w b 具有如此多的优点，但是实现这些优点仍面临诸多严峻的挑 战：( 1 ) 系统对定时误差非常敏感。i r u w b 系统使用了低功率的持续时间仅为 纳秒极窄脉冲，即使是很小的定时偏差都会导致系统性能严重下降【1 1 】_ 【1 3 】，因此 系统对定时精度的要求是非常严格。( 2 ) 脉冲的产生和检测技术困难。在发送端， 产生的脉冲要具有极陡峭的上升沿和下降沿，同时应具有拖尾小、定时准确、波 形稳定、重复频率高等特点。对目前工艺，这样的脉冲产生比较困难。在接收端， 这样的脉冲又很难被接收机检测到。( 3 ) 信道估计技术。由于信号的带宽极宽， 而信道呈现强烈的频率选择性衰落特性，这就必须采取有效的信道估计技术来确 保超宽带通信系统的高传输速率。( 4 ) 超宽带天线技术。由于超宽带信号自身的 时域、频域特性，决定了其不单对传递函数的幅度有严格要求( 平坦的、大带宽 的) ，还对其相频特性亦有要求( 线性的，保证波形不在时间上延展) 。i r u w b 面 临的其他问题也可参考全文文献。 7 本文的研究方向是基于脉冲无线电体制的u w b 系统，所以在以后的章节中 将详细介绍i r u w b 通信技术，并针对i r - u w b 的检测技术展开讨论，提出自己 的解决方案。 1 1 3u w b 技术的国内外发展研究现状 近几年来，无线通信技术应用的增长速度远远超过有线技术【1 7 1 。根据e a m s t & y o u n g 咨询公司的报掣1 8 】，至1 2 0 0 8 年，无线通信的应用将超过有线通信而成为 通信领域里的主导。另外，由于技术上的先进性，无线局域网( 、a n ) 也得到 了越来越多的消费者的采纳。据a l l i e db u s i n e s si n t e l l i g e n c e i 舰构预测，到2 0 0 8 年， 超宽带技术将在世界范围内产生1 3 9 亿美元的市场收入。 全球有数以亿计的包括无线通信设备在内的电子信息产品，高速率、低功耗、 抗干扰几乎是它们中绝大部分产品的核心需求。u w b 技术所特有的传输速率高、 发射功率低、抗干扰性能好等特点恰恰满足这些需求，因此u w 技术有着最为 广阔的潜在市场。 目前美、欧有关标准化组织，如i e e e8 0 2 、e t s i 等正在进行超宽带技术的 标准化工作。其中i e e e8 0 2 1 5t g 3 a 关于超宽带技术应用于高速无线个域网 ( w p a n ) 低层协议的标准化工作成为全球业界关注的焦点。那些超宽带技术的 先创者们努力想把他们的技术变成i e e e8 0 2 1 5 3 a 高速w p a n 物理层的基础。 目前主要集中在两种方案的竞争中。以i n t e l 、t i 为首的多带o f d m 联盟( m b o a ) 所提出的多带o f d m 方案目前拥有多数支持者；而以m o t o r o l a 为首的一些公司 支持d s c d m a 方案，他们已开发出芯片，正在被一些开发商试用中。目前标准 制定处于两种标准僵持不下的状态。 惠普、摩托罗拉等在无线网络、消费电子、微电子和超宽带技术方面处于领 先的九个业界巨头于2 0 0 2 年9 月成立了w i m e d i a 联盟( 目前其成员已大大增加， 包括i n t e l 等m b o a 的很多成员) ，致力于开发和采纳基于标准的、连接高速数 据和多媒体设备的w p a n 规范的制定。w i m e d i a 对标准的态度将会对标准方案 的选定起重要作用。 另外i e e e8 0 2 1 5t g 4 a 也于2 0 0 4 年3 月成立，开始进行超宽带技术应用于 低速无线个域网( w p a n ) 低层协议的标准化工作，目标是低速、超低功率、低 成本的通信和高精度测距定位设备。 与此同时，欧洲、日本等国的研究机构、大学和企业也不甘落后，纷纷启动 了超宽带领域的一系列研究项目，一个波澜壮阔的超宽带技术的研发热潮正在世 界范围内兴起。超宽带通信、雷达、成像和监视设备在军事上的应用已有十几年 的历史，但商用产品还不成熟。目前，一些公司已演示了他们开发的穿地探测雷 达、手持穿墙成像雷达、速率1 1 4 m b p s 的同时传两三路h d t v 的通信系统，以 及一些高速超宽带芯片。超宽带高速w p a n 商用产品预计于今年年底到明年年 初将陆续推出。 我国超宽带无线技术的研发尚处在起步阶段，国家自然科学基金和“8 6 3 一 计划已开始支持这方面的研究和开发工作，并已取得了初步进展。我国应该提出 有自主知识产权的超宽带技术的理论和技术成果，以此为支撑制定自主的相关标 准和规范，推动我国超宽带产业化的发展，以便在激烈的国际市场竞争中取得应 有的地位。超宽带无线技术对我国通信界既是一个机遇，又是一个挑战。我们热 烈企盼国内同行齐心协力、合作攻关，为赶超国际超宽带无线技术的先进水平， 为我国新一代无线通信产业化做出我们的努力。 1 2u w b 技术的优点及应用前景 1 2 1i n 阳技术的优点 u w b 技术与常规无线通信技术相比，其