（通信与信息系统专业论文）无线家庭网络电磁环境及关键射频技术的研究.pdf

摘要 摘要 本学位论文深入研究基于无线个域网( w p a n ) 技术构建的无线家庭网络电磁兼容 性能以及通信设备的关键射频技术。在分析了现有各种网络技术及其并存状况的基础 上，给出了基于w p a n 构建无线家庭网络的方案，剖析了该方案的电磁环境，研究了 多种网络共存环境下提高本文方案中无线通信系统性能的关键射频技术 论文首先综述了家庭网络技术的研究现状，比较了国内外现有家庭网络的解决方 案，指出采用蓝牙技术构建家庭网络无线子网比较适合我国国情，提出两种在现存网络 条件下的无线家庭网络蓝牙技术解决新方案，并针对第二种方案，提出了低成本嵌入式 实现方法。 然后，根据w p a n 系统各种电磁干扰的特点，提出以干扰总电平为变量的干扰数 学统计模型，以此分析跳频技术在电磁干扰环境下的平均误比特率性能，并将分析结果 与仿真结果比较从而证明此统计模型的准确性。 接着，阐述了低噪声放大器( l n a ) 最小噪声设计准则和最大增益设计准则在w p a n 系统设计中的矛盾，在讨论串联电感对l n a 匹配阻抗作用的基础上，提出一种将串联 电感反馈与优化仿真相结合的l n a 设计方法。该方法不仅解决了两准则间的矛盾，还 大大缩短了设计时间 最后，分析了多种适用于w p a n 系统的天线的各项特性参数，研究了倒f 型天线 输入阻抗随其尺寸参数的变化规律，仿真了单频印制倒f 型天线的尺寸参数对其各项性 能指标的影响效果，并据此提出可工作于2 4 5 g h z 和5 2 5 g h z 的改进型双频印制倒f 型天线。该天线可直接印制在f r - 4 板材上，结构紧凑，馈电方便，设计灵活，且具有 等向辐射和交叉极化特性 关键词：家庭网络、无线个域网、蓝牙、电磁干扰统计模型、低噪声放大器、串联 电感反馈、双频印制倒f 型天线、交叉极化特性。 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yc h a r a e t e r so ft h ew i r e l e s sh o m en e t w o r kc o n s t r u c t e d w i t hw 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 ) a n dt h ek e yr f ( r a d i of r e q u e n c y ) t e c h n o l o g i e sa l es t o d i e di nt h i st h e s i s t h es c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e m a tv a r i e t i e so f n e t w o r kt e c h n o l o g i e se x i s tn o w a d a y s t h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t o ft h es c h 6 1 t i ea n dt h el n a ( 1 0 wn o i s ea m p l i f i e r ) & a n t e n n at e c h n o l c l g i e sa l er e s e a r c h e dt o i m p r o v et b ep e r f o r m a n c eo ft h ew p a ns y s t e mw o r k i n gi nt h ec o m p l e xd e c l z o m a g n e f i e i n t e r f e r e n c ee n v i r o n m c n l f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ts t a t u s e so f t h eh o m en e t w o r kt e c h n o l o g i 铝a r ee x p a t i a t e da n dt h e e x i s t i n gh o m en e t w o r ks c h e m e sa l ec o m p a r e dt op o i n to u tt h a tt h eb l u e t o o t hi st h ef a v o r i t e t e c h n o l o g yt oc o n s t r u c th o m en e t w o r ki nc h i n a t h e nt w on e ws o l u t i o n sb a s e d o nb l u e t o o t h t e c h n o l o g ya r ep r o p o s e d ，w h i c hc a nw o r kb e t t e ri nt h ec o n d i t i o nt h a tal o to f s i m i l a rn e t - w o r k s e x i s t a n dar e a l i z a t i o nm e t h o dw i ml o wc o s te m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e df o rt h es e c o n d s o l u t i o ns c h 锄e s e c o n d l y , as t a t i s t i c a li n t e r f e r e n c em o d e l ，w h i c hi sb a s e do nt h et o t a li n t e r f e r e n c ep o w e r l e v e la n dt h ec h a r a c t e r so fv a r i e t i e so fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ef o r 7 p ns y s t e m i s g i v e nt oa n a l y z et h ea v e r a g eb i t 廿 r o tr a t ep e r f o r m a n c eo ft h ef h s st e c h n o l o g yu n d e rt h e c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t t h er e s u l t so ft h ec o m p a r i s o nb e t w e e n t h ea n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h em o d e li sc o m p a r a t i v e l ya c c u r a t e t 1 1 i r d l y s o m ed e s i g nr u l e sf o ru 忱s u c ha st h em i n i m u mn o i s ef i g u r em l ea n dt h e m a x i n l u mg a i nr u l ea r ed e s c r i b e d , a n dt h ec o n f l i c t so f t h e ma r ed i s c n s s a d a f t e rt h ei m p a c to f s e r i e si n d u c t o ro nt h em a t c h i n gi m p e d a n c e so fl n ai sa n a l y z e d , ad e s i g nm e t h o df o rl n a c o m b i n i n gs e r i e si n d u c t o rf e e d b a c kw i t ho p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o ni ss t u d i e d i tn o to n l ys o l v e s t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et w or u l e sb u ta l s os a v e st h ed e s i g nt i m e l a s t l y , t h ec h a r a c t e r so fs e v e r a lt y p e so fa n t e n n a ss u i t i n gf o rw p a n a r ea n a l y z e d ，a n dt h e r e g u l a r i t i e st h a th o wt h ei n p u ti m p e d a n c ei s a f f e c t e db yt h eg e o m e t r ys i z e so ft h e a ( i n v e r t e d - fa n t e n n a ) a r ed i s c u s s e d 1 1 1 ed i m e n s i o ni m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo f t h es i n g l e b a n dp r i n t e di f aa r es i m u l a t e dt h e n , b a s e do nw h i c ht h en o v e lt r a n s f o r m e ds t r u c t u r eo ft h e d u a lb a n dp r i n t e di f af o rb o t h2 4 5 g h za n d5 2 5 g h zi sd e v e l o p e d t h en e ws t r u c t u r e a n t e n n ai sv e r yf l e x i b l et od e s i g na n dh a sb e t t e rc h a r a c t e r so fo m n i d i r e c t i o n a lp a t t e r na n d c r o s sp o l a r i z a t i o nc h a r a c t e ra se x p e c t e d f u r t h e r m o r ei tj u s tc a nb e 硼n t e do nt h ef r - 4b o a r d d i r e c t l yf o r i t sc o m p a c t p r o f i l e ，w h i c hm a k e si tv e r ye a s yt of e e dt h r o u g hm i e m s t r i pl i n e k e yw o r d s ：h o m en e t w o r k , w i f c l e s sa r e an e t w o r k ( w p a n ) ，b l u e t o o t h ，e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c es t a t i s t i c a lm o d e l ，l o wn o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) ，s e r i 韶i n d u c t o rf e e d b a e k , d u a l b a n dp r i n t e di f a ，c r o s sp o l a r i z a t i o nc h a r a e t e r 1 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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了谢意。 5 a o5 。i 二3 - 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 e t 期： ) o o s ，f 2 ，6 第一章绪言 1 1 家庭网络的相关概念 第一章绪言 家用电器从最初的机械式家电开始，经历了电气化家电、电子化家电、程序化家电 等几个阶段，随着i n t e r n c t 向普通家庭生活的不断扩展，现已开始走向数字化、智能化、 网络化，并将融合消费电子( c o n s u m e r ) ：计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 即3 c 于一体，逐渐步入家庭和社会【1 1 融入计算机数字化技术、现代通信技术，智能化并具有网络信息终端功能的家用电 器称为信息家电( i a i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ) ，其含义是将微处理器等数字化技术引入 家电领域，用以接收、发布信息，使之成为网络终端，甚至成为嵌入式信息处理终端。 家庭是社会的基本单元。信息家电可以主动她发布、获取和处理相关信息，从而使 传统家庭信息化，并与现代信息社会的信息高速公路紧密相连。家庭内部所有的集信息、 娱乐、通信、计算等多种功能于一体的信息家电设备互相连接，便共同组成家庭网络 ( h o m en e t w o r k i n g ) 【2 1 0 在概念推广的商业运作过程中，产生了很多与家庭网络相关的概念，如：智能家居 或智能住宅( s m a r th o m e ，i n t e l l i g e n th o m e ) 、智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 、电子家 庭( e - h o m e ) 、数字家园( d i g i t a lf a m i l y ) 和家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 等【3 】【4 】 信息家电是上述智能家居、住宅、建筑及电子家庭、数字家园中的信息化设备，家 庭自动化则是它们的组成部分( 或称子系统) ，而家庭网络是实现它们信息化平台的核 心家庭网络是一种混合网络，是实现家庭自动化和智能化的基础信息平台主要包括 高速的计算机、通信、娱乐网和电气电子设备监控网，涵盖了家庭自动化、家庭保安监 控、防火报警等子系统 可见，当前的家庭网络概念已不再仅仅局限于简单的控制部分，而是覆盖家庭全方 位的、提供各种智能服务功能的网络系统 1 2 家庭网络的智能服务功能 覆盖全方位的家庭网络应具备以下智能服务功斛5 1 【6 】： 一l _ 信息共享功能 在住宅中的任何地方都可以通过访问i n t e m e t 而获取信息，各p c 之间共享文件和 打印机、扫描仪等外设。 2 、家庭娱乐功能 对内实现多媒体设备之间的视频、音频信号传输，对外实现可视电话、视频会议和 视频点播等视频、音频信息交流。 3 、信息采集 收集住户住宅运行状况的各种参数，包括水表、电表、煤气表的计量数据以及居室 查堕查堂坚主兰垡堡苎 温度、湿度等，实现自动抄表，提高住宅档次和物业管理水平。 4 、信息服务 住户可以了解自己家庭运作的各种参数，如房间温度、湿度，各种计量表读数，被 控家电状态等，同时可以通过网络获得最新的新闻、天气预报、电视节目预报，甚至当 前公路上的交通流量状况，以及水电账单、银行和信用卡账户、股市行情等财务信息。 5 、安全防范 通过住宅室内安装的各种报警探测器和紧急按钮进行防盗、防火和防灾监控，实时 监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生，一旦出现警情，系统会自动向中心 发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而做到主动防范，及时处理。 6 、智能化控制 用户在住宅内、住宅周围或远离住宅的地方，都能够控制电子系统和仪器，打开或 关闭家中的电灯、热水器等，住宅也可根据周围环境的变化，如温度、声音、动作等， 通过各种主动式传感器实现智能信息家电的主动性动作响应，完成对家用电器进行智能 化控制，从而建立舒适健康的生活环境。 7 、自动维护 智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序 和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。 8 、家庭医疗保健 通过网络化的智能传感器，医院可以通过网络对用户进行身体检查。 9 、其他增值功能 如家庭电子商务、申请社区服务等功能。 1 3 家庭网络的功能结构及相关技术 1 3 1 家庭网络的功畿结构 如图1 1 所示，根据家庭网络的智能服务功能，可以将它大致分为三部分【7 】： 1 、家庭数据通信系统： 2 、家庭电气设备控制系统； 3 、家庭娱乐( 音、视频传输) 系统。 其中，家庭娱乐系统需传输视频信号，故对速率要求最高；家庭数据通信系统主要 负责家庭内部和外部的设备进行状态信息和数据的交互，对数据流量和传输实时性的要 求较高；家庭电气设备控制系统则对数据的流量和实时性要求较低【8 1 【9 】。 1 3 2 家庭网络的相关技术 家庭网络具有广阔的应用和发展前景，目前已是网络市场的最新热点和发展方向， 其相应技术也不断发展完善【1 0 】。 2 第一章绪言 i n t e m e t 社 区 网 络 家庭外部网络 家 庭 网 关 三表空调照明冰箱微波炉保安监控 1 - ( 丐磊沁家庭控制系统) v c d 摄像机电视机音响d v d 、 8 m 5 3 奎壹奎堂堡主堂垡堡苎 其中第一段指干扰源和w p a n 接收机位于同一个房间内，其间距为可视距离( 这 里取小于8 m ) ：而第二段则指干扰源和w p a n 接收机分别位于两个不同的房间内。 将式( 4 2 ) 和( 4 3 ) 代入式( 4 1 ) ，并令五= 2 4 5 g h z ，则可计算出到达w p a n 接 收机输入端的干扰总电平，总，从而便可对阻塞率进行研究，并由阻塞率得到干扰总电 平，总的统计特性。 4 4w p a n 应用电磁环境下干扰总电平的数学统计模型 通过前面给出的干扰拓扑结构和传播模型，得到了到达w p a n 接收机输入端的干 扰总电平j 总的表达式( 4 1 ) ，为得到式中干扰总电平j 总的统计特性，必须先研究阻 塞率，并建立其数学模型。 4 4 1 阻塞率数学模型的建立 如前所述，所谓阻塞率就是干扰总电平，总超过某一给定门限电平x 的概率，影响 它的因素由有规律和无规律的两部分组成，前者称作系统分量( s y s t e m a t i cc o m p o n e n t ) ， 后者称作随机分量( r a n d o mc o m p o n e n t ) 。 根据系统分量参数的多少，模型大致可分为三种1 7 2 】： 全参数模型( f u l lm o d e l ) ，包括所有的系统分量参数，优点是精确，缺点是参数太 多，计算复杂；零参数模型( n u l lm o d e l ) ，认为阻塞率的任何变化完全是随机的，只与 随机因素有关，而与系统因素无关；精简参数模型( p a r s i m o n i o u sm o d e l ) ，是前两种模 型的折衷形式，即在保证精确的前提下尽量使所用参数的个数最少。 为了使运算不太复杂，又要保证模型具有一定的代表性，这里选用精简参数模型。 4 4 1 1 广义线性模型的结构 广义线性模型( g e n e r a l i z e dl i n e a r m o d e l s ，g l m s ) 包括三部分【7 3 】： 1 、随机分量 随机分量用于确定因变量( r e s p o n s e v a r i a b l e ) 的条件分布函数，如传统的正态分布 ( n o r m a l ) 、二项式分布( b i n o m i a l ) 、柏松分布( p o i s s o n ) 等。 2 、线性函数 线性函数又称作线性预报器( 1 i n e a rp r e d i c t o r ) ，其形式为： r i = a + p l x a + + p t x ( 4 a ) 其中簟为因变量，瓠夕l 为因子系数，x 为自变量，既可以包含定量的( q u a n t i t a t i v e ) 预报器，也可以包含预报器的变换、多项式形式等。 3 、关联函数 关联函数( l i n kf u n c t i o n ) 用于对线性预报器进行变换： g 【朋) 2r l ( 4 5 ) 5 4 第四章基于w p a n 构建无线家庭网络电磁环境的研究 其反函数又称平均值函数( m e a i lf u n c t i o n ) ： g - 1 ( 仇) = 朋 ( 4 6 ) 标准关联函数及其反函数如表4 1 所示，其中p r o b i t 中的是标准正态分布函数 ( s t a n d a r dn o r m a lc u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o n ) 。选择不同的关联函数，可得到不同的广义线 性模型的特殊形式。 表4 1 标准关联函数及其反函数 l m k 珑= g ( l ，)以= g - 1 ( 卵t ) i d e n t i t yp l硗 l o g l o 胁 e 珥 i n v e r s e 盯1孵1 i n v e r s e - s q u a r e盯2叩_ 1 2 s q u a r e - r o o t佤 叼 i o g i t ，去 1 f 鬲i p r o b i t中( 地)圣_ 1 ( 吼) c o m p l 1 0 9 l o gl o g 。【一l o g 。( 1 一p ；) 】1 一t p 【一唧( 叩 ) j l o g i t 、p r o b i t 和互补l o g - l o g 用于处理二项式数据，如图4 5 所示，1 0 9 i t 和p r o b i t 类 似，而互补l o g - l o g 则与它们明显不同，它适合于线性预报器函数接近0 和1 的概率不 对称的情况。 i i 坩 邑 42 024 玎 图4 5 三种关联函数的比较 4 a 1 2 阻塞率的线性模型 如用j ，表示干扰总电平，总超过某一给定门限电平值x 的阻塞率，则根据前面的 分析可知，阻塞率m ) 也应该是频率 时间t 、距离d 和地理位置，的函数，即： 5 5 东南大学博士学位论文 j ，可以z 正o ( 4 7 ) 因此数学模型的参数也应选作五z 西厶如考虑最简单的线性形式，则阻塞率的线 性模型可近似表示为： y 鼢叫十b x + c ，+ d t 十e d + f l = a + b 算 ( 4 8 ) 其中口= a + c 厂+ d t + e d + fz ，4 、b 、c 、d 、e 和f 是代表系统因素的系数，可利 用最大似然法( m a x i m u ml i k e l i h o o dm e t h o d ) 或最小残差法( m i n i m i z ef u n c t i o no ft h e r e s i d u a l s ) 求得。 尽管线性模型的形式简单，但如不另加限定条件，它很难满足本文中概率应在0 和 1 之间变化这一具体情况的要求。为使阻塞率的值落在【o ，1 】区间内，通常是采用数学变 换的方法，将线性模型代入关联函数c , o , ) a e ，使得函数值恰好映射到【o ，1 】区间范围内。 4 4 1 3 关联函数的选择 l o g i t 、p r o b i t 和互补l o g - l o g 都适用于处理二项式数据，由图4 5 可知，其中l o g i t 变 换和p r o b i t 变换线性预报器函数接近0 和1 的概率都是对称的，它们的主要差别就是分 布函数取得不同，前者取的是后勤分布( l o g i s t i c ) ，后者取的是正态分布( n o r m a l ) ， 但两者对于同一组数据的分析结论是相同的，因此选择哪一种变换完全取决于数学推导 的繁琐程度。 本文将选用l o g i t 变换作为关联函数，它对不均比( o d d sr a t i o ) 取自然对数，这样 就可用 i e ”代表不均比从1 到。o 的一段，用“负”代表不均比从0 到1 的一段，从而 将原先非对称的不均比变换成为对称的数据，例如将3 和1 ，3 分别变换成+ 1 0 9 8 6 和 一1 0 9 8 6 ，这就使得数据更加便于比较和分析。 具体方法是找一中间变量q ，使 1 0 武( q ) 乩( _ 乏2 y ( 引( 4 - 9 ) 即 q = 鬲e x p 面 y 网( x ) ( 4 1 。) 其中q ( 1 _ q ) 就是所谓的不均比，可见当线性模型中的州值在【，o o ，十。 区闻主变 化时，刚好保证q 值落在【o ，l 】区间内，因此变换后得到的q 就是我们所需要的阻塞 率，其数学模型为： = p r 【舻加= 高黠 1 1 ) 4 4 2 干扰总电平概率分布函数 由( 4 1 1 ) 式可得出干扰总电平的概率分布函数如下： f = p r 厶 明= 卜q = 百1 歹= 再面石1i 丽 4 1 2 ) 5 6 墨婴兰茎主旦型塑堡垂垡窒墨旦竺皇堡至望塑堕塑 其中。和b 是模型的参数，当分别取一1 2 和- 0 1 时，可绘出概率分布函数的曲线如 图4 6 所示。 梧 求 褥f ( x ) 醛一 - 3 3 5 4 x 1 0 - 4 l ：；，厂 i | j ； l | ， l j | i 7 。 l-200_x - 4 q - 门限电平值( d b m ) 图中横坐标x 为门限电平值，单位为d b m ，纵坐标，为干扰总电平小于门限电平 值石时的概率。由图可见，此时的干扰总电平基本上不超过_ 6 0d b m ，而小于一1 2 0d b m 的概率等于0 5 。 4 4 3 干扰总电平概率密度函数 由( 4 1 2 ) 式左右两边同时对x 求导后可得干扰总电平的概率密度函数： 胁掣2 丽- b e x p ( a + b x ) 2 丽面两- b ( 4 1 3 ) 同样，当a 和b 分别取一1 2 和- - 0 1 时，也可绘出概率密度函数的曲线如图4 7 所示。 由图可以看出，该函数是关于x = 一枷= - 1 2 0 d b m 对称的，即干扰总电平的均值可 以表示为 可见，为确定模型的系数n 和b ，必须研究干扰总电平的均值。 4 4 4 干扰总电平的均值及模型系数的确定 根据前面的干扰拓扑结构可知，干扰总电平，总由多种干扰源共同迭加而成，这里 仍设共有类干扰，每一类又包含m 个干扰源，仍用乃、西、l v 分别代表第i 类干扰 5 7 东南大学博士学位论文 中的第_ ，个干扰源的e i r p 、传播距离、相应的空间损耗。 0 0 2 5 出0 2 5 n 0 2 0 8 0 0 1 6 7 趟 簿f i x ) 0 0 1 2 5 壅一 0 0 0 8 3 ：5 | 八l ， 。“一， 卜i ； k _ 一彳 ! k ! 图4 7 干扰总电平的概率密度函数 如果用岛，表示每个干扰出现的概率，用岛表示每个干扰源与接收机距离为西的概 率，用鲫表示每个干扰的辐射方向指向接收机的概率，则到达接收机输入端的干扰总电 平的均值应为： m，、 e 】- 0 也一岛) ( 4 1 5 ) i ， 因此如果已知模型参数曰，通常取_ o 1 【7 4 1 ，将( 4 1 5 ) 式代入( 4 1 4 ) 式可求出模型 参数口，从而完全确定( 4 1 3 ) 式中的干扰总电平的数学统计模型，得出其概率密度函 数等统计特性。 有了干扰总电平的概率密度函数，就可以分析w p a n 系统在2 4 g h zi s m 频段的电 磁环境下的抗干扰能力了。 4 5w p a n 应用电磁环境下受干扰程度的分析 有了干扰总电平的概率密度函数这一数学模型，则可对w p a n 系统在i s m 频段电 磁环境下的性能进行分析。由于在w p a n 系统中蓝牙最适合构建无线家庭网络，故这 里以其f h s s 技术为例，用式( 4 1 3 ) 中的统计模型分析w p a n 系统的误比特率。 4 5 1w p a n 系统的f h s s 模型 跳频系统中通常使用的是b f s k 调制方式，故在接收机采用非相干接收方式，其系 统如图4 8 所示 7 鲥。 5 s 第四章基于w p a n 构建无线家庭弼络电磁环境的研究 在发射机端，发射数据d 。可以表示为： 小 一： 经调制后生成的b f s k 信号可表示为： s ( f ) = 万s i n2 x + d n ，) f + 九】 厅巩t ( 以+ 1 ) ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) 其中j 为信号功率，矗为载波频率，为f s k 信号的频偏，九为信号的相位，n 为整数，死为数据比特时间宽度。 发信机 ：信道：收信机 图4 8 跳频系统框图 s ( f ) 经过跳频调制后得到： 工( f ) = 压可s m 2 = + 厶+ d 。a f ) t + n 】 ，1 t 0 + l 妒 ( 4 1 8 a ) 其中五为第n 个时隙内信号所占用的跳频频率。 在接收机端，所接收到的跳频信号为： ) ，( f ) = 并o ) + ，( 力= ，( o + j 可s i i l 【2 厅抚+ 厶+ d 。a f ) t + 】 飑s t 巳 ( 4 御) 在每个比特持续时间宽度死内，瞬时误比特率由某个跳频点上瞬时b f s k 带宽内 的干扰的功率强度对“和艮作用的大小所决定。 东南大学博士学位论文 4 5 2f h s s 的瞬时误比特率 如发数据磊为“1 ”和“一1 ”是等概的，即概率都是1 2 ，则瞬时误比特率可用 全概率公式表示为： 忍= 寻暑仁 4 以；+ 1 ) + 寻鼻k 4j 办= 一1 ) = 肆仁 已i= ，= o ) ( 1 一力 。 当z = o 即跳频信号落在干扰带宽外时，信号未被干扰，f h s s 系统不会产生误码， 故它的误比特率应为0 ，即： 0 h ti d n2 一l ，z = o ) = 0 ( 4 3 8 ) 将式( 4 3 8 ) 代入( 4 3 7 ) ，并考虑到式( 4 3 4 b ) 可得： r 。詈e x p ( - e b 2 n j ) 2 詈e x p 眇e b 2 n ，) ( 4 3 9 ) 上式是在忽略热噪声的影响情况下得到的，即信号未被干扰情况下不会发生误码， 在干扰存在时，则与高斯白噪声下的b f s k 信号误比特性能相同。 为便于与( 4 3 1 ) 式比较，将其改写成信干比形式： 咒= 譬e x p 卜p 1 0 r l o ) o ( 4 4 0 ) 由求导可知，当p = 1 0 - ，“o 时，f h s s 系统性能最差，其误比特有最大值： 兄一2 詈e 冲( _ 1 ) 2 去吖n 。 ( 4 4 1 ) 此时，每个跳频点上的信干比均值e 【j ，】都是相等的，因此其平均误比特率为： b e p p b nm n = 去1 0 廿f ，】1 0 根据此式，可以画出f h s s 在p b n 环境下系统的b e p 关于e r 】的曲线，如图4 9 中点划线所示。 4 5 3 3f h s s 在w p a n 应用电磁环境下的平均误比特率 因御a n 应用环境中通信距离比较近，故可以认为信号的电平s 是不变的，此 时( 4 1 3 ) 式中干扰总电平的概率密度函数退化为信干比y 的概率密度函数： ，5 高1 + e x 坐p ( a + 黑b x ) = 塑 1 + e x 鬻p 嚣器 ( 4 4 s ) 7 【 2 陋+ b ( s 一，) 】) 2 一 其中信干比r 等于信号j 与干扰j 的差，即，= j 一工。 因为通常跳频点数量比较大( 如蓝牙系统k = 7 9 ) ，故可以认为每个跳频点上的干扰 是独立的随机变量，而信号的电平s 又是不变的，故信干比r 也可看成是独立的随机变 量，其概率分布密度服从式( 4 4 3 ) 。 因此对足个跳频点进行平均后的误比特率应为： 一：v 一 = 厶 巳 k耳 一2 d + 一 ，：= 、 = + n l l d 以巳引p l r啦咀 ，一2 = r 第四章基于w p a n 构建无线家庭网络电磁环境的研究 b 砜。= e 只】= 麓( ，) 厂砂 =lexp(-10rn。)而-bex丽pa+b(s-7)川， 4 4 4 鱼 豫 鼗 丑 愁 较 昏 图4 9 平均误比特率b e p 关于信干比均值e 卅的分析曲线 如用e ，】表示信干比r 的均值，则式( 4 1 4 ) 可表示为a = b e y 】毋，因此如果 已知信号的电平s ，并取b = 一o 1 ，则可根据e 【，r 】值算出参数西从而完全确定式( 4 4 4 ) 的平均误比特率b e p ，即b e p 已退化为e 【，】的函数。因此，如假设s = 0 d b m ，则可以 根据式( 4 4 4 ) 画出在w p a n 应用环境下，系统的b e p 关于e 【，】的曲线，如图4 9 中 实线所示。 从图4 9 可以看出，随着信干比均值e y 】的增加，a w g n 环境下的平均误比特率 下降得最快，p b n 情况次之，w p a n 应用环境下的平均误比特率下降得最慢，其数值 要比在a w g n 环境下的大得多，这说明在w p a n 应用环境下，跳频系统的性能有很大 程度的恶化。 4 6 w p a n 环境下系统受干扰程度的仿真 前面已在假设干扰的幅度是高斯分布的前提下，利用干扰的统计模型对跳频系统的 性能进行了分析，为检验模型的准确性，这里将对跳频系统受干扰的程度进行仿真，以 便进行比较。 4 6 1 f h s s 系统仿真模型 目前可以仿真出系统误比特率的软件很多，其中m a t l a b 和m a t l l c a d 是通用仿真软 件，主要应用于d s p 和通信的仿真，但它内部不包括射频模块库，无法仿真出载波等 6 3 垄妻查兰堕圭兰堡堡茎 高频因素的作用；s p i c e 是电路级的射频仿真软件，但对计算机c p u 速度的要求太高； s p w 和a d s 的功能很完善，但其价格昂贵。 这里选用e l a n i x 公司的s y s t e m v i e w 作为仿真软件，它价格相对便宜，且能在p c 机上运行，不仅可以进行基带仿真，而且还支持射频电路的仿真，其中仿真模块的结构 和参数都可以非常灵活地进行更改，使用方便。 4 6 1 1 仿真的理论模型 如图4 1 0 所示，f h s s 系统仿真的理论模型主要由发信机、收信机、信道和误码仪 4 部分组成。 1 、发射机 在发射机端，发信息矾f ) 是由随机数据产生器生成的二阶电平矩形波，它先送到高 斯成形低通滤波器( l p f ，l o wp a s sf i l t e r ) 以调整波形，之后送去进行b f s k 调制。b f s k 调制后的信号与跳频本振进行混频即可得到跳频信号所得到的跳频信号经过带通滤波 器( b p f ，b a n d p a s s f i l t e r ) 滤除跳频本振信号和b f s k 调制的载波信号后，再通过功放 ( p a p o w e ra m p l i f i e r ) 送至信道。 其中跳频本振的信号由数控振荡器( n c o ，n u m b e rc o n t r o l l e do s c i u a t o r ) 产生，n c o 输出的频率由其输入端的频率控制字决定，如整个h f s s 系统的跳频点数为k ，则共有 足个频率控制字储存在表中，供伪随机码( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，p n ) 生成器输出的k 阶电平信号选择。 p n 码生成器输出的电平是伪随机的，即k 种电平出现的概率相等，其输出电平信 号的速率受跳频速率控制器的控制。 为使b p f 能有效地滤出所需要的2 4 g h z 一2 5 g h z 射频信号，b f s k 调制的载频矗 应满足条件； 石 ( 2 5 g h z 一2 4 g h z ) = 1 0 0 m h z 这里b f s k 调制的载频取f o = 4 0 0 m h z ，相应的跳频本振的频率工为2 0 0 h z 2 i g h z 。 2 、信道 为突出干扰对系统性能的影响，模型在信道中只加入了干扰圾f ) ，而没考虑自由空 间损耗及多径衰落等因素。 3 、接收机 在接收机端，进行相反的变换，首先由低噪声放大器( l n a ) 从信道中接收信号， 然后将信号送到b p f 以滤除2 4 g h z 一2 5 g h z 以外的无用频率分量，滤波后再送去与跳 频本振输出的信号进行混频。 简单起见，跳频本振n c o 输出信号的频率直接由发信机的频率字所确定，即与发 信机中跳频本振信号的频率完全相同，且频率跳变严格同步。该跳频本振信号与b p f 输出的信号进行混频，便完成了解跳。 第四章基于w p a n 构建无线家庭网络电磁环境的研究 解跳后的信号经l p f 滤波除去高频分量后，便送到b f s k 解调器进行解调，从而得 到解调信号即收信息d ，( f ) 。 与发射机相对应，跳频本振的频率，；也取2 0 g h z 一2 1 g h z ，b f s k 解调器的载频也 取矗= 4 0 0 m i - i z ，相应的l p f 的截止频率可以取f c = 4 0 0 m h ，也可以稍取大些，或用中 心频率为4 0 0 m h z 的b p f 代替。 4 、误码仪 为测试误比特率，需将发信息d ( 0 m ：i 8 后与收信息d 铆进行比较( 异或计算) ，并 对时间取平均后得出平均误比特率。 4 6 1 2 仿真的简化模型 图4 1 0h f s s 系统仿真的理论模型 用s y s t e m v i e w 进行仿真，其实质是用电脑的数字信号仿真电路的模拟信号，因此 要考虑到取样速率的大小设置问题。通常，取样速率要取载波频率的3 5 倍，才能保证 仿真的正常进行，为此，理想模型需大量的机时才能完成仿真任务。 为节省机时，这里采用频率折衷的简化模型，如图4 11 所示，用1 0 0 m i - i z 2 0 0 m i - i z 的载波代替h f s s 的2 4 g h z 一2 5 g h z 的载波，即频率虽然降低，但信号带宽保持不变。 这时载波最高频率为2 0 0 m h z ，因此相应的取样速率可设为8 0 0 m h z ，这样既可大大地 减少仿真时间，又能够反映出于扰对系统性能的影响，从而保证仿真结果与频率折衷前 大致相同。 发信机中的p n 码生成器产生速率为h r 的足阶电平信号，它用于控制f m 调制器 产生频率跳变，其中置为跳频点数，h r 为跳频速率，而跳频的频率间隔则由其幅度彳 决定。 6 5 奎塑查兰竖主兰垡笙塞 发信息仍是由随机数据产生器生成的二阶电平信号，速率为b r ，它经过l p f 滤波 后，在送到f m 调制器前先经过增益控制器，以通过调节增益来实现不同的调制指数m i 。 模仿蓝牙系统，这里取k = 7 9 ，h r = 1 6 0 0 跳秒，b r = l m b p s ，m i = o 3 2 ，跳频间隔= i m h z ， 相应的f m 调制器输出频率则为1 1 2 m h z 一1 9 0 m h z ，高斯滤波器用有限长脉冲响应 ( f i n i t ei m p u l s er e s p o m e ，f i r ) 数字滤波器实现，其滤波因数b t = 0 5 。 收信息采用p l l 对经过b p f 滤波后的f m 信号进行解调，其中心频率取i o m h z ， 与此相对应，收、发信机中的f m 调制器的中心频率需有1 0 m h z 的频差，这里采用低 本振，即： ( 11 0 m h z , 一2 1 0 m h z ) 一( 1 0 0 m h z 一2 0 0 m h z ) = 1 0 m h z 收信机中的b p f 均采用无限长脉冲响应( i n f i n i t e i m p u l s e r c s p o i l s e ，i r ) 数字滤波 器实现，其通带分别为1 1 0 枷以1 0 m 比和9