（通信与信息系统专业论文）iruwb同步捕获技术研究.pdf

中文摘要 摘要 随着信息化时代的到来，通信的发展有两个趋势：一是窄带通信向宽带通信发 展，随着带宽增加，信道容量增加，信道中可传输信息的最大速率增大，从而满足 人们对通信速率、质量的越来越多的要求。二是通信数字化，随着材料技术、集成 电路技术和数字信号处理技术的成熟，通信系统正向数字时代迈进，基于数字处理 的软件无线电概念的提出，为各种无线通信系统的融合提供了统一平台解决方案。 i r u w b 技术顺应了通信发展的两个趋势，它采用超短脉冲发射信号，信号 占用数吉赫兹带宽，信道容量大，可提供高速的数据传输。它易于数字化实现， 直接发射脉冲，属于基带传输，接收机甚至可以实现除天线接收外的全数字处 理。i r u w b 具有其它窄带系统、宽带系统所无法比拟的优势，但在实际应用时， 尚有许多关键技术待解决。其中同步捕获是一大难点。超短脉冲，极低功率和复 杂的室内多径信道，使得i r u w b 的同步捕获十分困难。传统的同步算法应用在 i r u w b 中捕获时间太长，性能不是最优。如何找到适合脉冲信号传输特点的同步 算法，是i r u w b 的研究热点。本文从减少同步捕获时间和减小实现复杂度角度 分析研究i r u w b 的同步捕获问题，希望能获取一些有意义的启示。 本文综合考虑了捕获时间，硬件复杂度和信道特性三个因素，运用检测理论， 提出模板自适应的同步捕获算法，利用多径信道特征构造2 个本地模板信号，分别 与接收信号匹配相关，比较相关输出后，自适应改变模板信号，在新的搜索区域内 继续重复相关、比较运算，以此迅速减小搜索区域，迭代过程结束后，在最后确定 的搜索区域上采取串行全搜索方法捕获同步。本文推导出算法的平均捕获时间，并 与现有搜索算法比较。运用假设检验理论，直接推导了检测概率，得到平均检测概 率的解析表达式，为算法的性能评估提供理论依据；另外，本文用信号流程图方法 推导算法平均捕获时间和平均检测概率，验证了直接推导的理论公式的正确。研究 结果表明，该算法可以迅速捕获同步参数，有效提高检测概率。 为解决信号传输过程波形失真情形下的i r u w b 接收问题，本文运用估计理 论，提出有数据辅助的p p m u w b 同步捕获算法。首先推导出p p m 调制下的互相 关函数，发现互相关函数只与三个符号有关系，用穷举法得到互相关函数与发送信 息序列的关系表。基于关系表，构造出相邻符号互相关函数的差值函数，设计训练 序列来捕获同步。为有效平滑噪声，提高检测性能，提出两种噪声平滑方式，得到 了两种同步捕获算法。本文运用估计理论，评估提出的两种同步捕获算法性能，证 浙江大学博士学位论文 明同步参数估计是均方意义一致的。研究结果表明，该算法避开信道估计，简化了 接收机结构，但对噪声的抑制能力较弱，适合在较高信噪比的信道环境中应用。 i r u w b 接收机数字化实现时，a d 工作频率过高，为解决该问题，本文运用 采样理论，提出低采样率的同步捕获接收方案。通过分析比较经典的香农采样定理 和更新速率采样定理，对采样定理的本质做出物理解释，并理论分析评估了香农采 样和更新速率采样的重构误差，继而将更新速率采样应用到瓜u w b 中，提出了 种实际可行的数字接收方案，并在低速率i r u w b 通信环境下，给出一种新的 符号同步方法，将信道多径时延估计转化为谱估计问题，利用子空间方法求解多径 时延参数，根据相邻两径的距离做符号同步。在一定的误码率性能承受范围内，该 算法具有一定实际应用意义。 关键字：脉冲超宽带，同步捕获，自适应模板，脏模板，低采样率 一u 一 英文摘要 a b s t r a c t t h ec o m i n gi n f o r m a t i o ne r a p r o m o t e sc o m m u n i c a t i o nt o w a r dt w ow a y s o n ei sb r i n g - i n gt h eb a n d w i d t hf r o mn a r r o w b a n dt ow i d e b a n d w i t ht h eb a n d w i d t hi n c r e a s i n g ，t h ec h a n - n e lc a p a c i t yi si m p r o v e d ，w h i c hc o n s e q u e n t l yi n c r e a s e st h em a x i m u md a t ar a t et os a t i s f y t h ed e m a n d sf o rh i g h e rs p e e d ，l o n g e rd i s t a n c ea n db e t t e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y ；t h eo t h e r i sf r o ma n a l o gt od i g i t a l t h ed e v e l o p m e n to fm a t e r i a lt e c h n o l o g y , i n t e g r a t e dc i r c u i ta n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yp a v et h ew a yf o rt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o s t e pf o r w a r dt od i g i t a la g e i np a r t i c u l a r , t h ee m e r g e n c eo fs o f t w a r ed e f i n e dr a d i oc o n c e p t i sa b l et op r o v i d eau n i f o r mp l a t f o r mf o rv a r i o u sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m su t i l i z i n g p r o g r a m m a b l eh a r d w a r em o d u l e s t h ei m p u l s er a d i o - b a s e du l t r aw i d e b a n dt e c h n o l o g y ( i r - u w b ) h a st h ep o t e n t i a lt o f u lf i l lt h ed e v e l o p m e n tt r e n d sm e n t i o n e da b o v e i ta d o p t su l t r a - s h o r tp u l s e st ot r a n s m i t i n f o r m a t i o nw i t hd u r a t i o no ft h eo r d e ro fn a n o s e c o n d s t h ee x t r e m e l ys h o r tp u l s e so c c u p yt h eb a n d w i d t ho ft h eo r d e ro fs e v e r a lg h za n dh a v eah u g ec a p a c i t yt os e r v ef o r h i g hd a t ar a t e m e a n w h i l e ，o n l ys i m p l ed i g i t a li m p l e m e n t a t i o ni sr e q u i r e da si r - u w b d i r e c t l yt r a n s m i t sp u l s ei nb a s e b a n d ，e l i m i n a t i n gt h en e e d so fc a r r i e rm o d u l a t i o na n dr f p o w e ra m p l i f i e r , a n da l m o s ta l lm o d u l e sc a nb ei m p l e m e n t e di nd i g i t a ld e v i c e se x c e p tf o r a nu l t r aw i d e b a n da n t e n n a i r - u w b ，o nt h eo t h e rs i d e ，h a ss o m ec r i t i c a lp r o b l e m st ob e s o l v e d i np a r t i c u l a r , t h ed e s i g no ff a s ta n de f f i c i e n ts y n c h r o n i z a t i o n ，o ra c q u i s i t i o ns c h e m e b e c o m e sm o r ec h a l l e n g i n gd u et ou l t r a s h o r tp u l s e ，e x t r e m e l yl o w p o w e r , a n dd e n s e m u l t i p a t hc h a n n e l s t r a d i t i o n a ls y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e sr e s u l ti np r o h i b i t i v e l yl o n ga c q u i s i - t i o nt i m ea n das u b o p t i m u mp e r f o r m a n c e h o wt od e s i g nas u i t a b l ea l g o r i t h mf o re f f i c i e n t s y n c h r o n i z a t i o ni sak e yr e s e a r c hp o i n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h r e ea l g o r i t h m sa r eg r a d u a l l y p r o p o s e di nv i e wo fm e a na c q u i s i t i o nt i m e ，i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yt og i v ei n s p i r a t i o n s t ot h e s ec h a l l e n g e sm e n t i o n e da b o v e an o v e la c q u i s i t i o na l g o r i t h mb a s e do na d a p t i v et e m p l a r e si sf i r s t l yp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o nu s i n gd e t e c t i o nt h e o r y , w h i c ht a k e s a c q u i s i t i o nt i m e ，i m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x - i t ya n dc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si n t oa c c o u n t f i r s t l yt w oa d a p t i v et e m p l a t e sa r eg e n e r a t e d u s i n gm u l t i p a t hc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc o r r e l a t ew i t ht h er e c e i v e ds i g n a l t h ec o r r e l a t i o nr e s u l t sa l ec o m p a r e dt op r o c e e dt h en e x ti t e r a t i o n ：t h es e a r c hr e g i o nd e c r e a s e sg r a d u a l l ya f t e r i i i 浙江大学博士学位论文 e a c hi t e r a t i o ni se x e c u t e d t h es e a r c hr e g i o nd e c r e a s e st oac e r t a i ns m a l lc e l lr a p i d l ya f t e r af e wi t e r a t i o n s f i n a l l yt r a d i t i o n a ls e r i a ls e a r c ha l g o r i t h mi sa p p l i e dt oa c q u i r et h et i m i n g p a r a m e t e r m e a na c q u i s i t i o nt i m ei sa n a l y z e da n dc o m p a r e dt oo t h e ra l g o r i t h m s ；a n dt h e m e a nd e t e c t i o np r o b a b i l i t yi sd e d u c e dt oe v a l u a t et h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e b o t hm e a n a c q u i s i t i o nt i m ea n dd e t e c t i o np r o b a b i l i t ya lea n a l y z e du t i l i z i n gs i g n a lf l o wg r a p h t h e t h e o r e t i c a ld e d u c t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e da l g o r i t h mg r e a t l yr e d u c e s t h ea c q u i s i t i o nt i m ea n de f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t y i no r d e rt or e s o l v et h es y n c h r o n i z a t i o no fi r - u w bi nt h ew a v e f o r md i s t o r t i o ne n v i r o n m e n t ，ad a t a - a i d e dp p m u w ba c q u i s i t i o na l g o r i t h mu s i n ge s t i m a t i o nt h e o r yi sa f t e r - w a r dp r o p o s e d f i r s t l yt h ec r o s sc o r r e l a t i o nf u n c t i o no fp p mi sd e d u c e d ，w h i c hi sf o u n d t ob er e l a t i v et ot h r e ef a c t o r s t h ed i f f e r e n c ev a l u eo ft h ec r o s s c o e l a t i o nf u n c t i o ni sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt or e l a t i v et a b l eb e t w e e nc r o s sc o r r e l a t i o na n di n f o r m a t i o ns y m b o l ，t h e n as i m p l et r a i n i n gp a t t e r ni sd e s i g n e dt oe x p e d i t e dt h es y n c h r o n i z a t i o n t or e m o v et h en o i s e i m p a c t ，w ep r o p o s et w on o i s es u p p r e s s i o nm e t h o d s w e a l s op r o v et h a tt h et w oa c q u i s i t i o n a l g o r i t h m sa r em e a ns q u a r es e n s ec o n s i s t e n t t r a d i t i o n a ld i g i t a li m p l e m e n t a t i o no fi r u w br e c e i v e ra d o p t sa n a l o g - t o - d i g i t a lc o n 。 v e r t e rw i t hh i g hs a m p l i n gf r e q u e n c yw h i c hl e a d st oh i g hr e c e i v e rm a n u f a c t u r i n gc o s t f r o m t h i sp o i n to fv i e w , al o ws a m p l i n gf r e q u e n c yb a s e da c q u i s i t i o na l g o r i t h mi sf i n a l l yp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o nu s i n gs a m p l i n gt h e o r y f i r s t l yt h ec l a s s i c a ls h a n n o ns a m p l et h e o r e ma n d i n n o v a t i v es a m p l et h e o r e ma r ec o m p a r e da n ds o m ep h y s i c a li n t e r p r e t a t i o n sa r eg i v e n ，t h e n t h er e c o n s t r u c t i o ne r r o ri se v a l u a t e d s e c o n d l yt h ei n n o v a t i v es a m p l et h e o r e mi sa p p l i e d t oi r u w bt op r o p o s eap r a c t i c a ld i g i t a ls y n c h r o n i z a t i o na n dr e c e i v e rd e s i g nm e t h o d a n o v e ls y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mu n d e rl o wd a t ar a t ei r - u w bc o m m u n i c a t i o ne n _ v i r o n m e n ti sa l s op r o p o s e d ，w h i c ht r a n s l a t e st h ej o i n tc h a n n e la n dt i m i n ge s t i m a t i o np r o b _ l e mi n t oah a r m o n i cr e t r i e v a lp r o b l e ma n du t i l i z e ss u b s p a c em e t h o dt oa c q u i r et h et i m i n g p a r a m e t e r s t h i sp r o p o s e da l g o r i t h mh a sp r a c t i c a lm e a n i n g su n d e r c e r t a i na f f o r d a b l eb e r c o n d i t i o n k e yw o r d s ：i r u w b ，s y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n ，a d a p t i v et e m p l a t e ，l o w - s a m p l e 一一 插图 插图 2 1f c c 制定的室内u w b 设备辐射掩蔽1 4 2 2 高斯信号的时域响应 1 6 2 3高斯信号的e s d 1 6 2 4 最优高斯导数组合波形的功率谱密度 1 7 2 5 5 种调制技术1 8 2 6t h 码示意图1 9 2 7d s 码示意图2 0 2 8 没有随机化的脉冲串的频谱2 l 2 9 经d s 随机化的脉冲串频谱2 l 2 1 0 经t h 随机化的脉冲串频谱2 2 2 1 lc ml 信道1 0 0 次实现2 6 2 1 2c m2 信道1 0 0 次实现2 6 2 1 3c m3 信道1 0 0 次实现2 6 2 1 4c m4 信道1 0 0 次实现2 6 2 1 5s t d l 信道实现流程图2 8 2 1 6s t d l 信道多径能量仿真2 9 3 1 发射信号序列3 2 3 2 粗同步捕获算法3 3 3 3 粗同步捕获过程3 5 3 4 捕获时间与迭代次数e n d 的关系：u 不变，m 变化 3 7 3 5 捕获时间与迭代次数e n d 的关系：m 不变，u 变化3 7 3 6 归一化的平均捕获时间比较1 3 9 3 7 归一化的平均捕获时间比较2 3 9 3 8 搜索区域编号与z i l 、z t 2 的关系 4 3 3 9 粗同步捕获信号流程图4 7 3 1 0 细同步捕获信号流程图4 8 3 11 检测概率与脉冲信噪比的关系m = 1 6 ，u = 8 4 9 3 1 2 检测概率与脉冲信噪比的关系m = 1 6 ，u = 1 6 4 9 3 1 3 检测概率与脉冲信噪比的关系m = 1 6 。u = 3 2 5 0 3 1 4 检测概率与迭代次数的关系m = u = 1 65 0 3 1 5 误码率与比特信噪比的关系 5 1 3 1 6 误码率与迭代次数的关系：5 1 3 1 7 提出算法与改进算泫的检测概率比较5 2 3 1 8 提出算法与改进算法的误码率比较5 2 4 1 算法统计量d t 删。1 、玩倒n 2 的方差与m 的关系6 6 一v i i 浙江大学博士学位论文 4 2 统计量d t ，。i 。1 、d t m 饥2 的方差与归一化时延的关系 4 3 算法a 1 、a 2 的m s e 与脉冲信噪比的关系 4 4 算法a 1 、a 2 的m s e 与m 的关系 4 5 算法a 1 、a 2 的b e r 性能 4 6 盲同步算法的m s e 性能 4 7 盲同步算法的b e r 性能 5 1 香农采样定理的频域解释 5 2 香农采样定理的时域解释 5 3 采样与重构 5 4 基于更新速率采样的接收机设计框图 5 5 更新速率采样过程 5 6 二阶高斯脉冲的时域响应 5 7 二阶高斯脉冲的频谱 5 8 信道估计过程 5 9 未同步的信号 5 1 0c m i 信道下时延估计的r m s e 性能， 5 1lc m 2 信道下时延估计的r m s e 性能 5 1 2c m 3 信道下时延估计的r m s e 性能 5 1 3c m 4 信道下时延估计的r m s e 性能 5 1 4c m l 信道下时延估计误差与采样点的关系 5 1 5c m l 信道下采用e s p r i t 算法的r m s e 曲线 5 1 6 基于更新速率采样的同步捕获算法的b e r 曲线 v i i i 酌卯卯醯醯 乃乃跎路酣辨辨盯鼹眇眇孵吣叽叭 表格 表格 1 1 高速短距离通信技术比较 3 2 1 f c c 制定的u w b 设备的平均功率极限值 1 4 2 2 链路预算分析表2 3 2 3 i e e e 信道模型参数2 6 4 1 互相关函数与信息序列的关系表5 9 一i x 浙江大学博士学位论文 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，也不包含为获得浙江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谢 意。 学位论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、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 浙江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适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 1 0 8 导师签名： 签字日期： 第一章绪 论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1i r u w b 的历史 脉冲超宽带( i r u w b ：i m p u l s e 1 i k er a d i ou l t r aw i d eb a n d ) 是超宽带( u w b ： u l t r a - w i d e b a n d ) 技术的一种，采用直接发送短脉冲信号的方式进行通信，这与现 代流行的通信技术截然不同。无线通信技术经历了从模拟到数字，从一代到三代乃 至四代( 4 g ：f o u r t hg e n e r a t i o n ) 的发展，然而这一伟大的演进过程却与i r u w b 无 关，因为当今流行的无线通信技术无不采用正弦或余弦载波作为信息载体。在不连 续的脉冲信号和连续的正弦信号之间，人们为何对后者如此垂青? 或许就像在非对 称和对称之间，人们更欣赏对称的美一样。果真如此，我们将不得不承认，科学有 时也难免带有情感。 事实上，i r u w b 的历史，从无线电通信技术的诞生之日就开始了。最初利用 无线电进行通信传输的技术，就是以发射脉冲信号为基础的，在1 8 9 4 1 8 9 6 年，马 可尼率先实现了利用火花隙发射机向2 英里外传输莫尔斯电码【l 】，但是由于当时 实现技术的限制，难以产生稳定的脉冲信号，而且脉冲信号的非连续传输降低了通 信可靠性，不利于商业应用。人们转而寻找脉冲信号的替代品，即连续的正弦信 号，发展至今，形成以正弦信号为载波的各类通信技术。 尽管受到当时技术条件的限制，基于脉冲的通信技术研究依然在继续。1 9 4 6 年一种微波中继系统被开发出来【2 】，该系统传输脉冲信号，双向语音传输的无线 链路可达1 6 0 0 英里，单向传输为3 2 0 0 英里。在上世纪六十到七十年代，脉冲无 线电已经应用在非通信领域【3 】，如医疗诊断等。而基于脉冲无线电的通信技术， 则被美国军方用于军事雷达系统中，一直处于保密研究状态。雷达技术的发展带 动了脉冲检测器的开发，由于军方的限制，第三方无法开发支持脉冲通信技术的 软件和硬件，此外，该技术对其他频段造成干扰，阻碍了脉冲通信技术的发展步 伐。1 9 8 9 年，美国国防部赋予超短脉冲通信u w b 这个名字【4 】，解决了当时人们 对u w b 的各种混乱不一的叫法：冲激通信、无载波通信、基带通信和非正弦通信 等。从此，i r u w b 正式作为通信技术的一种，得到学者们的关注。进入九十年 代，数字信号处理( d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术的快速发展和各种新设备的 一1 一 浙江大学博十学位论文 成熟，推动工业界对高性能低功耗无线通信设备的需求，1 9 9 3 年，r a s c h o l t z 提 出i r u w b 的多用户时跳脉冲调制技术【5 】，使i r u w b 从军事转到民用，激发了 学者的研究热潮。 i r u w b 无线通信史上最具有里程碑意义的事件发生在2 0 0 2 年4 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 s s i o n ) 批准允许在指定功率辐射 掩蔽下进行u w b 通信【6 】，引起各通信芯片厂商的兴趣，i r u w b 正式从理论研究 迈入商用研究阶段。为规范统一研究及商用，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 fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 专门成立了8 0 2 15 3 a 和8 0 2 15 4 a 工 作组，分别研究高速和低速的短距离无线个域网( w p a n ：w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k s ) 的物理层技术标准。 8 0 2 1 5 3 a 工作组制定的高速u w b 标准有两个提案，分别来自两个u w b 阵 营，一个是飞思卡尔、p u l s e - l i n k 和摩托罗拉等公司支持的u w bf o r u m ，采用脉 冲信号通信，即i r u w b ；一个是安捷伦、i n t e l 等公司支持的w i m e d i aa l l i a n c e ， 把3 1 1 0 6g h z 频段分成多子频段，每个子频段5 2 8m h z ，采用o f d m 调制，即 m b o f d m u w b ( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n gu w b ) 。前 者采取不连续脉冲传输，频谱利用率高，抗多径衰落能力强，可进行高精度定 位和跟踪，但频谱共享的灵活性较差，不利于和其他窄带通信系统共存；后者 采取传统正弦载波进行通信，提高了频谱的灵活性，但造成较高的峰均功率比 ( p a p r ：p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，容易对其他系统产生干扰。这两种技术提案 在本质上难以融合，且各技术背后涉及到许多公司的市场利益，阵营双方争执 不下，互不相让。2 0 0 6 年1 月，高速u w b 标准的融合制定工作最终流产，i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组宣布解散，标准之争交由市场决定【7 】。2 0 0 7 年3 月，国际标准 化组织( i s o ：i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 正式通过了w i m e d i a 联 盟提交的m b o f d m u w b 标准，w i m e d i a 联盟最终在标准上胜出，u w bf o r u m 随即解体，但原成员f r e e s a l e 、b e l k i n 仍然继续推动各自i r u w b 的研究及产品 化，u w b 两阵营在产业端的竞争将会持续下去。 相比之下，8 0 2 1 5 4 a 工作组负责制定的低速率传输标准进展顺利，目前已经 通过了采用c h i r p 扩展频谱传输技术的标准，速率在lm b p s ，工作在2 4g h z 频 段，称之为z i g b e e 技术【8 ，9 】；另外还在制定的一个标准是基于i r u w b 技术，工 作在3 1 1 0 6g h z 频段，计划在2 0 0 8 年完成。 由于中国u w b 频谱规划尚未出台，国内标准没有制定，国内厂商对i r u w b 一2 一 第一章绪论 技术研究并不积极，大部分厂商只处于关注和跟踪状态，不过随着国外研究技术 的发展和相关产品的出现，将会有越来越多的国内组织机构和公司加入到i r u w b 的研究队伍中。 纵观i r u w b 的发展历史，可谓一波三折，在无线通信历史之初便败给基于 正弦载波的通信技术，在上世纪末本世纪初则迎来发展的最好时期，如今又在标准 之争中落败，在未来的通信技术演进和通信市场上，i r u w b 也不容乐观。虽然如 此，由于i r u w b 技术的许多优势，对其研究工作将会一直持续下去，信息化时 代的今天，科技和制造业空前发展，制约i r u w b 发展的诸多问题正得到逐步解 决，随着i r u w b 技术逐渐走向成熟，市场上必将会出现相关产品，或许那时才 是瓜u w b 真正的春天。 1 1 2i r 。u w b 的应用前景 i r u w b 有许多潜在应用价值【1 0 】，这是由i r u w b 技术本身特性所决定的。 由于使用纳秒级的脉冲，i r - u w b 具有以下特点： ( 1 ) 频谱共享。i r u w b 的带宽很宽，在吉赫兹级，在f c c 允许的3 1 1 0 6 g h z 频段，有7 5 0 0m h z 带宽可供使用。为避免干扰带内其他通信系统，i r u w b 的发射功率严格受限，使得对其他通信系统而言，i r u w b 信号近似于噪声，因而 在不干扰窄带通信系统的前提下，i r u w b 有利于提高频谱利用率。 ( 2 ) 信道容量大。由香农信道容量可知，i r u w b 可能提供很大的系统容量， 这使得i r u w b 的传输速率很高，适合高速无线传输应用。表1 1 对各种高速短距 离通信技术做了比较，i r u w b 在传输速率上具有明显优势。 表1 1高速短距离通信技术比较 通信技术 传输速率( m b p s )传输距离( m )： 作频段( g h z ) i r u w b1 0 0 0 3 3 1 1 0 6 m b o f d m u w b 4 8 01 03 1 1 0 6 b l u e t o o t h3l o o 2 4 5 w i f i5 4 9 22 4 或5 ( 3 ) 抗多径能力强。i r u w b 脉冲持续时间极短，且占空比低，具有很强的多 径分辨能力，便于r a k e 接收。 ( 4 ) 穿透力强。i r u w b 脉冲信号中含有一定的低频分量，波长较长，可在室 内环境中轻易穿透墙壁等一般障碍物。 一3 一 浙江大学博十学位论文 ( 5 ) 低截获率。i r u w b 信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到。实际 传输时，往往采用时跳、直接序列调制等多址接入技术，进一步降低截获概率，安 全性好。 ( 6 ) 结构简单，功耗低。i r u w b 是基带传输，无需传统通信的上下变频设 备，且调制方式简单，容易实现。低发射功率和低占空比，使得i r u w b 设备的 功耗很低。 i r u w b 可以应用在短距离小型网络中，比如家庭网络，替代有线电缆为通信 设备和消费电子提供互连。如果在手机、电脑显示器主机、数码相机、耳机、打印 机和家庭影院等电子设备上使用i r u w b 技术，各设备之间可实时高速通信；如 果在空调、浴霸、电冰箱、洗衣机和电饭煲等生活电器上使用i r u w b 技术，在 电脑上用软件控制各电器，就可以构建智能家居网络，提高人们生活水平。 i r u w b 可应用在探测成像上。在雷达系统中，i r u w b 脉冲反射信号，不仅 改变信号幅度和时延，由于脉冲信号的尺寸比目标小很多，反射信号的波形也会发 生变化，借助这些信息，不但能探测目标，甚至可以描绘目标的立体影像。利用这 种穿透能力，可以检测钢材内部质量问题；帮助消防员寻找被困人们，帮助警察发 现躲藏在房间中的歹徒；也可以用在医疗设备中【1 l 】，探测病人器官异常活动，帮 助医生诊断病情。 i r l r w b 具有精确的定位能力，精度在厘米级，比精度在米级的全球定位系 统( g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 好很多，不过i r u w b 只能短距离精确定位， 如果与g p s 结合使用，就可以远程精确定位，i r u w b 的定位能力还可用在车载 网络中，在车辆行驶中实时测距，控制车速以避免车祸，在车祸发生前紧急制动， 有效控制安全气囊弹出。 i r u w b 芯片尺寸小，功耗低，可应用在传感器网络中，跟踪检测环境变化。 由于电源更换不方便，传感器节点通常是一次性使用，功耗越低，使用时间越 长，i r u w b 的低功耗低成本十分适宜，且高速的通信速率有助于节点搜集、散发 和交换数据。另外，i r u w b 的发射功率低，难以被截获，可用于安全保密通信。 目前i r u w b 的产品还只是处于在芯片研发阶段，距离商用还有一段时间。 不过随着技术的成熟，在未来几年，具有i r u w b 技术的电子设备逐步进入市 场，将会在人民生活中充当越来越重要的角色。 4 第一章绪论 1 2 研究内容 1 2 1i r u