（通信与信息系统专业论文）uwb同步方案的研究与实现.pdf

摘要 摘要 超宽带技术是当今无线领域中最富竞争力的短距传输技术。它的实现方式包括脉冲 无线电，单载波d s c d m a 以及m b o f d m 三种。这其中脉冲无线电是超宽带技术最 早的实现方式，它不需要载波调制，而直接将信号加载在亚纳秒级窄脉冲上由天线发送 出去。 本论文首先介绍了超宽带系统的相关知识，包括超宽带系统的定义、特点、系统方 案和系统模型。然后在此基础上研究了一种新型的脉冲超宽带系统1 b i t 采样超宽带 系统，它属于脉冲超宽带系统方案，在发送端无需载波，而直接将信号调制到窄脉冲上， 所不同的是在系统接收端，这一系统对接收到的信号进行l _ b i t 采样，然后对采样序列 进行信道估计、同步和信号检测等运算恢复出发送信息。这是一种相干接收机制。这一 系统有很多独特的优点，包括：系统简单，数据量小，运算快等。但同时对算法的要求 很高，因为1 - b i t 采样的量化噪声很大。本文不仅介绍了1 - b i t 采样超宽带系统的系统方 案，还详细说明了系统的实现难点和关键技术，包括脉冲发生器的设计和l _ b i t 采样的 实现等。 本次毕业设计的主要内容是l - b i t 采样超宽带系统接收端方案的设计与仿真，其中 重点是同步方案的实现与仿真，在第四章中我们详细介绍了包括信道估计、同步和信号 检测在内的接收端方案，并且进行了性能仿真，可以看出，信道估计方案和信号检测方 案性能优异，但仅限于c m l 信道中，因为c m 2 、c m 3 和c m 4 信道中时延扩展较大。 而将同步方案应用于系统时，c m 2 、c m 3 和c m 4 信道中的系统性能得到很大改善，甚 至与c m l 信道中相同的系统性能接近，这说明这一同步方案的性能优异。 关键词：超宽带，1 b “，同步，信道估计，信号检测 a b s t r a c t a b s t r a c t u w b ( u l t r a - w i d e b a n d ) i s a p r o m i s i n gt e c h n o l o g y i n s h o r t - r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h es y s t e ms o l u t i o n sf o ru w bi n c l u d ei r u w b ( i m p u l s er a d i o ) ，s i n g l e c a r r i e rc d m a ( c o d ed i v i d e dm u l t i p l ea c c e s s ) a n dm b - o f d m ( m u l t i - b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) a m o n gt h e mt h ei r u w b ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e dw i t hn o c a r r i e r , i st h ee a r l i e s ts o l u t i o nf o ru w b i ni r - u w b ，t h es i g n a li sd i r e c t l ym o d u l a t e do nt h e n a n o - s c a l en a r r o wp u l s ea n dt r a n s m i t t e db yt h ea n t e n n a t h eb a s i cc o n c e p t i o n sa b o u tu w b ，i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，s y s t e m s o l u t i o n ，s y s t e mm o d e l ，i sg i v e ni nt h i sa r t i c l ea tt h ev e r yf i r s t b a s e do nt h e m ，an e ws y s t e m s o l u “o i 卜一1 一b i ts a m p l i n gu w bs y s t e mi si n t r o d u c e d i t sk i n do fi r - u w bs y s t e mw i t hn o c a r d e ra tt h et r a n s m i t t e r h o w e v e r , t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni ta n dt h eo r d i n a r yi r - u w b s y s t e ml i e si nt h er e c e i v e r a tt h er e c e i v e ro fl b i ts a m p l i n gu w bs y s t e m ，t h er e c e i v e ds i g n a l i ss a m p l e db ya1 - b i ts a m p l e ra n dt h e nt h es a m p l e ds e q u e n c e ，as t r i n go f1a n d0 ，w i l lb e p r o c e s s e db yc h a n n e le s t i m a t i o nm o d e l ，s y n c h r o n i z a t i o nm o d e l a n ds i g n a ld e t e c t i o nm o d e lt o g e tt h eo r i g i n a lt r a n s m i t t e ds i g n a l ，w h i c hi sk i n do fc o h e r e n tr e c e i v i n gs c h e m e t h i sn e w s y s t e mo b v i o u s l y s h o w sm a n yd i s t i n c t a d v a n t a g e s ，l i k el o w e r - c o m p l e x i t y i n s y s t e m ， s m a l l e r - q u a n t i t y o fd a t aa n dm u c hf a s t e r p r o c e s s i n gs p e e d m e a n w h i l e ，i tp u t s h i g h r e q u i r e m e n t so nt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c ed u et ot h en o t a b l ee r r o rc a u s e db y1 - b i ts a m p l i n g t h es y s t e mm o d e lo fl - b i ts a m p l i n gu w b s y s t e mi sd e s c r i b e d t h ed i f f i c u l ta n dk e yp o i n t so f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fp u l s eg e n e r a t o r , t h ei m p l e m e n t a t i o no f1 - b i ts a m p l i n g ，a r e d i s c u s s e da sw e l l t h em a i nj o bo fm yg r a d u a t i o np r o j e c ti st h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h er e c e i v e r s c h e m ei n l - b i ts a m p l i n gu w bs y s t e m ，e s p e c i a l l yt h e d e s i g na n ds i m u l a t i o n o ft h e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m t h ep r i n c i p l e so fc h a n n e le s t i m a t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o na n ds i g n a l d e t e c t i o na r ep r e s e n t e di nc h a p t e r5i nd e t a i l s t h r o u g hs i m u l a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o na n d s i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m ss h o wg o o dp e r f o r m a n c ew i t h o u ts y n c h r o n i z a t i o no n l yi nc m 1 c h a n n e la n dd o n tw o r ka ta l li nc m 2 ，c m 3a n dc m 4c h a n n e l sa sar e s u l to fs e v e r ed e l a y b u t i fw ec o m b i n gt h es y n c h r o n i z a t i o nw i t hc h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e rs c h e m ew i l l b ei m p r o v e dg r e a t l yi nc m 2 ，c m 3a n dc m 4 c h a n n e l s ，e v e na tt h es a m el e v e la si nc h a n n e lc m l t h i sd e m o n s t r a t e st h eg o o dp e r f o r m a n c e o ft h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：u w b ，1 - b i t , s y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，s i g n a ld e t e c t i o n m 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。 研究生签名： 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。 研究生签名导师签名：丕馘日期： 丝弘 ， 第一章绪论 1 1 超宽带技术简介 第一章绪论 人类通信的历史可以追溯到远古时代。文字、信标、烽火及驿站等曾被作为主要的 通信方式使用了几千年。在德国物理学家h h e r t z 通过实验证明了电磁波的存在之后， 意大利科学家gm a r c o n i 又于1 9 8 7 年首次成功地运用电磁波进行信息传输。随后的一 个世纪内，在计算机技术和半导体技术的推动下，无线通信的理论技术飞速发展。今天， 无线通信已经成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式之一，在信息社会中起着重 要的作用。 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 技术并不是一个全新的概念，它最早出现于1 9 世纪。1 8 9 7 年，m a r c o n i 的火花系发射机占据了从低频到高频的很宽的带宽，可以说 m a r c o n i 发明了最古老的u w b 无线电。现代意义上的u w b 技术出现于2 0 世纪6 0 年 代，当时出现了有关u w b 的发射机和接收机的设计技术，同时u w b 在通信和雷达中 也得到了应用。此后，u w b 技术不断得到发展，到7 0 年代，有关u w b 在通信和雷达 应用中的全部体系概念都已经建立起来，但对u w b 这个名称的真正引入还是在上世纪 8 0 年代。后来，到了9 0 年代，因设备制造技术的进步，出现了第一个u w b 商用系统， 使得u w b 的基本构成和具体细节及实现方法等都取得了一定的进展，进一步促进了 u w b 的实用化进程。2 0 0 2 年4 月，美国联邦通信委员会批准了u w b 无线技术民用之 后，u w b 无线通信技术得到了加速发展。 u w b 是一项使用可达数g h z 极宽频带的宽带无线通信技术 1 1 【2 1 ，通过发射时间 极短的脉冲信号，并接收和分析接收到的脉冲信号，就可以得到检测对象的信息。其特 点是发送输出功率非常小，甚至低于普通设备放射的噪声。但是由于所使用的宽带高达 几g h z ，因此最大数据传输速度可以达到几十m b i t 秒几百m b i t 秒，而耗电量只有普 通无线通信系统的1 1 0 0 n1 1 0 0 0 ，因此这是种极具竞争力的无线通信技术。u w b 无线 技术一直应用于军事雷达，很少用于无线通信。但是，经过多年的反复争辩与努力，近 年来才被应用于无线通信。将它应用于通信领域时，它具有低功耗、低成本、低截获率 等特点，很容易实现1 0 0 m b p s 以上的高速宽带无线通信。因此，u w b 这一新技术的出 现也是对现有窄带无线通信技术一个全面的挑战，对相关学科提出了许多新的理论与技 术的研究课题。为此，国际电联还设立了专项课题开展u w b 技术与现有无线通信业务 之间共存问题的研究，以扩大u w b 在通信领域的应用。 作为一种新技术，国际上对u w b 的要求是，第一，不能影响既有的通信技术；第 二，受到既有通信技术影响的情况下，无权申诉。为了满足这两大要求，u w b 只好采 用小功率小范围传输，它的传输距离只有1 0 m 左右，通过与其他短距离无线技术的对 比，u w b 更能显示出其杰出的优点。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 l a 与u w b l 奎堕奎堂堡主兰垡笙壅 i e e e 8 0 2 1 1 a 是由i e e e 制定的无线网络标准之一，物理层速率在5 4 m b p s ，传输层 速率在2 5 m b p s ，它的通信距离可能达到1 0 0 m ，而u w b 的通信距离在1 0 m 左右。在 短距离的范围( 如1 0 m 以内) ，i e e e 8 0 2 1 1 a 的通信速率与u w b 相比相差较大，u w b 可 以达到上千兆，是i e e e 8 0 2 1 l a 的几十倍；超过这个距离范围( 即大于1 0 m ) ，由于u w b 发射功率受限，u w b 就性能就差很多。因此从总体来看，1 0 m 以内，8 0 2 1 1 a 无法与 u w b 相比；但是在1 0 m 以外，u w b 无法与8 0 2 1 1 a 相比。另外与u w b 相比，8 0 2 1 1 a 的功耗较大。 ( 2 ) 蓝牙与u w b 蓝牙的传输距离为1 0 c m 1 0 m 。它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，速率 为1 m b p s 。从技术参数上来看，u w b 的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗 也差不多，但u w b 的速度却快得多，是目前蓝牙速度的几百倍。 ( 3 ) h o m e r f 与u w b h o m e r f 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术。与u w b 相比，各 有优势：h o m e r f 的传输距离远，但速率较低；u w b 传输距离只有h o m e r f 的五分之 一，但速度却是h o m e r f 的几百倍甚至上千倍。 经过这几年的发展，超宽带技术在下列应用领域已显现出很大的发展潜力： ( 1 ) 短距离( 1 0 米以内) 高速无线多媒体智能家域网爪域网。在家庭和办公室中，各种 计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用超宽带无线技术，在小范围内动态( 即需 即用) 地组成分布式自组织( h ah o c ) 网络，协同工作，相互连接，传送高速多媒体数据， 并可通过宽带网关，接入高速互联网或其他宽带网络。这一领域将融合计算机、通信和 消费娱乐业，被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。 ( 2 ) 智能交通系统。超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能 交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监 视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。 ( 3 ) 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域。用做隐秘安全通信、 救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、 医用成像、贮藏罐内容探测等。 ( 4 ) 传感器网络和智能环境。这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用 于对各种对象( 人和物) 进行检测、识别、控制和通信。 1 2 本文的研究内容和章节安排 本次论文首先介绍了超宽带系统的有关知识，包括定义，实现方案等。然后重点介 绍了脉冲超宽带系统的知识，给出了其系统模型，分析了关键技术，并举例说明了一个 脉冲超宽带系统是如何实现的。在此基础上，我们提出了一种1 b i t 采样的超宽带系统 模型，分析了其特点及关键技术。重点研究了1 - b i t 采样超宽带系统的接收端方案，包 2 第一章绪论 括同步、信道估计和信号检测等方案在内。 章节安排如下： 第一章主要介绍了课题背景，简要介绍了超宽带技术的历史及发展现状以及本论文完成 的主要内容。 第二章介绍了超宽带系统的定义，特点，信道模型及系统方案。在系统方案部分，又重 点介绍了三种不同的系统实现方案，给出了不同方案的系统模型及其特点，并对他们的 性能进行了比较。其中主要介绍脉冲超宽带系统的相关知识，包括系统的模型和实现方 案，包括调制、脉冲发生器、解调方案等。 第三章介绍了l - b i t 采样超宽带系统的定义、特点、系统模型及实现的难点，并与一般 的脉冲超宽带系统进行了比较。 第四章是本论文的重点和核心，详述了1 - b i t 采样超宽带系统的接收端方案。进行了系 统仿真，分析了这一方案的性能。 第五章对全文内容进行了总结。 3 第二章u w b 无线通信技术 2 1u w b 的定义 第二章u w b 无线通信技术 超宽带无线通信技术最早出现时，由于窄脉冲的持续时间极短，所以带宽很大，因 此称之为超宽带，但是随着技术的发展，关于超宽带的定义经历了以下几个阶段： 1 9 8 9 年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，这种技术广泛用于雷达领域 并使用脉冲无线电这个术语，属于无载波技术。 1 9 8 9 年美国国防部首次使用超宽带这个术语，并规定若一个信号在2 0 d b 处的绝对 带宽大于1 5 g h z 或分数带宽大于2 5 ，则这个信号就是超宽带信号。 2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( 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 ，f c c ) 颁布了u w b 的频谱规划，并规定只要一个信号在1 0 d b 处的绝对带宽大于0 5 g h z 或分数带宽大于 2 0 ，则这个信号就是超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射，分 数带宽定义为： 磊一厅 庐赫 m k d l一 ( 办+ 歹) 2 7 其中，以、z 分别为系统的高端和低端频点，见图2 - 1 3 】- 【鲫。 一lj 绝对带宽( f c c ) l 1厂 0 - 1 0 弋 - 2 0 归一 绝对带宽 化功 一 k 1 ， 率谱 ( d b ) 中心频率 i l 频率轴 厂 图2 1 超宽带定义 5 东南大学硕士学位论文 2 2u w b 系统的特点 ( 1 ) 系统容量大。从香农公式c = b l o g ，( 1 + s n ) 可以看出，带宽增加使信道容量提高 的能力远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论基 础。超宽带无线电系统用户数量大大高于3 g 系统。 ( 2 ) 数据传输率高。u w b 系统使用上g h z 的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使 把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据 传输速度可以达到几百兆比特每秒。 ( 3 ) 多径分辨能力强。u w b 由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨 率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发 射信号的能量。实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1 0 - - - , 3 0 d b 的多径环境，u w b 信号的衰落最多不到5 d b 。 ( 4 ) 隐蔽性好。因为u w b 的频谱非常宽，能量密度非常低，因此信息传输安全性高。 另一方面，由于能量密度低，u w b 设备对于其他设备的干扰就非常低。 ( 5 ) 定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，可在室内和地 下进行精确定位，而g p s 定位系统只能工作在g p s 定位卫星的可视范围之内。与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。 ( 6 ) 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0 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。一般来说，u w b 抗干扰处理增益在5 0 d b 以上。 ( 7 ) 低成本和低功耗。u w b 无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环( p l l ) 、压 控振荡器( v c o ) 、混频器等，因而结构简单，设备成本将很低。由于u w b 信号无需 载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0 2 0 1 5 n s 之间， 有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般u w b 系统只需要5 0 - 7 0 m w 的电源，是蓝牙技术的十分之一。尽管如此，u w b 在技术上面临一定的挑战，还有诸 多技术的问题有待研究解决，比如需要更好地理解u w b 传播信道的特点，建立信道模 型，解决多径传播：需要迸一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术；研究新的调制 技术，进一步降低收发结构的复杂度等。 2 3u w b 系统的频谱规定 通过1 1 节的论述，我们发现u w b 技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同。 一方面，超宽带技术解决了诸如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等在无 线通信技术发展中长期以来存在的重大难题；另一方面，u w b 通信技术又不会很快取 代现有的其它无线通信技术。虽然u w b 通信中所需的频带宽度相当大，从5 0 0 m h z 直 至几g h z ，但实际上并不存在如此之宽的空闲频带，无论采取什么办法，u w b 通信使 6 第二苹u w b 无线通信技术 用的频带与现有无线通信使用的频带必定会发生重叠，为了避免u w b 通信对其它系统 的干扰，2 0 0 2 年4 月，f c c 发布了民用u w b 设备使用频谱和功率的初步规定。根据规 定，u w b 通信的实际使用频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，并在这一范围内，有效各向同性发 射功率不超过4 1 3 d b m m h z ，f c c 规定的u w b 频谱范围和谱密度限制分为室内、室 外两个标准，如图2 - 2 所示。发射功率的大小决定了传输距离，按照f c c 的规定，u w b 通信在近期内将只可能用于极短距离的无线通信，这就意味着在一定时期内u w b 将会 与现有短距离无线技术共同生存，共同发展。 ( a ) 图2 - 2 ( a ) u w b 的室外频谱模板；( b ) u w b 的室内频谱模板 7 东南大学硕士学位论文 2 4 信道模型 为了分析u w b 系统的性能，我们还要知道u w b 传播的信道模型。u w b 的室内信 道模型可表示为 其中，x 代表对数正态分布的信道增益的变化；k 代表观察到的总群数；( 露) 代表第k 群中接收到的总多径数；代表第七群中第”个多径分量的幅度：口破= 几匕，其中匕 等概取值1 来表示由于反射引起的信号极性翻转；风表示对数正态分布的第k 群中第 羟个多径分量的幅度增益；互表示第露群的到达时间，即第女群中第一个多径分量的到 达时间；表示以瓦为时间基准，第k 群中第 个多径分量的到达时间，所以每群中第 一个多径分量的到达时间五。为0 。 但是这个模型还存在缺陷，在用于脉冲无线电时没有考虑到脉冲在经过信道传播后 由于反射、散射其形状会发生变化。另外这个模型假设了衰落与时延无关，但是一些实 验结果表明衰落深度随时延增大而增大。这是因为多径分量的到达时间间隔随时延增大 而减小，因此时延越大，在一个可分辨的时间段上到达的多径数目就越大，根据中心极 限定理此时信号经历的是瑞利衰落。 2 5u w b 系统中的关键技术 由于超宽带无线接入系统的辐射信号具有超宽频带和功率谱密度极低两大特点，这 对u w b 系统的脉冲发生器和接收端性能要求非常高，u w b 高性能接收的技术尤为关 键，我们现在从其主要的三个方面来看： 首先，u w b 系统实现的前提就是获得持续时间极短的亚纳秒级脉冲，这样生成的 信号的频谱才能尽可能宽，才满足超宽带的定义。 其次，在信号的快速捕获、同步与检测方面，同扩频通信系统一样，超宽带通信系 统也存在接收捕获与同步问题。由于u w b 系统是传输纳秒或亚纳秒级的窄脉冲，而且 数据传输速率可达上百m b p s ，因此对超宽带通信系统的捕获和同步要求非常苛刻。具 体而言，u w b 信号的捕获分成频率同步、脉冲同步、码同步、帧同步等不同过程，现 有的研究主要通过优化的捕获策略、导频机制和后级信号处理，加速捕获过程，提高捕 获精度。超宽带通信系统的接收端接收到的极窄脉冲信号具有频谱极宽、能量微弱的特 g 22 一 瓦 一 万 嘲置斛 x i l 吩故 兰三兰塑塑垂垡望堡垫查 点，因此高性能的极窄脉冲检测技术是实现超宽带通信系统的难点。极窄脉冲检测技术 有非相干和相干两类，对超宽带信号的接收一般采用相干接收方式，即选用与发射信号 相对应的本地模板信号与接收信号进行相关的方法。受u w b 密集多径传播特性的影响， 接收到的超宽带信号能量分散于各多径路径之中。为提高信号能量的检测概率，现有研 究大多采用多径信道估计和多径能量的分集接收，同时考虑通过分析多径分量参数分 布、合并算法、系统开销等因素优化现有的多径分集接收技术。 最后，在天线的设计上，能够有效辐射时域短脉冲的天线是u w b 研究的另一个重 要方面。u w b 天线应该达到以下要求：一是输入阻抗具有u w b 特性；二是相位中心 具有超宽频带不变特性。即要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量分布的主要频段 上保持一致，以保证信号的有效发射与接收。对于时域短脉冲辐射技术，早期采用双锥 天线，v 锥天线，扇形偶极子天线，这几种天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、 无法测量时域目标的特性，只能用作单收发用途。随着微波集成电路的发展，研制出了 u w b 平面槽天线，它的特点是能产生对称波束、可平衡u w b 馈电、具有u w b 特性。 并且可利用光刻技术，将其制成毫米、亚毫米波段的集成天线。 2 6u w b 系统方案概述 u w b 通信系统的主要实现方式可以分为基带脉冲方式和载波调制方式。前者是传统 的u w b 通信方式，即脉冲无线电超宽带技术( i m p u l s er a d i ou l t r a w i d e b a n d ，i r u w b ) 。 后者是f c c 规定了u w b 通信的频谱使用范围和功率限制后，在超宽带无线通信标准化的 过程中提出的。载波调制的u w b 通信又可分为单带码分多址接入( d i r e c ts e q u e n c ec o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，d s c d m a ) 和多带正交频分复用( m u l t i b a n do r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m b o f d m ) 两种形式。 2 6 1 基带窄脉冲的u w b 方案 脉冲无线电是u w b 通信最早的实现方式，通信时利用宽度在亚纳秒级的基带窄脉 冲序列进行通信。以一个采用非相关接收机制的i r - u w b 通信系统为例，其系统框图 2 3 所示，具体来说，整个系统可以分为发送端电路和接收端电路两大部分 1 0 1 - 1 4 】。发 送端电路的主要功能是将数字基带信息进行预处理，包括编码和添加同步头，并将处理 后的数字信号用窄脉冲串调制后从天线辐射出去。接收端电路主要功能是从天线上接收 经过室内无线信道的窄脉冲信号。当检测到同步头后，接收端开始接收信号，接收到的 窄脉冲信号经过解调电路后成为数字信号，然后将该数字信号经过同步、解码等操作后， 还原为基带数字信息。 9 东南大学硕士学位论文 发送端 图2 3 非相关接收机制的i r u w b 系统框图 i r u w b 系统中常用的脉冲调制方法包括：脉冲位置调制( p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ，p p m ) 、脉冲极性调制、脉冲幅度调制( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) 和通断键控( o n 0 f 1 fk e y i n g ，o o k ) 等，如图2 - 4 所示。p a m 是通过改变脉冲幅度的 大小来传递信息的一种脉冲调制技术。p a m 既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改 变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的p a m 只改变脉冲幅度的绝对值。脉冲极性调制 和o o k 是p a m 的两种简化形式。脉冲极性调制通过改变脉冲的正负极性来调n - 元 信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。o o k 通过脉冲的有无来传递信息。在p a m 、b p m 和o o k 调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发 射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是p p m 的基本 原理。在p p m 中，脉冲的极性和幅度都不改变。 1 0 第二章u w b 无线通信技术 p p m p a m o o k 脉冲极 性调制 图2 - 4 脉冲调制方票 从本质上讲，产生脉冲宽度为亚纳秒级的信号源是u w b 技术的前提条件，单个无 载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二 是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的两类方法为：( 1 ) 光 电方法，基本原理是利用光导开关的陡峭上升厂f 降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激 发得到的脉冲宽度可达到皮秒( 1 0 2 s ) 量级，是具有发展前景的一种方法。 ( 2 ) 电子 方法，基本原理是利用晶体管p n 结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿， 整形后获得极短脉冲，是目前应用较为广泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方 法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到l n s 以下，实际通信中使 用一长串的超短脉冲。能够产生窄脉冲的电路方案如下： 方案一：使用阶跃恢复二极管( s t e pr e c o v e r yd i o d e ，s r d ) 产生窄脉冲方案 s r d 产生的脉冲幅度比较小，但是驱动信号幅度很大时，产生的脉冲最高能达到几 伏特左右。由阶跃恢复二极管设计的脉冲产生电路如下： 东南大学硕士学位论文 能一蛔1i 一一罩 微带线 图2 - 5 脉冲产生电路 它由s r d 和两段窄脉冲组成，方波信号经过s r d 产生一个脉冲信号，脉冲信号经 过短路断的微带线传播形成一个与原脉冲信号幅度相反并有一定延迟的信号，通过与原 信号的相加，产生窄脉冲，这种方法称为错位相消法。 方案二：使用雪崩三极管产生窄脉冲 雪崩三极管产生的脉冲幅度能达到几伏的数量级，但是，雪崩的工作条件比较苛刻， 需要几伏甚至上百伏的支流电压。 窄脉冲可以采用不同波形，如高斯脉冲、升余弦波形甚至多脉冲的形式等。图2 - 6 所示为一个典型的高斯脉冲在接收天线上的输出信号的时域波形和功率谱密度函数。 图2 - 6 单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性 对于一般的低速超宽带通信系统，考虑到单个系统脉冲信息量低的特点，可以考虑 采用无同步接收系统方案：积分接收方案，此方案考虑采用能量检测的方法，将连续发 送的窄脉冲的能量叠加，当叠加的能量超过一定数量的时候，可以进行门限判决。考虑 设计电容积分电路，将接收的脉冲能量累加积分，当积分电容的电量q 逐渐增加的时候， 1 2 第二章u w b 无线通信技术 根据公式q = c u 电容两端的电压将随之增加，通过比较电容两端的电压和门限电压进 行信号的解调。此方案的优点在于系统解调相对简单，且系统成本比较低。此方案的最 大缺点在于系统的速率提高收到电容的影响不能明显提高。电容太大积分时间过长，因 而系统速率不能提高；电容太小电路的寄生电容效应逐渐增大，接收系统收到的干扰增 大，系统性能收到影响。 卜件卜廿呻叫 图2 7 无时钟同步接收系统框图 基带窄脉冲u w b 通信中，因为脉冲的宽度很窄，同时一般情况下占空比较小，所 以有很强的多径信道分辨能力和抗多径信能；因为不需要调制载波，所以发信机结构简 单，成本较低；简单的结构、较小的占空比又使得系统的功耗很低。所以采用基带窄脉 冲的u w b 技术多用于探测、透视、成像，以及低速、低功耗、低成本通信等领域。 因为基带窄脉冲中包含较多的低频分量，所以在f c c 关于u w b 通信功率谱的规定 下，频谱利用率不高。这可以通过脉冲波形优化设计加以改善，但目前这方面的研究还 没有十分理想的可实用的结果。而另一条途径就是采用调制载波的方式，从而可以灵活、 高效地利用频谱资源，提高系统性能。 2 6 2 调制载波的u w b 方案 载波调制的u w b 方案，通过频谱搬移，可以将u w b 信号搬移到合适的频段进行 传输，从而可更加灵活、有效的利用频谱资源。同时，调制载波系统的信号处理方法与 一般通信系统采用的方法类似，技术成熟度高，在目前的工艺条件下，比基带窄脉冲形 式更容易实现高速系统。目前的载波调制方案主要有两种实现方式：单载波 d s c d m a l l 5 卜1 2 5 1 和m b o f d m l 2 6 】- 【3 3 1 。其中d s c d m a 技术和o f d m 技术在应用于超宽 带系统之前就已经是窄带系统中较为成熟的载波调制技术，例如d s c d m a 已用于手机 通信中，而o f d m 应用于i e e e 8 0 2 1 l a g 中。 根据2 5 1 的论述，基带脉冲调制系统不能充分体现出u w b 技术的优越性。因此 如何充分体现u w b 技术的优势是我们亟待解决的问题。针对这个问题，有两个解决思 路：一是利用相关宽带信号；二是在整个u w b 带宽上对信号进行相关处理。单载波 d s c d m a 方案充分利用了这两个思想，因此与m b o f d m 方案相比，单载波d s c d m a 方案更能体现出u w b 的优越性。 ( 1 ) 单载波方式 从原理上来说，d s c d m a 是通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相 乘而获得的宽带扩频信号。收端只要用与发端同步的相同地址码信号去控制输入 1 3 查堕奎堂堡主堂垡丝苎 变频器的载频相位即可实现解扩。 d s c d m a 系统具有抗窄带干扰、抗多径衰落和保密性好的优点。此外，d s c d m a 系统中许多用户可以共享频率资源，无须复杂的频率分配和管理。并且在一定限度内， 用户数增加只会使得信噪比下降，而不会终止通信，也就是说d s c d m a 没有绝对的容 量限制。但是，d s c d m a 也存在一些问题，如多址干扰问题，这是由于不同地址码之 间的非完全正交性而造成的，通信过程中不同用户的发射信号会相互干扰。此外，在 d s c d m a 系统中还存在远近效应，就是说离基站近的强信号用户会对远离基站的弱信 号用户的通信形成干扰，本质上说这还是由于地址码的非完全正交性所致。 单载波方式的u w b 通信系统就是通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通 信。将d s c d m a 技术应用于u w b 系统之后，与一般的d s c d m a 扩频通信系统相比， 单载波d s c d m au w b 通信系统占用频带较宽。系统中采用伪随机噪声码来替代普通 d s c d m a 系统中的地址码。单载波d s c d m au w b 方案将f c c 规定的3 1 1 0 6 g h z 的可用频段分为高低两个频段，分别为3 1 5 1 5 g h z ( 低频段) 和5 8 2 5 1 0 6 g h z ( 高频 段) 。单独使用低频段，可以实现2 8 5 4 0 0 m b p s 的传输速率，单独使用高频段可以实现 5 7 8 0 0 m b p s 的传输速率，或者两个频段同时使用可以实现高达1 2 g b p s 的传输速率。以 一个k 个用户的单载波d s c d m au w b 为例，其系统模型框图如图2 8 所示： 6 l 6 2 ； ： ； ： 以 图2 - 8 单载波d s - c d m au w b 系统框图 第k 个用户的发送信号 l l & o ) = 玩4 巳w ( t - j t c ) f ( o ，瓦) ( 2 3 ) j = o 其中以 1 ，一1 ) ，是第七个用户经过基带处理后的发送信号，4 是第七个用户的传输信 号幅度，勺d o ，1 ，一1 ) 是第七个用户对应的伪随机码，七= o ，1 ，m ，m = 乃z 是处理 增益，瓦和疋分别是符号间隔和码片间隔。w ( f ) 是一个近似高斯脉冲信号。 1 4 * = 牵u w b 无线通信技$ 札( ，) 是第女个用户经过多径信道时的信道响应。经过多径信道响应后，在接收端得 到接收信号 k 一】 ，( f ) = b k a , c ，”忡一肛) o k ( f ) + h ( f ) ( 24 ) k - i ，一o 其中h ( f ) 足高斯白噪声，在d s c d m a u w b 系统的接收端采用r a k e 接收机”i 检测出信 号 “，6 ，这是常用的解调方法。 ( 2 ) 基于o f d m 的多频带u w b 系统 o f d m 是一种调制和多接入技术，它的发展已经有2 0 年的历史。在o f d m 系统中， 一串高速数据流被分成若干组低速的数据流，并且每一组数据通过反快速傅里叶变换 ( i n v e r s e f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，i f f t ) 被映射到一组相互正交的频率上。 m b - o f d m 仍然基y - i2 8 点的o f d m 传输，但每个子载波的频宽由几k h z 增长到 41 2 5m h z 。m b o f d mu w b 方案与传统o f d m 有很多相似之处，又符合f c c 关于 u w b 的定义，具有u w b 的特点，是一种新的u w b 通信实现方式。 对于m b o f d m 传输系统，文献中给出了频谱分配，一共划分成5 个频率率组。 而这些频段又被分成若干个子频带，其中每个于频带的带宽都大于5 2 8 m h z 。在缚个 子频带上运用o f d m 。不同频带之间使用跳频处理( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) ，这样在 一个o f d m 符号间隔内，传输信号在不同的于频带上交替。m b - o f d m 系统的频谱分 配如图2 - 9 所示： f ，_ - 、r _ - 、r 、，_ l _ 、，b l 。1+ 24 3料4 5船4 7鹳# 9 “o # ”# 1 2 “3 # “ 【 筮鋈匪幽 图2 * 9m b - o f d m 系统的频谱分配圈 可将这个频段分为1 4 个带宽为5 2 8m h z 的子带、5 个频带组：i 组：3 1 6 8 4 7 5 2m h z ： 2 组：4 7 5 2 6 3 3 6m h z ：3 组：6 3 3 6 7 9 2 0m h z ；4 组：7