（通信与信息系统专业论文）超宽带无线通信中关键部件的研究与实现.pdf

摘要 摘要 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，简称u w b ) 技术是近年来无线通信领域的研究热点。许多 大公司、科研机构、高校都在进行这方面的研究。u w b 技术的研究方向也有很多：雷达u w b 、 u w b 无线个人通信系统、低速带定位、透视功能的u w b 等等。u w b 无线通信可分成两类。无 载波u w b 和载波调制u 船。载波调制u 船通信有多种实现方式，主要有：基于c d l i l a 技术的 方案和基于0 f d m 技术的方案。本文研究了u w b 通信中有关硬件实现和设计方面的问题。在 无载波u w b 的窄脉冲发生器、d s s s b p s k 系统的电路仿真与设计、带载波u 啼的维特比译 码器等方面提出了不同以往的解决方案和实现思路，分别概括如下 在传统的无载波0 w b 中，窄脉冲发生器是最为独特和最重要的部分之。为了设计适 于u w b 通信用的脉冲发生器，在对各种脉冲发生器总结的基础上，改进了基于雪崩效应的 纳秒级脉冲发生器，产生了纳秒级单脉冲波形。 要在无载波u w b 中实现高速通信，脉冲发生器必须具有高重复频率，且易于集成。本 文结合传统的滤波器技术，设计了能够达到百兆赫兹以上重复速率、亚纳秒量级的窄脉冲 发生器。 在无载波u 船中，设计了d s s s b p s k 系统的发送端电路实现方案。该电路采用b j t 工 艺设计，正5 伏供电，仿真结果显示激励信号可以达到百兆赫兹以上，能够满足高速应用 的要求。 在基于o f d m 的载波调制u w b 系统中。设计和实现了能工作在6 0 兆赫兹以上的维特比 译码器。与通常采用的复杂的度量计算清零模块相比，本算法只是增加了少许的累加单元 并且没有采用b l o c kr a m ，从而达到了很高的译码速率。 关键宇：u w b 窄脉冲o f d mw p a n 维特比译码器 a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h eh o tr e s e a r c ha r e a si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s m a n yb i gc o m p a n i e s ， r e s e a r c hc e n t e r sa n d u n i v e r s i t i e sa r ed o i n gu w br e s e a r c h t h er e s e a r c ht o p i c so fu w bt e c h n o l o g yi n c l u d e r a d a ru w b ，l o ws p e e du w bc o 舳u n i c a t i o n s ，h i g hs p e e du w bw i r e l e s sp e r s o n a l c o m m u n i e a t i o n s ，l o ws p e e du w bw i t hl o c a t i o na n dp e n e t r a t i o n ，e t c u w bs i g n a lh a s t w ob a s i cf o r m s ：n o c a r r i e ru w b ( n c u w b ) a n dc a r t i e ru w b ( c u w b ) c u w bt e c h n o l o g y c a nb ei m p l e m e n t e du s i n gm a n ys c h e m e s ，s u c ha sc d m a - b a s e do nc u w bo ro f d m b a s e d o nc u w b t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h ed i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i nt h ec o n v e n t i o n a ln c u w bs y s t e m i m p u l s eg e n e r a t o ri so n eo ft h em o s tu n i q u e a n di m p o r t a n tc o m p o n e n t s w es t u d i e da n dm a d ei m p r o v e m e n t so na v a l a n c h ee f f e c t n a n o s e c o n di m p u l s e t ，a n dg e n e r a t e dn a n o s e c o n du w bm o n o c y c i e t or e a l i z eh i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o nw i t hn c u w b i m p u l s e rm u s th a v eh i g h r e p e t i t i o nr a t ea n db ee a s yt oi n t e g r a t i o n a b o v ei o o m h zr e p e t i t i o nr a t ea n d s u b n a n o s e c o n di m p u l s e ri sd e s i g n e d ，c o m b i n e dw i t hf i i t e rt e c h n o l o g y ac i r c u i ts c h e m eo ft h ed s s s b p s kn c u w bs y s t e mw a sp r o p o s e d t h ec i r c u i tb a s e s o nt h eb j tt e c h n o l o g ya n dh a s5 - v o l tp o w e rs u p p l y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h es t i m u l u ss i g n a lc a nr e a c ha b o v e1 0 0 姗zt h i sm a k e si tq u a l i f yf o rh i g h s p e e d a p p l i c a t i o n s v i t e r b id e c o c l e r ，w h i c ho p e r a t e so na b o v e6 0 m h z ，i sd e s i g n e da n dr e a l i z e d c o m p a r e dw i t ht r a d i o n a lc o m p l e xm e t r i c c o m p u t i n gc l e a r z e r om o d u l e ，t h ed e c o d e r o n l ya d d sa1 i t t l es i i c e sa n dh a sn ob l o c kr a m ，s oh a sv e r yh i g hd e c o d i n gr a t e k e yw o r d s ：u n 3 ( u l t r a w i d e b a n d ) ，o f d m ( o r t h o g o n a lf 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 ) i m p u l s e ，w 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 ) ，v i t e r b id e c o d e r 1 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。 研究生签名：避日 期：坦丝主塑 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。 研究生签名础师签名：在匝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线个域网的发展现状 随着人们对生活质量要求的提高，越来越多的信息要求在人们之间沟通和交流，因而对 通信质量和数量都有了更高的要求。在目前的通信领域，有线的通信网络已经基本建成，如 高速的光纤骨干网、分布广泛的p s 2 3 q 电话网、a d s l 接入网、各种有线局域网等等：无线 的通信网络【1 1 也在继续往前发展，如已经成熟的g s m 无线网络、正在进行的c d m a 网络、 无线城域网、无线局域网等等；因此这些现有的网络基本能够满足目前人们的通信要求。然 而如何更好、更快、更有质量的满足这些通信要求呢? 目前还没有哪一种方案能够满足所有 需求因此还有待科学家们的共同努力，以提供特定条件下的最好解决方案。就无线通信而 言，如何提供高速、安全、廉价、易接入的网络将是很长一段时间内的研究课题，各种无线 网络就是在这种情况下发展起来。 目前的无线网络包括广域网( w a n ：w i d ea r e an e t w o r k ) 、城域网( m a n ：m e t r o p 0 1 i t a n a r e a n e t w o r k ) 、局域网( l a n ：l o c a la r e a n e t w o r k ) 、个域网( p a n ：p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 。 无线广域网w w a n ( w i r e l e s sw a n ) 连接某个国家或世界不同部分的设备如蜂窝移动通信系 统：无线城域网w m a n ( w i r e l e s sm a n ) 工作在直径超过5 0 k m 的区域：无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl a n ) 至少能够支持大于1 0 0 米的距离，利用网络内部的物理层连接，还能支持 至少2 k m 距离的通信；无线个域网) w a n ( w i r e l e s sp a n ) 支持距离至少1 0 米。图卜l 是满 1 0 ( 3 0 ， l o o u s c r 1 0 d a t e r a t e ( k b i 如、 p e r f o r m a n c e 1 t o1 0 0 1 ，0 0 0 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 l o wc o s t r a n g e ( m e t e r s ) 图1 - 1 满足不同距离和速率的无线网络的速率一距离直方图 足不同距离和速率的无线网络的速率一范围直方图。从图1 1 中可以看出对无线产品的需求 将会持续增加，同时也没有一种方案能够满足所有的需求，因此将会有一系列的相互补充产 品来满足不同的市场需求。 w p a n 的核心思想是用无线电代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。从计算机 网络的角度来看，w p a n 是一个局域网；从电信网络的角度来看，w p a n 是一个接入网。w p a n 必不可少的要求包摆：无线，无l o s ( l i n e o f - s i g h t ) 限制；低功耗、小尺寸；多个设备 互联的网络；交互网络的抗干扰性：易于集成到各种不同的设备：廉价、灵活。目前w p a n 实现技术”1 主要有：蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h o m e r f 与超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，简称u w b ) 三 种。 东南大学硕士学位论文 1 1 1b h e t o o t h 技术 目前的b l u e t o o t h 技术”1 经过近六年的发展，技术上已经相当成熟，从物理层的硬件平 台( 成熟的芯片) 到上层的开发软件，都已经形成产业链。但是市场的反应还是不够热烈， 个中原因有很多，可以看到目前b l u e t o o t h 技术实际能够达到的通信速率低( 小于1 m b p s ) ， 距离短( 加功率放大后约1 0 0 米) ，是主要的问题点。上个世纪末，就在i e e e 成立w p a n 研 究小组不久，5 家i t 公司( e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 和t o s h i b a ) 联合宣布了b l u e t o o t h 计划，目的是设计通用无线接口及其控制软件的国际标准，使通信和计算机进一步结合，让不 同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆连接的情况下，能利用无线技术在近距离范围内 具有互连和互操作性。该计划得到了包括m o t o r o l a 、l u c e n t 、c o m p a q 、s i e m e n s 、3 c o m 、t d k 以及m i c r o s o f t 等大公司在内的近1 8 0 0 家厂商的广泛支持。b l u e t o o t h 技术是支持点到点、 点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信技术，使用免申请的2 4 g h z 频段，并从物理 层、链路层、业务层三个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性，因而使得蓝牙成为 w p a n 的解决方案之一。 i e e e 8 0 2 1 5 工作组是专门进行w p a n 方面工作的，其中i e e e 8 0 2 1 5 1 a ( t g l a ) 是专注 b l u e t o o t h 技术在w p a n 上的应用，它最初的版本就来源于b l u e t o o t hy 1 1 。目前蓝牙特殊 兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ：s i g ) 正在提出v 1 2 版本规格，i e e e 8 0 2 1 5 1 a ( t g l a ) 就是跟踪该小组的进展，并更新8 0 2 1 5 1 a ，然后提交到8 0 2 1 5 工作组，最后消除版本中 的错误或语言模糊之处。在b l u e t o o t hv 1 2 中速率将达到1 2 m b p s ，基本能够满足w p a n 的 需求。 1 1 2h o m e r f 技术 h o m e r f 技术最初的名称是s w a p c a ( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l c o r d l e s s a c c e s s ) ，1 9 9 8 年1 2 月1 7 日发布了第一版；2 0 0 1 年3 月5 日更名为h o m e r f ，并同时发布 了2 0 版；2 0 0 2 年6 月1 1 日发布了20 1 ，这里关于h o m e r f 技术的资料全部来自2 0 l 版标 准 4 2 。h o m e r f 架构是一种独特的数据传输架构，包括尽力而为的异步机制、高优先级的 异步机制、同步机制。同步传输机制为具有严格抖动和时延特性要求的业务服务的，如实时 语音。高优先级的异步传输机制为流业务服务，如音频和视频。尽力而为的异步机制提供给 传统的数据网络。经过优化后的h o m e r f 标准适合在家庭中各个设备之间的互连。 h o m e r f 网络包含的节点有：连接点( c o n n e c t i o n gp o i n t ：c p ) ，类似于在个人计算机、 p s t n 和h o m e r f 兼容设备之间的网关：同步数据设备；异步数据设备；异步同步设备：数 据流设备；数据流同步设备。连接点连接到p c 或者是p c 内的一部分，也连接到p s t n ，还 能够和别的使用面向连接的异步机制的数据设备完成数据传输。连接点同时管理同步设备和 数据流设备之间网络接入的优先级。连接点、异步设备、数据流设备还可认为是一个m a c 层的桥，扩展h o m e r f 网络和别的网络之间的连接。合网络。在连接点和同步设备、具有优 先级的异步设备之间是客户端- n 务器的连接；异步设备之间是端到端的连接；同步处理是 电路交换、时分多址接入：异步设备和具有优先级的异步设备之间是包交换的，c s m a ( c a r r i e r s e n s em u lti p ea c c e s s ) 。这使得h o m e r f 能够在家庭中满足不同的应用，它不是设计用于支 持成百上千个业务类似的用户的网络，而是满足居家环境中的各种应用。 h o m e r f 标准的物理层跳频工作在免申请i s m 频段，支持两种发送功率。多种数据速率： 同步和异步数据速率是标准的8 0 0 k b p s 、1 6 m b p s 的异步数据速率、5 m b p s 的异步数据速率、 1 0 m b p s 的异步数据速率。 第一章绪论 1 1 3u w b 技术 超宽带无线传输技术有两种基本的信号形式：无载波超宽带和载波调制超宽带。无载波 超宽带将信息通过脉冲位置调制( p p m ) 、脉冲幅度调制( p a m ) 等方式调制到基带窄脉冲序 列上，并将此序列直接发送到空中，而无需对载波进行调制。载波调制超宽带将基带u w b 信号调制在正弦载波上进行传输，此时的基带u w b 信号可以采用正交频分复用( o f d m ) 和直 扩一码分多址( d s c d m a ) “1 等多种技术。早期的u w b 系统都采用窄脉冲超宽带的信号形式。 这一形式具有系统简单、成本低、功耗低、定位精度高等特点。 在i e e e 8 0 2 1 5 的w p a n 中，实现w p a n 的一项主要技术就是低速和高速的超宽带方案。 i e e e 8 0 2 1 5 下的s g 4 a 工作组就是专门负责低速提案的，目前已经有了草案出来：该组主要 的兴趣点是提供低速通信的同时，能够提供高精度区域和位置信息( 1 米或1 米以内的精确 度) ，此外还需要到达很高吞吐率、极低功耗、可变数据速率、低价位。目前s g 4 a 主要考虑 的技术是以窄脉冲为信息“载体”的雷达超宽带和8 0 2 1 5 4 技术。这种带定位功能的低速 通信系统将有很大的应用市场，如军事行动小组、大型仓储、船舶大型集装箱、医疗系统等 等。而i e e e 8 0 2 1 5 下的t g 3 a 工作组则是专门负责高速个人通信系统，目前正在进行标准化 工作，两大主流技术将是c d m a ”和o f d m ”1 技术，其中o f d m 就类似于目前我们正在研究的系 统，同样都工作在3 1 g h z 到1 0 6 g h z 之间，最低速率将高达5 5 m b p s ，通信距离在1 0 米以 内，但是不带定位功能。 1 2 超宽带无线通信历史、发展现状及其应用 超宽带( u w b ) 无线传输技术8 】起源于2 0 世纪6 0 年代对时域电磁学的研究，早期u w b 技术主要应用于军事雷达和低截获率低侦测率的通信系统。最初的超宽带无线通信以纳秒 量级的窄脉冲为信息“载体”；但此后发展更快的是以正弦或余弦载波为载体连续波通 - 4 t3 d b - p a r t l s u m l t 1 0 0 矿 f r e q u e n c yi ng h z 图1 - 2f c c 规定的室内u w b 发射功率限制和频谱限制 舶 渤 辩 哪 嘟 舶 硼 盛可c一一掌币co锈诉一ph区t雠一唯鐾； 东南大学硕士学位论文 信，超宽带应用更多的是放在雷达领域，即雷达测距、导航、定位等；近年来再次有人提出 了将超宽带应用到通信中。这种以纳秒脉冲为“载体”的通信被认为有诸多的优点，比如收 发系统简单、定位功能、穿透功能、低功率谱密度、高用户数等等。但是最大的缺点是它所 需要的频谱覆盖范围没有得到授权，因而研究仅仅限于各大高校或研究所。2 0 0 2 年4 月f c c 公布了超宽带的使用频谱和功率限制9 j ，如图1 - 2 所示，这对超宽带的研究和发展产生了巨 大的影响，超宽带新的标准和实现方案都在这个方案下被提出了，而与原来的窄脉冲方案发 生了巨大的变化。在i e e e 中专门负责超宽带无线通信的就是i e e e 8 0 2 1 5 工作组，应用的 领域是w p a n ，下面可以看到更详细的内容。 u w b 无线通信可以分成两种：无载波u w b 和载波调制u w b 。载波调制u w b 有多种 实现方案，主要的两种是基于d s - c d m a ( d i r e c ts e q u e n c e c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 的u w b 和基于m b o f d m ( m u l t i - b a n do r t h o g o n a ld i v i s i o nm u l t i p l e ) 的u w b 。不同的方案 各有所长，不同的应用领域可能会选用不同的方案，另外性能、复杂度、价格等因素会大大 影响到各个方案。此外u w b 系统仍有其它的实现方案，特别是在特定的领域，如军事领域。 我国对ir w b 技术的研究是和国际接轨的，几乎同时开始，并得到了国家8 6 3 计划的支持， 但与国际先进水平相比，仍有一定差距。在标准规范的制定方面，美国、欧洲、日本和新 加坡已经进行了相关的工作，特别是美国，自发布了u w b 通信的初步规定1 9 以来，u w b 技术的研究开发工作已进入了新的阶段，许多高校和研究机构都在进行，而我国的u w b 通 信标准化和规范化工作还没有正式开始。这些工作应及早开始，这样才能促使有实力的研究 机构和企业参加进来，加快研究和开发工作，才能尽可能多地拥有我们自己有独立自主知识 产权的相关技术和标准，才能避免在国际竞争中越来越落后，蒙受巨大损失。在应用方面， 我们可以根据我国的技术水平，首先把握时间，开发一些较低速率的产品，抢占市场，并同 时在加紧技术研发的前提下，不断提高产品的性能，扩充产品的种类，与国际上的先进产品 竞争。 目前u w b 的规范化和标准化工作正在进行。在美国f c c 对民用u w b 系统制定初步规 定之后，欧洲、日本、和薪加坡的有关管理部门也着手进行了u w b 通信的规范化工作。目 前，国际上u w b 通信的标准化工作主要在 e e e8 0 2 1 5 无线个域网【l ”工作组内进行，其中 t g 3 a 任务组进行i e e e8 0 2 1 5 3 高速w p a n 物理层可选( a l t e r n a t i v e ) 标准的制定工作，s g 4 a 研究组进行i e e e8 0 2 1 5 4 低速w p a n 物理层可选标准的研究工作。 2 0 0 2 年1 2 月，t g 3 a 任务组公开征集可选物理层方案。到2 0 0 3 年5 月，共收集到来自 各公司、研究机构的2 3 份提案，其中i n t e l 、t i m e d o m a i n 等8 家公司、研究机构组成了多 带脉冲方案的联盟提山了具体实现方式各异的多带脉冲方案：t l 公司提出了多带o f d m 方案，x t r e m e s p e c t r u m 等公司提出了单载波d s c d m a 方案。2 0 0 3 年7 月，在t g 3 a 任务 组中，原来的各种多带脉冲方案和t i 的多带o f d m 方案进行了合并，相关公司组成了多带 o f d m 方案联盟m b o a ( m u l t i b a n d o f d m a l l i a n c e ) j 。到目前( 2 0 0 4 年2 月) 为止，有关 方案的讨论和选择工作仍在进行之中。 u w b 无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信( 速率在 1 0 0m b p s 以上) 时。传输距离较近，一般在l o 2 0 米左右：进行较低速率无线通信和定位 时，传输距离可更远。u w b 技术，特别是采用无载波脉冲方式时，具有较强的透视功能， 可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位。与全球定位系统( g p s ) 相比，u w b 技术的定 位精度更高，可以达到1 0 2 0 厘米的精度。根据上述的功能，u w b 技术可以应用于无线多 媒体家域网、个域网，雷达定位和成像系统，智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、 医疗、测量等多个领域。 在无线多媒体家域网个域网中，各种数字多媒体设备根据需要，在小范围内组成自组 织( a dh o e ) 式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关，接入 第一章绪论 i n t e m e t 。 u w b 技术与现有的其它无线通信技术相比，数据传输速率高、功耗低、安全性好。u w b 技术可实现的速率超过1g b p s ，近期可以达到的速率为4 8 0m b p s 左右，与有线的u s b 2 0 接口相当，远远高于无线局域网8 0 2 1 1 b 的1 1m b p s ，也比下一代无线局域网8 0 2 1 l a g 的 5 4m b p s 高出近一个数量级。u w b 通信的功耗较低，能更好地满足使用电池的移动设备的 要求。另外，u w b 信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直 接序列扩频等扩频多址技术，使非授权者很难截获传输的信息，因而安全性非常好。 u w b 系统同时具有无线通信和定位的功能，可以方便地应用于智能交通系统中，为汽 车防撞系统、智能收费系统、测速系统等提供高性能、低成本的解决方案。比如在汽车防撞 系统中，装在汽车上的u w b 设备不断地发射超短脉冲，测量本车和其它车辆之间的距离， 其精度可以达到1 0 - 2 0 厘米。如果距离低于警界值，u w b 设备通知汽车内的电脑系统，采 取相应的措施。u w b 设各与电脑系统的连接可以是有线或无线的。采用无线连接，可以避 免使用额外的电缆，而且放置方便、灵活。 u w b 系统，特别是采用无载波u w b 系统，具有较强的穿透障碍物进行通信的功能， 在军事、消防、勘探等领域有着广泛的用途。2 0 0 3 年2 月，美国t i m e d o m a i n 公司推出了穿 墙透视仪r a d a r v i s i o n 。r a d a r v i s i o n 采用了u w b 技术，可以透过2 3 层一般墙壁，探测1 0 米范围内的物体，为警察、特种部队士兵等制服藏匿于室内的持枪歹徒提供了强有力的先进 工具。在消防上，u w b 设备可用于搜救火场内、废墟下的幸存者。在勘探领域，利用u w b 技术，可以探测到地表以下数米深的物质。 1 3 本文的研究背景和主要工作 本课题来源于研究组正在承担的“十五”国家8 6 3 项目：超宽带无线通信关键技术及共 存兼容性的研究( 前期课题) 和正在申请的超宽带无线通信第二期项目：超宽带无线传输技 术研究与开发。前期课题中，对基带窄脉冲形式的u w b 通信系统方案作了较为全面的分析、 研究，设计了信息速率达到2 0m b p s 的系统方案和关键电路。在目前( 2 0 0 4 年3 月) 正在 申请的超宽带二期项目中，主要的研究内容是进行高速u w b 无线传输技术实验模型的方案设 计和实现，为后续课题打好基础。 本人在这两个课题中，具体负责的内容包括：无载波u w b 系统中的关键部件一纳秒级窄 脉冲发生器的设计、实现、电路仿真及算法研究；d s s s b p s k 无载波u w b 系统的性能仿真、 发送端电路实现方案及其深入的实用化设计：o f d mu w b 演示系统的硬件设计、维特比译码 器、f f t i f f t 模块的f p g a 实现；超宽带演示系统同步方案的f p g a 实现。根据本人的工作， 本文围绕这些工作中的重点和难点，分别安排如下： 第一章是绪论，简要介绍了无线个域网的概念、发展情况和实现w p a n 的三种主要技术： 然后是u w b 无线通信技术的历史、现状和应用。 第二章是u w b 无线通信概述，介绍了超宽带的概念，目前两种主要的u w b 技术：无载波 u w b 和载波调制u w b 。无载波u w b 系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，所以又 称为基带、无载波或直接脉冲u w b 系统，最主要调制方式是脉冲位置调制；单载波d s c d m a 超宽带通常将f c c 分配u w b 的带宽分配为上下两个两个边带，采用r a k e 接收和判决反馈均 衡( d f e ) 等技术以提高系统性能；多载波o f d m 超宽带将7 5 g h z 的带宽分成5 2 8 兆赫兹的 带宽，采用f f t i f f t 技术。 第三章是窄脉冲发生器的研究与实现，包括窄脉冲发生器的脉冲基础、脉冲能量存储器、 开关类型；雪崩效应的脉冲发生器；滤波方式的脉冲发生器；u w b 脉冲发生器的算法仿真。 第四章是无载波u w b 的系统性能与电路实现方案，包括d s s s b p s k 无载波u w b 系 东南大学硕士学位论文 统的系统模型、发送端电路实现方案及其深入的实用化设计。 第五章是o f d mu w b 系统的系统性能与关键部件设计，包括系统参数、系统架构和 s i m u l i n k 下的仿真系统、仿真结果；硬件实现系统中的关键部件一维特比译码器的v e r i l o g 实现：各种不同的参数组合译码器的比较；在f p g a 中维特比译码器的实际运行。 最后，在结束语里进一步对全文进行了总结。 6 第二章u w b 无线通信概述 第二章u w b 无线通信概述 目前u w 3 b 无线通信的实现方案主要有无载波u w b 方案和载波调制u w b 方案，在载 波调制u w b 中又有多种实现方案，主要的两种是以c d m a 技术为基础的u w b 和以o f d m 技术为主的u w b 。载波调制u w b 方案需要对载波进行调制，是2 0 0 2 年f c c 对u w l 3 进 行了重新定义和制定了民用u w l 3 通信初步规定后所提出的新方案。本章首先介绍了超宽带 的概念，然后分别介绍两种方案的基本原理。 2 1 超宽带概念 通常提到u w b 时，最先想到的是以窄脉冲为“载体”的无载波u w b 系统，这似乎给 u w b 下了一个定义，但实际上应该以相对带宽来定义u w b 。相对带宽是指1 0 d b 带宽与中 心频率的比例，但是该比例的大小没有统一的规定。2 0 0 2 年4 月f c c 的p a r t l 5 给出了民用 u w b 的频谱限制和定义，在本文中采用了这个定义。根据f c c 的规定，u w b 系统的带宽 是指限制在厶、五之间的部分，其中厶、五是比最高辐射功率点低1 0 d b 的高端频率点 和低端频率点。中心频率为厶，等于( 厶+ 兀) 2 。包括天线在内的系统，如果相对带宽 i 0 ，2 0 或只要1 0 d b 带宽大于5 0 0m h z ，就可以称为u w b 系统。这里相对带宽定义为： ，= 学。 泣， 2 2 无载波u w b 系统 无载波u w b 系统为u w b 通信的传统方式，也是目前文献中介绍得最多的一种。这种 方案中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲位置调制( p p m ) 、二进制移相键控( b p s k ) 或脉冲幅度调制( p a m ) 等调制方式携带信息。基带窄脉冲序列直接发送到空中，而无需对 载波进行调制。典型的无载波脉冲位置调制u w b 通信系统如图2 1 所示。 图2 - 1 无载波脉冲位置调制u w b 通信系统 东南大学硕士学位论文 无载波u w b 通信中，常采用跳时( t h ) 或直接序列扩频( d s s s ) 的多址方案。早期 系统中典型的t h p p m 信号如( 2 2 ) 所示： j ( f ) = w ( r 一玛一考t 一占卿刈) ， ( 2 - 2 ) ， 其中j ( f ) 为第k 个用户的信号，它是由单周期脉冲( m o n o c y c l e ) w ( t ) 组成的脉冲序列。 弓为脉冲重复时间，是序列中脉冲的平均间隔，因此w o j t ) 为不进行跳时、不携带 j 信息的脉冲序列的表达式。 c ) 为第七个用户的跳时序列，t 为跳时时间单位，即第个 用户的第_ ，个脉冲的跳时时间量为够正，一般要求对所有的c j “，够ts 弓。 研”) 为 第k 个用户的要发送的数据序列。在系统中，一个符号的信息由。个脉冲携带，因此。第， 个脉冲对应第lj 。1 个符号，其中lzl ( z 0 ) 表示取x 的整数部分。占为数据符号为 1 时的时间偏移量。 系统中的单脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯波形、升余弦波形等，其中高斯脉冲 在目前的文献中用得较普遍。在无载波脉冲u w b 通信中，收发端的天线对输入信号分别有 一次微分效应，即天线的输出信号在时域上是输入信号的一次导数的形式。图2 - 2 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。 ( a ) 时域波形( b ) 功率谱密度 图2 - 2 典型高斯脉冲接收端的时域波形和功率谱密度 在无载波u w b 高速数字通信系统中，单脉冲的宽度极窄，一般在亚纳秒级，因此具有 极强的多径信道分辨能力，从而使无线室内通信环境中，密集多径信道的多径分离和处理成 为可能，提供了大幅度提高系统性能的可能性。 早期的无载波u w b 通信系统，因为直接利用基带脉冲波形进行通信，所以与传统的通 信系统相比，收发信机结构简单，实现成本低。但在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 1 2 1 1 3 1 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多带载波调制的方式从而可以灵活、 高效地利用频谱，提高系统性能。 第二章u w bj e 线调信概述 2 3 基于c d m a 技术的u w b 在基于c d m a 技术的载波调制u w b 中，主要采用单载波d s c d m a 方案。经过 d s c d m a 扩频之后的信号再通过对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。目 前f c c 规定的u w l 3 通信的实际频谱使用范围为3 1o h z 一1 0 6o h z 。传统的无载波u w b 方案中，存在较多低频分量，如图2 - 2 ( b ) 所示，因此很难适应f c c 的限制；而单载波d s c d m a 方案，通过频谱搬移，就较好地解决了这一问题。图2 - 3 为x t r e m e s p e c t r u m 等公司提出的 单载波d s c d m a u w b 方案的信号频谱示意图。图中有两个可用频段：3 1 5 1 5 g h z ( 低 频段) 和5 8 2 5 1 0 6g h z ( 高频段) ，u w b 信号可以通过对载波进行调制，在这两个频段 之一传输，或在这两个频段同时传输。两个频段之间的部分没有利用，是为了避免与美国非 特许的国家信息基础设施( u n i i ) 频段和i e e e8 0 2 1 l a 系统的干扰。 f，、 d if l ji助| 矧， 溺 | 崩 溯 且，、g h z 图2 - 3 单载波d s c d m a 信号频谱 与一般的d s c d m a 扩频通信系统相比，d s c d m au w b 通信系统占用频段较宽。以 文献5 j 咩一提出的系统为倒，表2 - 1 给出了部分系统参数。 表2 - 1 典型单载波d s ，c d m au w b 系统的部分参数6 】 参数数值 码片速率 1 3 6 8g h z 低频段 扩频码长 2 4 符号速率 5 7 m s p s 码片速率2 7 3 6g h z 高频段 扩频码长 2 4 符号速率1 1 4 m s p s 扩频码低白相关性的三进制码( 1 ，0 ) c d m a 编码类型 m - b o k ( + ) ，m = 4 ，8 ，1 6 m - b o k ：m 进制双正交键控( m - a r yb i n a r yo r t h o g o n a lk e y i n g ) 在d s - c d m au w b 系统的接收机中，一般采用r a k e 接收和判决反馈均衡( d f e ) 等 技术以提高系统性能。单载波d s c d m a 方案中，可以通过使用不同的伪随机( p n ) 码集 合划分不同的微微网( p i c o n e t ) 。在文献 5 1 的提案中，通过使用4 组码集合和高、低2 个频 段，可以同时支持8 个微微网，每个微微网内部使抖| j 时分多址( t d m a ) 的接八方案与i e e e 8 0 2 1 5 3 的媒体接入控制( m a c ) 层协议兼容。 东南大学硕士学位论文 2 4 基于0 f d m 技术的u w b 在基于o f d m 技术的u w b 中，主要是多带( m u l t i b a n d ) o f d m u w b 方案。m b o f d m u w b 方案与传统的o f d m 通信【i 卅有很多相似之处，但同时又符合f c c 关于u w b 的定义， 具有u w b 的特点和优点，是目前较新的一种u w b 通信实现方式。在m b - o f d m 系统中， 将可用的频段分为多个子频带，每个子频带带宽大于5 0 0m h z 。每个子频带的信号为一个 o f d m 信号，它由许多个正交的子载波信号合成。 图2 - 4 为采用时频交织技术的m b o f d mu w b 通信系统发送端框图。图中o f d m 合 成信号的产生方法与传统的o f d m 系统类似，只是符号长度、子载波间隔、循环前缀长度 等的具体参数与传统系统有较大差别。表2 - 2 为m b o f d mu w b 系统的部分参数。在 m b o f d m 系统中，合成信号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同的子频带 内传播。 图2 4m b o f d mu w b 通信系统框图 表2 - 2 典型m b o f d mu w b 系统的部分参数 参数 数值 n ：子载波总数 1 2 8 b ：子频段带宽 5 2 8 m h z a f ：子载波间隔 4 1 2 5m h z ( = b n ) t f r r ：i f f t 伊f t 周期 2 4 2 4n s ( = i a f ) t c p ：循环前缀长度 6 0 6 1n s ( = 3 2 ，b ) t o i ：保护间隔长度 9 4 7n s ( = 5 1 3 ) t s ：符号间隔 3 1 2 5n s f - t f f r + t c v + t g t ) o f d m 系统可以达到很高的频谱利用率。当子载波数较大时，各子载波幅度谱的叠加 的总信号的幅度谱有很好的矩形特性，因此可以充分利用频谱资源。m b o f d m 方案在频谱 利用方面有很高的灵活性。根据各个u w b 设备之间，或u w b 设备与其它无线通信设备之 间的干扰情况，可以降低一个或多个子频带的发射功率，或取消一个或多个子频带的发射， 以有效地降低干扰，提高网络性能。还可以通过抑制相应的子载波，更加精确地控制合成信 号的频谱形状。 多带方式还为m a c 层提供了频分多址( f d m a ) 的选择。不同的u w b 终端或不同的 微微网可以使用不同的子频带集合、或使用不同的时频序列作为地址码，以相互区别。还可 以把这种f d m a 方式和c d m a 、t d m a 等相结合，进行灵活多样的多址方案的设计。 1 0 一 第三章窄脉冲发生器的研究与实现 第三章窄脉冲发生器的研究与实现 在窄脉冲u w b 中，窄脉冲是通信中必不可少的部件，同时也是研究的重点和难点所在。 许多的专利文献和文章“都专门阐述如何产生满足各种要求的窄脉冲。在研究的初期， 由于器件和工艺的缺乏，主要利用微波器件( 如传输线) 等效成开关，从而得到短持续时间 的信号，再经过脉冲成形网络整形成满足要求的波形和电压足够高的脉冲，这些方法造价通 常很高，且器件庞大，更不适于现代应用“。后来前苏联人发现二极管上速度极快的良性雪 崩效应能够使矩形脉冲的上升沿急剧陡峭，从而使得窄脉冲的成形都倾向于利用p n 结的雪 崩效应。在早期利用雪崩效应的方案中，由于器件的限制，通常需要在二极管或三极管上加 上2 3 千伏的反偏高压，同时产生的窄脉冲电压也非常高，但其高偏压的提供本身就是困 难“。随着器件的发展，产生雪崩效应的电压下降到i 0 0 到1 3 0 伏左右，从而使得制造成本 和电路本身都大为简单，但作为通信系统仍然太大。脉冲过宽，而且窄脉冲重复频率不高“”。 另外还可通过在时间轴合成两个反相的高斯型脉冲来构成超宽带信号“”“。 本章首先简要讨论了功率脉冲的基础1 2 ，然后是两种主要的存储器类型、三种主要的 开关类型，最后是两种窄脉冲发生器的电路设计与实现以及窄脉冲发生器的算