（无线电物理专业论文）truwb无线通信的测控实验系统及实验研究.pdf

摘要 摘要 信息的高速传输已经成为当今无线通信研究的重要内容。超宽带( u w b ) 是 一种极具应用潜力的短距离无线通信技术，具有传输速率高、系统容量大、发射 功率低、抗干扰性能强、保密性好以及系统结构简单等优势，在众多领域具有极 为广阔的应用前景。 时间反演( t r ) 是一种基于电磁波互易原理的环境自适应无线传输方法，具 备独特的时间聚焦与空间聚焦性能，能将不利的多径效应变为有利因素。在丰富 的多径环境下，t r 的时空聚焦能显著压缩多径时延扩展、降低码间干扰、提高信 噪比，以及增加系统传输速率。 本论文在充分调研u w b 无线通信技术以t r 技术在u w b 中应用的基础上， 依据t r u w b 基本通信原理，利用先进时域测量设备，构建了一套全自动、远程 控制、基于软件无线电架构的测控实验系统，并在典型的室内环境下，对波形时 间反演超宽带( w t r u w b ) 、信道时间反演超宽带( c t r u w b ) 以及传统u w b 三种无线通信系统进行了对比实验研究。实验结果表明，t r 在减小多径时延扩展、 提高信噪比、降低码间干扰等方面性能显著。在室内多径信道环境下，基于t r 的 u w b 系统成功地实现了5 0 0 m b p s 4 m 高速率信息无线传输。全文共五章： 第一章介绍了u w b 无线通信的发展历史、自身优势、存在问题及解决方法， 阐述了t r 技术的时空聚焦原理与优势，并对基于t r 技术的u w b 无线通信的最 新研究进展进行了简要总结。 第二章介绍了t r u w b 无线通信的基本原理及关键技术，包括如何获取t r 信号，t r u w b 的调制方式与检测过程，以及两种t r 技术：波形时间反演( w t r ) 与信道时间反演( c t r ) 。 第三章对自主设计的全自动、远程控制、基于软件无线电架构的t r u w b 无 线通信测控实验系统进行了系统阐述。 第四章通过全时域实验对比研究了多种t r u w b 通信系统以及传统u w b 通 信系统在室内环境下的通信性能，包括s i s o ，s i m o ，m i s o ，m i m o 等系统结构。 第五章对全文做了总结，指出了未来研究的方向。 关键词：超宽带，时问反演，时问聚焦，空间聚焦，软件无线电 a b s t r a c r a b s t r a c t h i g h - d a t a - r a t eh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) i sap r o m i s i n gs h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew i t hh i 【g h d a t ar a t e ，l a r g es y s t e mc a p a c i t y , l o wt r a n s m i s s i o np o w e r , g o o di n t e i - f e r e n c ea b i l i t y , a n d s i m p l ea r c h i t e c t u r e i th a sw i d ea p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s t i m er e v e r s a l ( t r ) i sa l le n v i r o n m e n ta d a p t i v ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e t h o db a s e d o nt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e c i p r o c i t yp r i n c i p l e t rp o s s e s s e sau n i q u ep r o p e r t yo fe n e r g y f o c u s i n gb o t ht e m p o r a l l ya n ds p a t i a l l y s u c hap r o p e r t yi sc a p a b l eo ft u r n i n ga d v e r s e e f f e c t sf r o mm u l t i p a t hi n t ob e n e f i t s i nac o m p l i c a t e dm u l t i p a t he n v i r o n m e n t , t h e t e m p o r a l s p a t i a lf o c u s i n gf r o mt r c a ns i g n i f i c a n t l yc o m p r e s sm u l f i p a t hd e l a ys p r e a d ， r e d u c ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i m p r o v et h es i g n a lt on o i s er a t i o ，a n di n c r e a s es y s t e m t r a n s m i s s i o nr a t e t h i sp a p e rc o m p r e h e n s i v e l yi n v e s t i g a t e st h ep r o g r e s so fu w bt e c h n o l o g ya n d t r sa p p l i c a t i o ni nu w b b a s e do nt r - u w bc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , w eb u i l da n a u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e s t b e ds y s t e mi ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i oa r c h i t e c t u r et h a tc a l l b ec o n t r o l l e dr e m o t e l yb yu s i n ga d v a n c e dt i m e - d o m a i nm e a s u r e m e n te q u i p m e n t s i na t y p i c a li n d o o re n v i r o n m e n t ，w ei n v e s t i g a t ew a v e f o r mt i m er e v e r s a lu w b ( w t r - u w b ) ， c h a n n e lt i m er e v e r s a lu w b ( c t r u w b ) a n dt r a d i t i o n a lu w ba n dc o m p a r et h e i r e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt re x h i b i ti m p r o v e dp e r f o r m a n c ei n c o m p r e s s i n gd e l a ys p r e a d ，i m p r o v i n gs i g n a l - t o n o i s e ，a n dr e d u c i n gi n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ah i g hd a t ar a t eo f5 0 0 m b p s 4 mi nt h em u l t i p a t he n v i r o n m e n ti s s u c c e s s f u l l ya c h i e v e db yt rb a s e du w bs y s t e m s t h et h e s i si n c l u d e sf i v ec h a p t e r s ： c h a p t e r1d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si n c l u d i n g t h e i ra d v a n t a g e s ，c h a l l e n g i n ga n ds o l u t i o n s w eb r i e ft h et e m p o r a la n ds p a t i a lf o c u s i n g p r i n c i p l eo ft ra n dd i s c u s st h ea d v a n t a g e so ft ra n di t sa p p l i c a t i o ni nu w b w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s c h a p t e r2i n t r o d u c e sb a s i cp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft r - u w bw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，i n c l u d i n gt rs i g n a lg e n e r a t i o n ，m o d u l a t i o n ，d e t e c t i o np r o c e s s ，a sw e l l a st w ok i n d so f t r ：w a v e f o r mt i m er e v e r s a l ( w t r ) a n dc h a n n e lt i m er e v e r s a l ( c t r ) a b s t r a ( x c h a p t e r3p r e s e n t st h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt 懿t b e d 内rt r u w b i ns o f t w a r ed e f i n e dr a d i oa r c h i t e c t u r et h a tc a n b er e m o t e l yc o n t r o l l e d c h a p t e r4c o m p a r e ss e v e r a lt rb a s e du w bs y s t c r n sw i t ht r a d i t i o n a lu w b s y s t e m s w i t hf u l lt i m ed o m a i n e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n m u l t i p a t h - r i c hi n d o o r e n v i r o n m e n t t kt rb a s e du w b s y s t e m si n c l u d es i s o ，s i m o ，m i s o ，m i m o c h a p t e r5s u m m a r i z e st h ep a p e rf o l l o w e db yt h ep r o s p e c t i v eo ff u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：u l t r aw i d eb a n d ，t i m er e v e r s a l ，t i m ef o c u s i n g , s p a t i a l f o c u s i n g , s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：1 逝 日期：砷f o 年j c l 月2 年日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技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应遵守此规定) 签名：王趣导师签名：赵往，望幺 签名：蔓然 导师签名：丝i 妥，望幺 日期：pf d 年- 月磁日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 随着无线通信技术的快速发展，人们对于短距离内的高速数据传输的要求越 来越高。超宽带( u l t r a w i d e b a n d ：i m l ，b ) 技术的出现，为实现短距离内超带宽、 超高速的数据传输提供了新型技术。u w b 无线通信系统具有传输速率高、带宽极 宽、频谱利用率高、系统容量大、发射功率低、抗干扰性能强、保密性好以及系 统结构简单等一系列优点【心j 。然而在异常复杂的环境中，信道中的多径、散射、 反射、通信系统间的电磁兼容等问题严重制约了u w b 的快速发展。 基于时间反演( t i m er e v e r s a l ：t r ) 的超宽带无线通信传输技术，作为一种新 兴的无线通信技术，为解决上述问题提供了崭新的技术途径。t r 技术起源于时间 反演镜( t i m er e v e r s a lm i r r o r ：t r m ) ，由m f i n k 于1 9 9 2 年首先应用于声学领域d 】。 m f i n k 通过实验得出结论，采用t r 技术，能使在均匀和非均匀媒质中传播的声 波实现时间聚焦和空间聚焦，可用于复杂媒质中的目标探测。将t r 技术应用到电 磁波传播和无线通信领域中，同样可以实现时空聚焦。这种独特的聚焦特性在无 线通信中具有巨大的应用潜力，一方面，时间聚焦能显著提高信噪比、压缩多径 时延展宽、提升系统传输速率和通信距离f 4 - 5 】；另一方面，空间聚焦具有天然的空 分多址通信能力，特别是t r 的超分辨空间聚焦功能，可倍增通信系统容量【6 】。 因此，随着对t r 技术研究的不断深入，将会全面的体现t r 技术在无线通信 系统应用中的巨大潜能，基于t r 的u w b 无线通信传输技术的应用前景将十分广 阔，必将成为未来无线通信系统的核心技术之一。在国家8 6 3 计划项目“基于时 间反演的环境自适应超宽带高效无线链路传输技术 中，从实测通信实验、建立 无线信道模型与建立t r 仿真平台等方面，全面研究了t r 技术在u w b 中的应用， 而本论文也是由此指导完成的。 1 2 超宽带( u w b ) 技术的概述 u w b 技术曾经被称为无载波( c a r t i e rf r e e ：c f ) 或脉冲无线( i m p u l s er a d i o ： i r ) 技术m 1 ，其应用可以追溯到1 9 世纪。而关于u w b 最常见的定义则来源于1 9 9 0 年3 月，在美国新墨西哥州的l o s a l a m o 国家实验室召开的超宽带雷达会议上提出 电子科技大学硕士学位论文 的“超宽带( i m ，b ) 雷达”的概念。根据美国联邦通信委员会( f c c ) 在2 0 0 2 年 的规定【l o l ，通过了u w b 技术在限制功率条件下的民用许可，规定了u w b 无线通 信目前实际可使用的频谱范围为3 1 1 0 6 g h z ，由此极大地促进了u w b 相关技术 研究和产业化进程。u w b 信号有两种定义：一种定义是能量带宽超过5 0 0 m h z 的 信号：另一种定义是相对带宽超过2 0 的信号。其中，当下限频率，：和上限频率厶 定义在功率谱密度衰减为一1 0 d b 的辐射点上时，称厶一五为能量带宽，而将能量带 宽与中心频率的比值称为相对带宽，表达式如下： 玩= 芳茄枷毗( i - i ， 相比于其他的无线通信技术，u w b 具有以下优势：传输速率高，可以高达几 十m b p s 至几百m b p s ；带宽极宽，u w b 系统使用的频率带宽在lg h z 以上，甚至 高达几g h z ，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰；频谱利用率 高、系统容量大，因为u w b 系统具有很宽的频谱和很低的平均功率，从而能提高 频谱利用率，带来了极大的系统容量；发射功率低，由于u w b 系统信号的扩频处 理增益比较大，即使较小的发射功率也可实现长距离的通信；抗干扰性能强，u w b 信号的输出功率甚至低于普通设备产生的噪声，所以接收时将信号能量还原出来， 在解扩过程中产生扩频增益，具有更强的抗干扰性；系统结构简单，u w b 系统不 需要使用复杂的调制方法和接收方法，故系统实现相对简单，成本较低。 由于f c c 对于u w b 的概念并不局限于脉冲传输，而是可以扩展为类似连续 载波传输技术，只要发射信号的带宽大于5 0 0 m h z 即可，但是这就产生了双重影 响。一方面，f c c 关于u w b 的辐射规定，提高了主要芯片生产厂商( 如t e x a s i n s 觚瑚e n t 、m o t o r o l a 、i b m 和i n t e l 等) 的兴趣，而另一方面，引发了围绕瓜方 式与传统的基于连续载波传输技术的优势问题的激烈争论。到目前为止，u w b 主 要分为两种方案：一种是保存了原始u w b 脉冲属性的直接序列超宽带( d i r e c t s e q u e n c eu w b ：d s u w b ) 方案；另一种是将跳频与正交频分复用( o 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 ：o f d m ) 结合起来的多频带方案( m u l t ib a n d o f d m ：m b o f d m ) 。 d s u w b 是基于窄脉冲式的冲激类u w b ，即不使用载波，而将信息放入极窄 的时域脉冲，由此产生了足够宽的频谱，并可以选择通过j 下交频分调制或直接排 序将脉冲扩展到一个频率范围内。这种方案频谱利用率高，可进行高精度定位和 跟踪，抵抗多径衰落能力强，但频谱共享的灵活性较差，不利于与其他窄带系统 2 第一章引言 共存。m b o f d m 是将频谱分成数个次频带，同时让每个次频带宽度都略大于5 0 0 m h z ，以符合i ，w b 信号要求。接着通过时间交错的方式( t i m e - i n t e r l e a v e d ) ，在 各个次频带内利用很窄的时域o f d m 符码传输信息，使得无论任何时刻，传输信 号都只局限在一个次频带内。以时间交错方式利用多个次频带传送符码的主要优 点，在于u w b 系统可以传送同样的平均功率( 就像在使用整个频宽，也就是次频 带频宽乘上次频带数目所得到的频宽值) 。多频带的好处是瞬间处理频宽很小( 大 约5 0 0m h z ) ，这不但增加频谱的使用弹性和全球电信法规的兼容性，功耗及成本 也会变得更低。因此采用o f d m 的理由是其接收器收集多路径能量的效率相较于 使用同样频宽的单载波系统更高。 然而，不论采用何种u w b 通信方案，在非常复杂的电磁传播环境中，反射、 散射以及色散传播作用等都会对无线通信系统的通信质量带来严重影响，并且在 多散射环境中，由于信号到达接收端时通过了不同的路径，将会产生多径效应。 多径效应对于信号所引起的延迟扩展，会造成严重的脉冲间干扰( i n t e r - p u l s e i n t e r f e r e n c e ：i p i ) 和符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ：i s i ) ，以及多用户系统 中的共道干扰( c o c h a n n e li n t e r f e r e n c e ：c c i ) 等问题，从而将降低传输信号的信 噪比( s i g n a l t o - n o i s er a t i o ：s n r ) 与传输速率。另外，u w b 系统具有很宽的频谱 范围，与其它某些无线通信系统的频带重叠，容易相互之间产生干扰。假如限制 u w b 系统的发射功率，则可以降低这种相互干扰，但同时也影响了传输信号的信 噪比与传输速率。 因此，为解决上述问题，将t r 技术引入到u w b 的应用中，成为了崭新的技 术途径f l l j 。 1 3 时间反演( t r ) 技术的概述 t r 技术起源时间反演镜( t i m er e v e r s a lm i r r o r ：t l w ) ，而t r m 则源于光学 中相位共轭法( p h a s ec o n j u g a t em e t h o d ) 的引申和发展。在超声波检测和成像中， 待测对象大多是不均匀介质，如地层、人体等，当声束在其中传播时，由于声速 和传播介质的密度随空间起伏变化，会使声束弯曲、使聚焦点散焦，形成图像失 真、相差畸变和模糊。在声学中，为了克服介质分布不均匀的影响，引用了源于 光学中不均匀介质的相位共轭法，并将连续波的相位共轭法发展到脉冲波的时间 反演法。光学上的相位共轭法是为了弥补不同光线在通过不均匀介质时的相位差， 利用一个相位共轭镜，使之重发一个共轭相位的波阵面，进行补偿。发出相位共 电子科技大学硕士学位论文 轭波阵面的方法是通过该波阵面与另一入射的二次谐波光波在空间混频而得到， 实现光学混频的非线性介质是光学非线性晶体。 声学与光学类似，由此将相位共轭法应用到声学上也具有可行性【1 2 以3 1 ，但实 际上难度很大，其主要原因是声学介质的非线性系数较小，这种混频效果不好。 直到2 0 世纪8 0 年代末，才利用超声波比光学频率低的特点，将接收的声信号经 过换能器变成电信号，把电信号利用电学上的混频方法得到相位共轭信号，再将 其通过换能器发射出共轭的声信号，实现声束在目标方位上的聚焦【1 4 1 。1 9 9 2 年， 巴黎第七大学的m f i n k 教授首先将t r 技术应用于声学领域，并证明了t r 技术 在传输过程中的时间和空间聚焦特性。利用时空聚焦，可用于探测复杂媒质中的 目标，如超声波探癌、水下声波通信等【b 。1 7 1 。 2 0 0 4 年前后，t r 技术被gl e r o c y 、ek y r i t s i 等人引入电磁波领域，并在2 4 g h z 以及5 8 g h z 的载波系统上，观测到了时间反演电磁波的时空聚焦现象【l 弘吲。随后， c m q i u 等结合实测信道数据，从理论上对t r u w b 无线通信系统展开研究，发 现t r 在提升系统性能方面具有明显优势【2 0 1 ，并通过频域的方法测得了u w b 信道 的冲击响应，然后变换到时域上研究了t r 的时间聚焦特性【2 。在2 0 0 7 年，法国 a k h a l e g h i 等人首次采用全时域方法的t r 实验瞰】，在多径分量丰富的环境下， 实验验证了单脉冲的t r 传输聚焦特性，但该实验系统的工作频带并不在f c c 规 定的频段内，也未作深入研究( 例如传输速率、通信质量等) 。最近，n g u o 等人 在4 g h z 的测试平台上，首次进行了t r 无线通信实验，证实了t r 的时空聚焦特 性对通信传输性能有显著改善，并获得了6 2 5 m b p s 无线传输速率【2 3 1 。但是，该平 台基于载波系统结构设计，本振及变频器件的工作带宽严重限制了系统带宽，所 以，通信速率相对较低。 随着对t r 无线通信技术研究的不断深入，t r 在无线通信系统应用中的巨大 潜能必会被全面挖掘出来，基于t r 的无线传输方法预计能为未来高传输速率、大 通信容量、低干扰影响的无线通信领域提供关键的理论和技术支持。 1 4 本论文的研究内容和特色 本论文在充分调研u w b 无线通信技术以及t r 技术在u w b 中研究进展的基 础上，依据t r u w b 基本通信原理，利用先进时域测量设备提供的数模( d a ) 和模数( a d ) 转换功能，提出并构建了一套全自动、远程控制、基于软件无线 电架构的测控实验系统，在室内环境下，对波形时间反演u w b 、信道时问反演 4 第一章引言 u w b 以及传统u w b 多种无线通信系统进行了实验研究，分别以1 0 0m b p s 、2 5 0 m b p s 和5 0 0m b p s 的无线通信速率，得到大量实测实验数据，并通过误码率、传 输速率、均方根时延扩展、峰值能量、频带宽度等参数对通信系统进行了性能评 估。 在本实验系统中，u w b 或t r u w b 发射信号直接由d a 和a d 转换器产生 和采集接收，不经过上下变频，信号调制、编码、解调等均在数字域进行，由软 件实现本实验系统且能够在不改变硬件设置的情况下，重构不同的无线通信系统。 因无变频器件，u w b 、t r - u w b 信号波形和带宽可在d c 7 8 g h z 范围内任意设定， 脉冲最大频谱宽度可设置为7 8 g h z 。本论文的研究特色有： ( 1 ) 提出并构建了一套全自动、远程控制、基于软件无线电架构的t r - u w b 测控实验系统，可扩展性好、灵活性强，便于对多种不同体系结构的无线通信系 统传输性能展开实验研究和性能测试。 ( 2 ) 采用无本地载波进行t r - u w b 无线通信实验系统设计，突破了本地载波 系统带宽受限、传输速率低等限制，使系统带宽得到大幅度提升，本系统工作带 宽覆盖d c 7 8 g h z ，且u w b 波形可任意设计。 ( 3 ) 实现了t r u w b 无线通信传输，通信传输速率高达5 0 0 m b p s ，远高于国 际同类研究的传输速率。 ( 4 ) 针对典型的室内环境，进行了全时域的实验研究，获得了大量的丰富的 实验数据和结果，这些数据和分析结果可为建立高速率、短距离u w b 无线通信系 统提供可靠的科学依据和参考。 电子科技大学硕士学位论文 第二章t r - u w b 无线通信的基本原理及关键技术 本章将t r 技术应用到u w b 系统中，阐述了t r - u w b 无线通信的基本原理。 首先，介绍t r 信号的产生，以及两种t r ：波形时间反演( w a v e f o r mt i m er e v e r s a l ： w t r ) 和信道时间反演( c h a n n e lt i m er e v e r s a l ：c t r ) 。然后，通过对收发信号以 及信道冲击响应的公式推导，理论分析t r 独特的时间聚焦特性和空间聚焦特性。 最后，详细介绍了t r - u w b 的调制方式、检测过程以及其他关键技术。 2 1t r 信号的获取过程 与传统的无线通信系统不同，t r u w b 无线通信主要分为两个阶段：首先， 获取含有信道特征的t r 信号；然后，再以t r 信号作为信息载波，进入实际的信 息传输阶段。 为便于分析，本文将发送数据、提供信息的一端命名为服务端，将接收信息 的端命名为客户端。同时，假设u w b 信号在自由空间中传输时，无线信道的冲 击响应j i l ( f ) 在短时间内保持静态不变，且服务端与客户端相互间的信道冲击响应相 同或互易【2 4 1 。 获取t r 信号的具体过程如下： 首先，由客户端向服务端发射一个探测窄脉冲p ( f ) ，对无线信道进行激励后， 得到无线信道的窄脉冲响应： y ( ，) = p ( f ) 幸五( f ) + 力( f )( 2 一1 ) 其中代表卷积运算，甩( f ) 为噪声。 然后，再由服务端通过对接收信号y ( t ) 进行时间反演处理，得到含有信道特征 的t r 信号： y ( - t ) = p ( _ f ) 掌h ( - t ) + n ( - t ) ( 2 - 2 ) 理论上，时间反演是一个非因果的、不可实现的物理过程，所以，实际的时 间反演操作是在数字域完成的。即先将y ( f ) 进行a d 采样、存储，再进行逆序运 算，由此得到j ，( 一，) 。在本论文设计的实验系统中，时间反演过程由具有a d 转换 功能的数字串行分析仪( d i g i t a ls e r i a la n a l y z e r ：d s a ) 、m a t l a b 程序、和具有d a 6 第二章t r - u w b 无线通信的基本原理及关键技术 转换功能的任意波形发生器( a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ：a w g ) 共同完成，其 中，d s a 负责对窄脉冲响应y o ) 进行采样、存储得至l j y n 】，由m a t l a b 程序进行逆 序运算得到数字域的反转序列研叫】，最后由a w g 产生模拟域的时间反演信号 y ( - f ) 。 另外，与窄带通信系统不同，由于u w b 系统的发射信号为时域上超短窄脉冲， 所以当单个窄脉冲经过信道后，受到多径效应的影响，在接收信号表现为一系列 的窄脉冲序列。假设每条多径都是可分辨的，则厅( f ) 可以表示为： ， j i l ( f ) = z a t s ( t - r t ) ( 2 3 ) l = l 其中，万( f ) 是狄拉克函数，乃和嘶分别代表多径的时间延迟和衰减因子，而为 多径分量的总数目。 2 2 波形时间反演以及信道时间反演 2 2 1 波形时间反演 目前，国内外t r 技术的主要研究大多为波形时间反演( w a v e f o r mt i m e r e v e r s a l ：w t r ) 。w t r 技术采用上节所介绍的t r 信号) ，( 一f ) 来携带符号信息，即 将二进制 0 ，l 符号调制到y ( 一t ) 进行信息传输，如图2 一l 所示。 w t r 系统的主要优势是接收机只需一个相关器，并且不需要复杂的信道估计。 因此，与传统无线通信系统相比，结构得到很大的简化，这对构建低成本的无线 传输节点网络具有很大的优势。 y ( - t ) d a t a 2 2 2 信道时间反演 图2 1w t r u w b 无线通信实验系统 本实验系统还研究了另一种t r 技术：信道时间反演( c h a n n e lt i m er e v e r s a l ： c t r ) 。c t r 同样具有时问聚焦和空间聚焦特性，但不是直接使用探测脉冲得到的 电子科技大学硕士学位论文 时间反演信号) ，( - f ) ，而是对信道冲击响应 ( f ) 进行反演操作，利用信道冲击响应 的时间反演信号j | i ( o ) 对调制信号进行预处理。由于无线信道的冲击响应在一般情 况都是未知的，所以，c t r 系统在得到接收信号y ( f ) 后，通过一个较为复杂的算 法，如c l e a n 算法，提取出无线信道的冲击响应 ( f ) ，j i i ( f ) 为实际物理信道 0 ) 的 估计，左( f ) ( f ) 。 因此，c t r 在系统结构上与传统的接收机、w t r 都不相同。c t r 将二进制 0 ，1 ) 符号调制到一个指定的理想脉冲波形上。但是，这些经过调制的信号并不是直接 发射出去，而让它们经 ( o ) 预处理后再发射，如图2 2 所示。 p ( f ) 图2 2c t r - u w b 无线通信实验系统 在对c t r 系统分析中可知，精确、有效地提取信道冲击响应是核心问题，在 此，本实验系统采用了c l e a n 算法来实现信道冲击响应的提取。c l e a n 算法是 一种非线性迭代方法，用来解决去卷积问题，最早用于天文学中的图像合成，现 仍在天文学领域占有重要地位【2 5 】。 将c l e a n 算法用于时域范围内的数据处理，进行去卷积运算，具有很高的精 确度。在无线通信中，接收信号会叠加噪声，当多径分量不重叠，各分量时间延 迟较大时，c l e a n 算法提取的信道冲击响应与实际信道冲击响应的误差会很小。 但当多径分量发生重叠时，由于噪声的影响，此时c l e a n 算法提取的误差将加大， 且重叠越严重，噪声越大，差别越明显。简而言之，在对信道冲击响应的提取中， 多径分量的重叠程度是影响c l e a n 算法的计算精度的主要因素。然而，u w b 信 号由于本身的时间分辨率就很高，与其他信号相比，多径分量的程度与概率都大 大减小了，因此，选择c l e a n 算法来提取u w b 系统中的信道冲击响应是非常合 适的。 c l e a n 算法提取 ( f ) 的流程图如下所示： 第二章t r - u w b 无线通信的基本原理及关键技术 图2 3c l e a n 算法流程图 其中，m a ) 【( k ) 与m a ) ( ( 勺) 分别代表自相关函数o ( f ) 与互相关函数勺( f ) 的最大值， 吒为勺( f ) 取最大值时对应的时刻点。 2 3t r u w b 无线通信的调制方式 u w b 最传统和最常用的技术是i r ，即发射极窄的时域脉冲。而传输数据符号 需要对脉冲进行调制，其调制方式也有很多种。其中最常用的两种调制方式是脉 冲位置调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ：p p m ) 和脉冲幅度调制( p u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ：p a m ) ，本实验系统采用p p m 。 当服务端得到时问反演信号y ( 一t ) 或 ( 一t ) 后，即进入无线信息传输阶段。假设 9 电子科技大学硕士学位论文 待发信息为二进制比特序列为q ，数量为。 在p p m 调制下，w t r - u w b 的发射信号可表示为： ( f ) = y n ) 宰8 ( t - j t 一口，g ) 1 = 0 r - i - p ( 一f ) j i l ( 一f ) + 刀( 一f ) 卜8 ( t j r f - - a j c ) ( 2 - 4 ) 1 = o _ ，- i- i = ( - f ) 木e p ( - t + j t f + a s ) + n ( - t + j t z + a ，s ) c t r - u w b 的发射信号可表示为： n - i s 锄( t ) = f k - t ) 掌p ( f ) 木_ s ( t - j t - a s ) 1 = o ，一i = 石( - f ) 毒2 p ( t ) 牛8 ( t - j t f - a l e ) ( 2 - 5 ) y = o ，一i = 石( 一f ) 枣p ( t - j t r 一口，s ) 传统u w b 的发射信号可表示为： ，一l s n o r m a ) = p ( f ) 奉z a ( t - j t 一口，g ) 1 = o 一l = p ( f ) 8 ( t - j t i - a j e ) j = o 一l = , p ( t - j t - a f ) j = o ( 2 - 6 ) 其中，代表帧数，i 代表帧周期，s 则是p p m 调制引起的位移量。从上述三式 中可以看出，w t r u w b 采用t r 信号) ，( 一f ) 作为信息载波，c t r - u w b 采用估计 得到的信道冲击响应 ( 一t ) 对信息载波进行预均衡处理，而在传统u w b 通信系统 中，则直接采用理想脉冲波形p ( t ) 作为信息载波。因此，三者在信息调制载波上 存在明显差异。同时，这也是t r u w b 区别于其他通信系统的一个重要特征。 当u w b 信号发射之后，在空间中经过无线传输，得到的接收信号分别为： l o 第二章t r - u w b 无线通信的基本原理及关键技术 ( f ) = j i l ( f ) 幸( f ) + 力( f ) = h ( - t ) 幸p ( 一f + 玛+ 巳占) j = o + i i l o ) 芝 + a j s ) + 以( f ) ( 2 - 7 n ( - t + j t f ( z - ) 、+ i i l o ) s ) + 以( f ) j = o = 毛( f ) 簟p ( - t + j t z + 口，占) + 磊( f ) 1 = o 七豫( f ) = h ( t ) * s c r r ( t ) + n ( t ) = h ( - t ) p ( t - j t ：- a j c ) + n ( t ) ( 2 8 ) y = o = 民( f ) 幸p ( t - j t z a ，s ) + n ( f ) r o r 。) = j i l ( f ) 幸。，( f ) + 以( f ) ：幸n - i - a j s ) + 以( f ) ( 2 - 9 p ( t - j t ：( z - v 、)= o ) 幸 s ) + 以( f ) 1 = o 式中，将吃( f ) 称为t r - u w b 无线通信系统的等效信道冲击响应，其表达式如下： r h ( t ) = ( f ) 宰 ( 一f ) = ( 毒q 万。一一) ) i ( 主吼万( 一_ 气：) 。2 。， = 妻嘶2 万( ，一乃) 谚( 。一乃) + c 6 a k 6 ( t 一乃) 木3 ( - t t ) = 厂( f ) + g ( f ) 其中， 厂( f ) = lq 2 艿( 一f 一乃) 硒o 一一) ，l i = 壹嘶2 f = ：万( 一f 一乃) 万( f f r ，) d r ( 2 i i ) ，= i = 圭钙2 占( f ) 电子科技大学硕士学位论文 工工 - y q 吼亡艿一气) 8 ( t - r - r 1 ) d r ( 2 - 1 2 ) i = lk = 1 t 一 工 = q 畋万( 卜q + q ) i = ik = 1 i 甜 从上述公式中可以分析得知：式( 2 1 0 ) 中的第一个求和项f ( t ) 是各个传输路径 的自相关函数的叠加，当t = 0 时，厂( f ) 取得最大值，且最大值与各多径分量的时 延q 无关。第二个求和项g ( f ) 是接收波形的副瓣，等于各个不同传输路径的互相关 函数之和，在多径非常丰富的情况下，此项因非相干叠加抵消后趋向于零，由此， r ( f ) 形成一个单峰值函数。所以，当每个信息调制脉冲经过等效信道后，u w b 信道原有产生的多径分量不再分散在时间轴上，而是在该函数作用下聚焦于同一 个时刻点，形成一个高强度的时间聚焦脉冲。由于在t = 0 时刻各个传输路径的自 相关函数都达到最大值，因此r ( f ) 大部分能量在时间上聚焦在此时刻，并且幅度 达到峰值，这就是t r 技术的时间聚焦特性。同时，由式( 2 1 1 ) 中可知，r ( f ) 的聚 焦峰值大小一定程度上与传输路径的数量成正比，多径分量越丰富，信号的聚焦 峰值就越大。 由此，体现出t r 技术在u w b 无线通信应用中具有巨大优势：首先，可以简 化接收机设计。因每个信息脉冲只对应一个单主峰脉冲，所以可采用结构简单、 成本低廉的单抽头接收机；其次，时间聚焦能将多径能量自动汇集于接收机，使 接收信号能量和信噪比得到大幅提升。同时，t r 还能有效地压缩多径时延扩展、 降低符号间干扰。 如果传输信息被其他用户接收到时，由于该用户与服务端之间的信道冲击响 应，( f ) 和目标用户与服务端之间的信道冲击响应 ( f ) 不相同，则h o 曲，( f ) * h ( - t ) 是各个不同传播路径的非相关叠加，因此接收信号，( f ) 会很微弱。也就是说，在客 户端为多用户时，某个用户发射探测脉冲给服务端，经过时间反演发射回来后， 除了目标用户外，其他用户的接收信号都会很微弱，这就是t r 技术的空间聚焦特 性。 1 2 0 一一万 幸 i o 万 吼q 工州 工m = og 第二章t r - u w b 无线通信的基本原理及关键技术 2 4t r u w b 无线通信的检测过程 2 4 1 同步 当接收到数据并保存后，必须先对数据进行同步处理，才能提取出有效的传 输信息。本实验系统中，采用在传输信息前加一段超短脉冲序列作为同步头来实 现同步工作。同步头可表示为： 纠 ( f ) = 万o 一) ( 2 - 1 3 ) j = 乜 其中，为同步头的帧周期，k 为脉冲个数。为了保证同步过程的顺利完成，有 两个条件：以弓，以为自然数；并且 弓。 因此，同步头卷积不同通信系统的信息载波后，以w t r u w b 为例，得到的 发射信号可表示为： s ( f ) = s p u o , ( t ) * y ( 一t ) 0 s w t r ( f ) o t s