（通信与信息系统专业论文）超宽带无线通信接收技术的研究与仿真.pdf

中国科学技术大学硕士毕业论文 摘要 摘要 超宽带无线通信是近年来无线通信学术研究和实用化开发的技术熟点超宽带无线通信 信号具有频谱很宽、功率谱密度极低、传输速率高、多址容量大等特点。在频谱资源日益紧 张、传输速率要求不断提高的今天，超宽带无线通信为共享频谱、高速率无线通信提出一种 新的解决方式，尤其适用于密集多径环境中的短距离无线通信。 本文以超宽带无线通信的一种实现方式脉冲无线电通信系统作为研究对象，致力于 研究基于脉冲无线电技术构建的无线局域网的物理层传输技术，研究内容的核心是脉冲无线 电通信的接收技术。本文改进了一种单支路锁相环相关接收机模型：在此基础上提出双支路 正交相关接收机的模型，深入讨论双支路接收机的工作原理：给出了一个脉冲无线通信的传 输系统的仿真模型，对于部分系统设计的参数给出理论依据，在不同多径环境下做了仿真计 算。 本文的主要内容和完成的工作如下： ( 1 ) 由于高速率的传输和极窄脉冲，传统的抽头延迟线加匹配滤波器的接收方式对于超 宽带无线通信很难实现。我们改进一种使用单支路模拟锁相环电路的捕获方法，对 于使用最优模板和正弦模板的脉冲无线电接收机做了性能比较，分析了基于锁相环 的捕获电路工作原理和捕获过程。在此电路的基础上提出了二分搜索法获取脉冲无 线信号帧定时和脉冲位置的算法。 ( 2 ) 基于单支路模型的相关接收机，提出了双支路正交相关接收机的模型，从理论上分 析了正交相关接收机的工作原理和噪声的影响给出了严格推导过程。提出正交相 关接收机的捕获算法，同时给出接收机在噪声环境下的数学模型，分析了这种算法 的性能。给出脉冲信号调制系数选择的理论依据。 ( 3 ) 给出了一个完整的脉冲无线电通信传输系统的仿真模型，讨论了系统的信道模型、 工作流程和实现算法。主要讨论了部分和接收机相关的仿真模型参数的设计和具体 实现，包括调制方式、数据帧、同步帧、跳时码的选择、脉冲波形的选取、接收机 频率以及物理帧结构等。 ( 4 ) 给出了多径环境下双支路正交相关接收机的捕获算法，跟踪主径信号，多径合并以 及数据解调的处理方法。讨论了多径分辨的效果和不足，最后给出了整个系统在四 种多径环境下的工作误码率曲线以及与高斯加性噪声信道的比较。 i 中国科学技术大学硕士毕业论文 摘要 我们首次对于超宽带无线通信提出了的采用正弦信号正交相关接收技术，并在此基础上 对于超宽带通信传输仿真模型的帧结构、脉冲波形、调制方式、调制系数等参数的设计给出 了理论依据和具体实现，通过对不同多径模型仿真结果表明接收机结构和参数设计是非常有 效合理的，达到了预期的设计目的。 论文最后总结了脉冲无线电接收机的研究过程中出现的问题和不足，并对进一步的研究 提出了展望。 【关键字】超宽带脉冲无线电模拟锁相环正交相关接收机多径 璺型兰苎查查兰堡圭兰些垒苎 垒塑型 a b s t r a c t i nt h e s ey e a r su l t r a - w i d eb a n d ( u w b ) c o m m u n i c a t i o nb e c o m e s ak e yt e c h n o l o g yo fw i r e i e s s c o m m u n i c a t i o ni na c a d e m i cr e s e a r c ha n d p r a c t i c a ld e v e l o p m e n t u w bc o m m u n i c a t i o nh a sv i r t u e s o fv e r yw i d es p e c t r u m ，l o wp o w e r s p e c t r t t md e n s i t y , h i g ht r a n s m i s s i o nr a t e ，h i g hm u l t i - a c c e s s c a p a c i t ya n ds oo n t o d a yw h e nw ea r ci nd e f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s ss p e c h u mr e s o u r c ea n da r e r e q u e s t i n gh i g h e ra n dh i g h e rt r a n s m i s s i o nr a t e ，i ti su l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o nt h a tg i v e su s an e w w a y t os h a r es p e c t r u ma n dc o m m u n i c a t ei nh i g h r a t e ，e s p e c i a l l yi nt h ei n d o o re n v i r o n m e n t o f d e n s em u l t i p a t h i nm y p a p e r , t h ec o r ec o n t e n ti st h er e c e i v i n gt e c h n o l o g yo fi m p u l s er a d i o ( i r ) ，af o r mo fu w b c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ep h y s i c a ll a y e ro fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w l a n ) b a s e do ni r t e c h n o l o g y ac o r r e l a t i o nr e c e i v e rb a s e do na n a l o gp l l i sp r e s e n t e d ，a n dt h e nw e p r o p o s eak i n d o fo r t h o g o n a ls i n u s o i d a lc o r r e l a t i o nr e c e i v e r w ed i s c u s st h e p r i n c i p l eo ft h i sr e c e i v e ra n d d e s i g n as i m u l a t i o nm o d e lo fi rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m w eg i v et h e t h e o r y e x p l a n a t i o no fs o m ep a r a m e t e r so ft h em o d e la n ds i m u l a t et h em o d e lu n d e rd i f i e r e n tm u l t i - p a t h e n v i r o n m e n t s f o l l o w i n g a r et h em a i nw o r ko f t h i st h e s i s ： ( 1 ) b e c a u s eo fh i g hd a t ar a t ea n dv e r yn a r r o wp u l s e ，i ti sh a r dt or e a l i z et r a d i t i o n a lr e c e i v i n g t e c h n o l o g y w ei m p r o v e a na c q u i s i t i o nm e t h o db a s e do i la n a l o gp l lc i r c u i t t h ep e r f o r m a n c e o fc o r r e l a t i o nr e c e i v e r sb a s e do no p t i m u m t e m p l a t ea n ds i n u s o i dt e m p l a t ei sc o m p a r e d w e a n a l y z ep r i n c i p l ea n da c q u i s i t i o np r o c e s s i n go ft h ea n a l o gp l l c i r c u i t t h e na b i n a r ys e a r c h a l g o r i t h mt og e tt h et i m i n g o f f r a m ea n dt h ep o s i t i o no f p u l s ei sp r e s e n t e d ， ( 2 ) b a s e do nt h es i n g l eb r a n c hr e c e i v e r , w ep r o p o s e da no r t h o g o n a lc o r r e l a t i o nr e c e i v e rw i t h d o u b l eb r a n c h e s ，i nt h e o r yw ea n a l y z ei t sp r i n c i p l ea n dt h ei m p a c to fn o i s ew i t hr i g o r o u s m a t h e m a t i c sd e d u c t i o np r o c e s s t h e nw ep r o p o s et h ew o r kp r o c e s so ft h i sr e c e i v e ra n d p r e s e n tm a t h e m a t i c sm o d e l so f t h e r e c e i v e ri nt h en o i s ee n v i r o n m e n ta n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h i sr e c e i v e r w ea l s og i v et h et h e o r ye x p l a n a t i o no ft h ev a l u eo ft h em o d u l a t i o ni n d e x p a r a m e t e r ( 3 ) ac o m p l e t es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m i s p r e s e n t e d a n dt h ec h a n n e lm o d e l ，w o r kf l o wa n dr e a l i z a t i o na l g o r i t h ma r ea l l l i s t e d ，w e f o c u so ns u c h p a r a m e t e r so f t h es i m u l a t i o ns y s t e ma sm o d u l a t i o n ，d a t af l a m e ，s y n c h r o n i z a t i o n f r a m e ，t i m eh o p p i n gc o d e ，t h es e l e c t i o no fp u l s ew a v e f o r m ，t h ef r e q u e n c yo fr e c e i v e r , t h e s t r u c t u r eo f p h y s i c a lf r a m ea n ds oo n ( 4 ) w ep r o p o s e dt h ec a p t u r e m e t h o do fo r t h o g o n a lc o r r e l a t i o nr e c e i v e r i nt h e m u r i p a t h 中国科学技术大学硕士毕业论文a b s t r a c t e n v i r o n m e n t t h ep r o c e s s e s o f t r a c i n gm a i np a t hs i g n a l ，m u l t i - p a t hc o m b i n a t i o n a r ed i s c u s s e d a n dt h es h o r t a g eo f m u l t i - p a t hp r o c e s sj sa l s od i s c u s s e d a tl a s tw ep r e s e n t e dt h er e s u l t so f m o d e lu n d e rf o u rm u l t i p a t hm o d e l sa n dc o m p a r et h e mw i t ht h a to f a w g nc h a n n e l w ef i r s t p r o p o s e t h e o n h o g o n a l c o r r e l a t i o n r e c e i v i n gt e c h n o l o g y t ob e u s e di nu w b c o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h a t ，w eg i v et h et h e o r ye x p l a i n a t i o na n dv a l u e so f t h e p a r a m e t e r so f t h e s i m u l a t i o nm o d e lo f t h ei rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，s u c ha sm o d u l a t i o n ，d a t a f r a m e ，s y n c h r o n i z a t i o nf r a m e ，t i m eh o p p i n gc o d e ，t h es e l e c t i o no fp u l s ew a v e f o r m ，t h ef r e q u e n c y o fr e c e i v e r , t h es t r u c t u r eo f p h y s i c a lf r a m ea n ds oo n p r o v e db y t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ，w e f i n di ti sv a l i dt ou s et h eo r t h o g o n a lc o r r e l a t i o nr e c e i v i n gt e c h n o l o g yi nu w bc o m m u n i c a t i o n m a n y r e s u l t si sa 局r m e di nt h eb i do f8 6 3p r o j e c to f u l t r a - w i d eb a n dc o m m u n i c a t i o n a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，is u mu pt h ep r o b l e m sa n dd e f i c i e n c yo fm yr e s e a r c hw o r ko ft h ei r r e c e i v i n gt e c h n o l o g y a n ds o m et o p i c sd e s e r v i n gf u r t h e r c o n s i d e r a t i o na n dr e s e a r c ha l ea l s o m e n t i o n e d k e yw o r d u l t r a w i d eb a n d ，i m p u l s er a d i o ，a n a l o gp l l ，o r t h o g o n a lc o r r e l a t i o n r e c e i v e l m u l t i - p a t h 生里型堂垫查查堂塑土兰、业堡兰 ：塑二里塑变望垄垡望堕塑堡 第一章超宽带无线通信概述 1 1 超宽带无线通信的发展 近年来超宽带无线通信成为通信领域一个新的研究热点。无线电通信的历史渊源，可以 追溯到一百年前马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带u w b ( u i t r a w i d e b a n d ) 无线电通信技术，白1 9 6 0 年随着美国军方对新的军用雷达技术的研发应运而生，这 项技术一直仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面，其研究和和应用一直在美国 军方的支持f 秘密进行。直至上个十 = 纪末，u w b 技术逐渐转向民用。1 9 9 3 年m z w i n 和 r a s c h o l t z 的论文提出了跳时多址的脉冲无线电( r m p u l s er a d i o ) 的概念哆才揭开了这项技 术神秘的面纱。从此u w b 技术引起了学术界的广泛关注，对于超宽带通信各个方面的研究 也逐渐深入的开展起来。 从此以后，u w b 的民州、商用化便开始进行。自1 9 9 8 年起，美国联邦通信委员会( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e ：f c c ) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相 互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况r ， f c c 仍开放了u w b 技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明此项技术所具有的 j “阔应用前景和巨大的市场诱惑力。 为了促进并规范u w b 技术发展，2 0 0 2 年4 月f c c 发布了u w b 无线设备的初步规定1 ”， 并重新对u w b 做了定义，根据f c c 的定义信号的带宽大于5 0 0 m h z ，或者其相对带宽大 于0 2 都叫做u w b 通信。这里相对带宽的定义为 b ：厶二五：垃 u h 七 i j ) 2 ： 其中厶和五分别是信号的高端和低端频点( 按- l o d b 计算) ，而对于一般的窄带( n b ) 通 i l 、 圈1 - 1n b 与u w b 信号的频谱 中囤科学技术大学坝士毕业论文 第一章超宽带无线通信 l 迷 信系统，相对带觉一般小丁l ，如图1 1 所示。可见f c c 定义的u w b 已经不仅限丁最初 脉冲无线l h ( i r ) 的形式，而是包含了满足f c c 定义( 带宽大3 - 5 0 0 m h z 或者相对带宽人 于0 2 ) 的无线通信形式队5 ，6 - 1 。 1 2u w b 的特性和优点 u w b 通信之所以引起人廿j 的高度重视是因为它如下的特性和优点。 ( 1 ) 传输速率高、系统容量大，系统相对简单，成本低，功耗低 u w b 通信利用超宽带的优势，传输速率可达l g b p s 以上，系统容量很大。传统的无线 通信系统因为频带窄，要实现l o o m b p s 以上的高传输率，必须采用高阶调制等方法达到较 高的频带利用率，这就对信噪比提出很高的要求，同时提高了系统的复杂性。而u w b 带宽 很宽，及时传输速率达n tl g b p s ，频谱利用率仍然不高，可以在较低的信喋比下实现可靠 传输，理论上使得系统在获得同等传输效率时，付出较小实现的代价。此外u w b 的发射功 率收到严格限制，频带宽度1 5 0 0 m h z 的u w b 系统，其发射功率不得超过9 5 4 d b m l 8 , 9 1 ，所 以u w b 系统的发射功耗和成本也很低。 ( 2 ) 共享频谱资源 无线通信技术日益发展的今天，频谱资源日趋紧张。u w b 技术一种新的、与其他系统 共享的方式使用频谱”1 。它的频谱从3 g h z 到11 g h z ，宽度高达7 到8 g h z ，而且不需划分 特定、专有频段。同时在低信噪比下实现可靠传输，避免了对其他系统的干扰，这样使用频 谱，在频谱资源非常紧张的今天有非常重要的意义，这也是u w b 通信兴起的重要原因。 ( 3 ) 信号衰减小，穿透能力强i 采用基带脉冲形式的u w b 信号，与采用正弦载波的传统无线通信信号的衰减特性不 同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波，在自由空间的衰减与距离的平方成反比，在室内 多径的情况下，衰减与距离的3 4 次方成反比。而u w b 信号采用定向瞬间脉冲，有很强 的方向性，同锊功率下比球面波衰减更小。此外由于基带信号有丰富的低频分量，有很强的 穿透性，为室内环境莆i 透视成像提供了应用空间。 ( 4 ) 定位精度高、多径分辨率高 信号的定位精度与其带宽的宽度成反比关系，比如脉冲无线屯( i r ) 信号脉冲宽度是亚 纳秒级，信号带宽达l i j j l 个g h z ，因此能实现很高的定位精度，同时极窄的脉冲信号使得 j r 的信号具有很高的分辨率，可以使通信系统更充分的利用多径能越解调数据。 2 中国科学技术人学硕上毕业论文 第一章超宽带无线通信概述 ( 5 ) 保密安全性能好 u w b 通信系统发射功率很低，频谱很宽，因此功率谱密度可以极其低，甚至低丁环境 噪声电平，被截获检测概率很低，同时u w b 的脉冲位置阑制加入了扩频通信的跳时技术， 接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据，进一步提高了的保密性能。 1 3u w b 通信的实现方式 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，后者是f c c 规定了u w b 通信的频谱使用范嗣和功率限制后，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 通信又可分为单带和多带两种形式。 ( 1 ) 脉冲无线电1 2 】 脉冲无线电( i r ) 是u w b 通信最早的实现方式，通信时利用宽度在纳秒和亚纳秒级的 基带窄脉冲序列进行通信。通常通过脉冲位置调制( p p m ) 、二进制相移键控( b p s k ) 、脉 冲幅度调制( p a m ) 等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用不同波形，如高斯波形，升余 弦波形甚至多脉冲的形式等。图1 2 为一个典型高斯脉冲的时域波形和其功率谱密度图i 】“。 八 iv l 卜5 赫一 a ) 时域波形b ) 功率谱密度 图1 - 2 脉冲波形和频谱图 8型6 釜i8 wl1 7 i _ 弓 图1 - 3 等间隔脉冲 图1 - 3 画出的是等间隔脉冲串的波形。我们可以看到，脉冲无线电信号是e h 单周期脉冲 ( m o n o c y c l e ) w ( f ) 组成的脉冲序列。弓为脉冲重复时间，乙是脉冲宽度，在实际通信时， 中国科学技术大学硕士毕业论文 第一章超宽带无线通信概述 每个脉冲还要加一个跳时的延迟。脉冲无线屯通信的信号空比很小，脉冲很窄，所以有很 强的多径分辨能力和抗多径性能。因为不需要调制载波，使得收发机的结构简单，功耗低。 ( 2 ) 单带载波方式m 采用单载波方式的u w b 通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通信。 这里以x t r e m e s p e c t r u m 公司的向8 0 2 1 5 3 a 任务组提交的单载波d s c d m a u w b 方案为例， 介绍单载波u w b 的通信方式。 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 15 g h z ( 低频段) 和5 8 2 5 1 0 6 g h z ( 高频段) 。两个频段之间没有利用 是为了避免和使用u - n i l 频段的其他系统干扰。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。 单载波d s c d m a 方案是用具有低互相关性的三进制码作为扩频码，码长是2 4 。系统 中采用m 进制的双正交键控( m - b o k ) 以提高数据的速率。发送波形为平方根升余弦( r r c ) 波形。图1 4 为单载波d s c d m a 系统发送端的简化框图。以低频段、1 1 4 m b p s 数据速率为 例，表1 - 1 给出了系统主要参数。 图1 4 单载波d s c d m a 方案发送端简图 表i - 11 1 4 m b p s 速率单载波d s - c d m a 方案参数 参数数值参数数值 r p c 带宽 1 3 6 8 g h z 载波频率 4 1 0 4 g h z 码片速率 1 3 6 8 g h z调制方式b p s k 扩频码长 2 4扩频码类型8 一b o k 符号速率 5 7 b m p s 信道编码2 3 速率卷积码 单载波d s c d m a 方案可以支持最多8 个微微网( p i c o n e t ) 同时工作，其中4 个工作 在低频段，另4 个工作在高频段( 频分复用，f d m ) 。同一频段4 个p i c o n e t 使用不同的扩 4 中国科学技术大学硕士毕业论文 第一章超宽带光线通信概述 频码集合以相互区分( 码分复；q j ，c d m ) 。在一个p i c o n e t 内部，各个_ | = j 户以时分i l ：( t d m a ) 的方式共享信道，与8 0 2 1 5 3 的m a c 层协议兼容。 ( 3 ) 多带载波方式 多载波方式将u w b 频谱划分为多个子频带，每个子频带的宽度一般等于或者稍大于 5 0 0 m h z 。信号被调制到一个或者多个予频带内传输。通过多带的方式可以更加灵活的利片j 频谱资源，提高频率的利用率。调制在一个子频带内的信号可以使频谱宽度与子频带带宽相 当的单脉冲信号，也可以使其他形式。典型的应用如t i 等公司向8 0 2 1 5 3 a 任务组提交的多 带时频交织o f d m ( m b t f i o f d m ) 方案。 研究表明，室内u w b 信道是个密集多径的信道。径与径之间的间隔在纳秒量级，而 相邻径之间的幅度、相位可能变化很大，有效地多径时延可达1 0 0 纳秒左右。采用o f d m 技术，能够简单有效地收集多径能量提高，系统性能。另外o f d m 信号具有接近矩形的频 谱函数，频谱利用率很高。此外还可以通过调节o f d m 子载波的发射功率，在个子带内 更加精确的控制信号的频谱形状，从而更加高效避免与其他系统产生干扰。 表1 - 2 对于i r 的t h p p m ，单载波d s c d m a 和m b t f i o f d m 三种u w b 方案进行 了比较。 表1 - 2 三种u w b 方案的比较 方案名称脉冲无线电单载波 m b t f l o f d m t h p p md s c d m a 是否有载波调制否否 相对复杂度低向 相对功耗低 满足f c c 规定否是 频谱利用效率较低一般高 定位精度较高 一般 1 4u w b 技术的应用与现状 鬲屯 u w b 无线通信技术的主要功能是定位功能和无线通信。进行告墀无线通信( 速率在 1 0 0 m b p s 以上) 时，传输距离较近，一般在1 0 2 0 米左右；进行较低速率的无线通信和定 位时，传输距离可增长。特别是采用脉冲无线屯方式时，具有较强的穿透性，可以穿透数层 中圉科学技术大学顺士毕业论文 第一章超宽带无线通信概述 墙壁进行通信、定位或成像。与全球定位系统( g p s ) 相比，u w b 技术的定侮精度更高。 可见u w b 可应用于无线多媒体局域网，家域网个域网中，雷达定位平【i 成像系统智能交通 系统以及应用丁军事、公安、救援、医疗、测量等诸多领域。 u w b 这项新兴的技术在国际上已经掀起了研究币i 发展的热潮，吸引了诸多业界巨头、 研究机构参与其中。 规范化方面，美国f c c 与2 0 0 2 年4 月发布了对民用u w b 系统的初步规定，标志着 u w b 技术正式进入民用领域。此有欧洲、日本、新加坡的有关部门也针对本国的本地区的 情况，着手进行u w b 通信的规范化工作。国际上u w b 通信的标准化工作主要集中在i e e e 8 0 2 1 5 工作组内进行，其中t g 3 a 任务组进行高速w p a n 物理层可选( a l t e r n a t i v e ) 标准可 选标准的研究工作。这两个工作组研究组主要考虑的技术都是u w b 。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7 月，在收到来臼各个公司、研究机构的2 3 份提案，对于各种多带脉冲方案和t 1 的多带o f d m 方案进行了合并，形成了m b t f i o f d m 方案，相关公司也组成了多带o f d m 方案联盟m b o a ( m u l t i b a n do f d m a l l i a n c e ) 。 1 5u w b 的关键技术 虽然u w b 通信有了一些验证的通信模型，但是还未有实用化的产品，应用化研究的课 题尚多，主要的技术研究大致有以下各方面： ( 1 )射频电路技术【1 5 j 6 1 射频电路系统包括u w b 信号波形的设计和产生、数据调试方式和实现技术、发射机， 接收机射频通道的结构和电路实现、电路与器件的工艺和集成技术方面。射频子系统完成 u 、帽脉冲信号而非传统正弦窄带信号的传输和变换。它要求通道具有良好的橱频和相频特 性，同时系统的时频瞬态特点要求系统设计更多的考虑时频特性。此外。u w b 系统的在电 路结构、电路工艺、集成方法等多个方面还需考虑低复杂度、低功耗、低成本的特点和要求。 ( 2 )超宽带天线州 超宽带天线理论和设计与传统的窄带天线有很大的不同。工作波形是窄脉冲，要求在一 定区域内脉冲辐射场的波形不发生严重的畸变。这包括两个方砸的要求：一是天线的阻抗带 宽必须满足u w b ，保证信号的能量有效地辐射出去：二是辐射、接收的特性上的要求。因 为脉冲的带宽特点，辐射和接收中不可避免的存在色散的影响，脉冲的时域形式随着时间、 空间的变化也将发生变化。为了减小色散上的影响，要求天线的相位中心具有超宣频带不变 6 中国科学技术大学硕十毕业论文 第一章超宽带无线通信概述 的特性。 ( 3 ) 信道模型【1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】 超宽带系统主要使用在室内短距离的环境中，收发端机相对静i r 或相对运动缓慢。因此， 信道是缓变信道。此外，由于信号的脉冲很窄，造成接收到的信号多径数目多，多径扩展远 远超过符号周期。这是传统无线通信所不具有的的特性。信道模型一直是u w b 通信的研究 重点。 ( 4 )编码技术【2 2 】 u w b 系统主要被定位于在室内环境中应用，这是一个典型的多径信道，严重的多径干 扰必然会带来比普通无线通信系统更高的误码率，因此我们选取编码方式的时候应该把纠错 能力放在首要的考虑位置，比如l d p c 编码。采用跳时技术的脉冲无线电通信对于跳时码 的相关性、随机性等方面也提出了很高的要求 2 3 , 2 4 1 ，这关系到系统的多用户性能、抗多址性 能、保密性等性能。 ( 5 )同步技术【2 5 1 不同体制的超宽带通信系统的接收方式有很大的不同，但对快速精确的系统同步和多径 接收的要求是相同的。u w b 通信信号的脉冲非常狭窄，因此对于t i m e j i t t e r 非常敏感；密集 复杂多径信道模型，导致捕获难度大大提高。单载波系统，频移会造成信号的衰减和相位旋 转，需要通过均衡算法来克服。而对于o f d m 系统载波的频羞会引起信道间干扰( i c i ) ， 并导致误码率大大提高，直接关系多载波通信的实用性。因此，同步技术是u w b 通信技术 的核心。 ( 6 ) 兼容性【2 6 2 7 】 u w b 通信系统提供了一种新的频谱资源共享方式，因此要求它与现有的各种通信系统 之间影响尽可能减小。既不能使u w b 系统干扰现有系统比如g p s 、1 s 9 5 等，也要保证u w b 系统在与现有系统并存的情况下稳定工作。 此外，u w b 通信其他研究热点还包括雷达的测距，以u w b 方式为物理层传输介质的 网络上层协议设计，使用现有技术融入u w b 技术，等等。 1 6 课题研究内容 本文主要研究使用脉冲无线电( 1 r ) 的超宽带通信根据脉冲无线电信号的数据模型改 进了基于模拟锁相环电路的同步方法。该方法有单支路、双支路两种模型，可以完成对脉冲 7 中国科学披术大学烦士毕业论文 第一章超宽带无线通信概述 无线电信号脉冲定位、帧定位和时钟同步的功能。与传统的抽头延迟线和信号模扳相关匹配 相比，该方法具有实现结构简单、捕获快速、精确的优点。并在此电路基础上提出了多径搜 索、合并、数据解调、相位补偿等方法和一个通信仿真系统的部分设计，对于脉冲无线电通 信的实用化具有非常重要的参考价值。 本文主要的研究内容如下： ( i ) 由于高速率的传输和极窄脉冲，传统的抽头延迟线加匹配滤波器的接收方式对于超宽带 无线通信很难实现。我们改进一种使削单支路模拟锁相环电路的捕获方法，对于使用最 优模板和正弦模板的脉冲无线电接收机做了性能比较，分析了基于锁相环的捕获电路工 作原理和捕获过程。在此电路的基础上提出了二分搜索法获取脉冲无线信号帧定时和脉 冲位置的算法。 ( 2 ) 基于单支路模型的相关接收机，提出了双支路正交相关接收机的模型，从理论上分析了 正交相关接收机的工作原理和噪声的影响，给出了严格推导过程。提出正交相关接收机 的捕获算法，同时给出接收机在噪声环境下的数学模型，分析了这种算法的性能。给山 脉冲信号调制系数选择的理论依据。 ( 3 ) 给出了一个完整的脉冲无线电通信传输系统的仿真模型，讨论了系统的信道模型、工作 流程和实现算法。主要讨论了部分和接收机相关的仿真模型参数的设计和具体实现，包 括调制方式、数据帧、同步帧、跳时码的选择、脉冲波形的选取、接收机频率以及物理 帧结构等。 ( 4 ) 给出了多径环境f 双支路正交相关接收机的捕获算法，跟踪主径信号，多径合并以及数 据解调的处理方法。讨论了多径分辨的效果和不足，最后给出了整个系统在四种多径环 境下的工作误码率曲线以及与高斯加性噪声信道的比较。 我们提出的两种捕获模型经过仿真计算的结果分析表明具有较好的性能。给出的i r 无 线传输系统的仿真模型及其仿真结果达到8 6 3 的u w b 项目设计要求，评审专家组的认为在 接收机的关键技术较有新意，对于u w b 无线通信的实用化具有的参考价值。 1 7 论文结构 本文的主要结构安排如下。 第一章是超宽带无线通信的概述，介绍超宽带无线通信的历史、发展和现状：给出三个 超宽带无线通信的实现：对超宽带无线通信的关键技术做了说明；并对本人的工作和论文内 中固科学技术大学硕二l 毕业论文第一章超宽带无线通信概述 容做了介纠。 第二章是脉冲无线电的相关理论。本文研究的超宽带无线通信是脉冲无线电形式的。这 章讨论了脉冲无线电信号、脉冲波形和多用户的数学模型，讨论脉冲无线电的传统的接收方 法和多址性能。 第三章介绍了基于模拟锁相环的单支路接收机模型，利用脉冲波形和正弦信号的相似性 以及锁相环电路的工作原理实现脉冲无线电信号的捕获、跟踪和解调。并在此基础l 提出了 二分搜索确定脉冲位置和预测解调的算法，最屙分析仿真的结果。 第四章提山了双支路正交接收机的模型，从数学上严格证明正交接收机的工作原理，给 出了接收机的捕获、跟踪和多径搜索的算法，推导出接收机工作在不同状态时检测量的数学 模型。 第五章给出了一个完整的脉冲无线电通信的仿真系统，主要讨论系统跳时码、脉冲波形、 数据帧和物理帧结构等参数的设计和选择、同时描述了正交接收机多径合并、数据解调的工 作过程。 最后对接收机的同步技术和仿真系统的研究中出现的问题进行了总结，并对后继的研究 1 作提出了新的展望和看法。 9 中周科学技术大学硕、 ：毕业论文 第二章脉冲无线电通信的基i ；牟= 理论 第二章脉冲无线电通信的基本理论 超宽带无线通信概念的提出就是基于脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 这种通信方式，本章 简要介绍脉冲无线电的基本概念，给出脉冲无线电信号的数学表达式、多用户模型和传统的 接收机模型。 2 1 脉冲无线电的原理 脉冲无线电通信是超宽带通信最早出现的通信方式【3 】，它直接使用基带脉冲进行通信。 其信号波形上是由重复出现相同的基带脉冲构成序列串构成。脉冲的持续时间非常短，典型 的脉冲宽度从亚纳秒到纳秒级。当一个宽度为t 的基带脉冲变换到频域，其能量从直流 ( d c ) 扩展到大约2 ，h z 的位置【2 8 1 。因此无线电信号的能量扩展到一个很宽的频带上( 从 接近直流f j l 个g h z ) ，且具有很低的功率密度谱。在这样一个宽的频带上还有许多其他无 线通信系统，要求它和其它现有的通信系统兼容，互不干扰，因此采用跳时技术和低占空比 的周期脉冲。 脉冲其信号波形上是由重复出现的相同脉冲构成的序列串，脉冲无线电通信调制方式有 低占空比的脉冲位置调制( p p m ) ，b p s k 调制以及b p s k 和p p m 的混合调制【”1 ，采用多进 制的p p m ( m p p m ) 3 0 1 的跳时脉冲无线电技术可以增加单个用户的数据传输率，保持一定 性能的情况下提高系统的多用户容量，还可以通信的抗多径能力。此外，还有一些新的研究 致力于研究使用伪混沌跳时码的p p m 调制的性能川。 2 。2 脉冲无线电信号的数学模型 在一个多址的p p m 跳时脉冲无线电通信系统中，第k 个用户的发送的信号是2 】 ( f ”一，弓一哆i 一占研夕 j ) ( 2 - 1 ) j = 哪 式中的f 1 是第个发送者的时钟，w 。( f ) 是每个周期出现一次的脉冲波形，脉冲宽度是l 。 脉冲的起始与时钟的零点对齐，此处菊，个脉冲出现的位置是，弓+ c i + 万；_ j 。下面 仔细讨论信号表达式中时移的每一个部分。 中国科学技术大学硕士毕业论文 笫二章脉冲无线电通信的基本理论 信号的初始形式是等间隔的脉冲序列w f ，( f 一 ，弓) ，弓是帧周期，也即是脉冲重复周；g j 。 如图2 - l 所示通常帧周期弓是脉冲宽度乙的数十乃至数百倍，构成占空比极低的脉冲串， 使得信号在频域上的功率谱密度非常低。 i叫l 一8 _ - 弓 圈2 - 1 等问隔脉冲 在一个多用户的通信系统中，等间隔脉冲序列形式的信号必然造成灾难性碰撞( c a t a s t r o p h e c o l l i s i o n ) ，而导致通信网的崩溃这种情形常出现在扩频的a l o h a 系统【”l 。因此在多用 户系统中，必须为每个用户分配跳时码。 ( b ) 鱼堕扭然堕 为了避免多用户时的灾难性碰撞，提高系统的多用户性能，为每一个用户分配一个跳时 序列 c 尹) ，跳时序列 弓) 通常是一个随机序列，但是实际上 哆 是一个周期为n p 的伪 随机序列，即c 冀_ 。= c ，i 、，和n p 都是整数。 ) 的码元都在某个整数范围内取值 0 c 瓦，信号“0 ”和1 就相互正交。信号的结构图如2 - i 所示， -vv c ，t 【 2 3 脉冲波形 a l 发送。0 4 的帧结构 b 11 比特教据 图2 - 2信号结构示意图 与传统的各种窄、宽带通信系统相比，脉冲无线电通信直接使用基带脉冲进行通信。信 号的中心频率、带宽、功率谱密度、脉冲成形的难度、功率的峰值一均值比等均依赖于脉冲 波形的设计【3 3 l 。脉冲无线电通信采用的是高斯脉冲 一p h 枷 p ， 经过发射天线和接收天线的两次微分作用，收方接收的脉冲波形是其二阶导数的形式 p c 。= ，一4 万( 丢 2 e x ” 一：万( 毒 2 ) c z a ， ；芝 中国科学技术大学硕士毕业论文 第二章脉冲无线l 乜通信的基本理论 p ( 1 ) = 盯是衰减常数，决定脉冲的宽度疋 2 h 蚓2 ) p s ， 与“成线性关系，即= 2 孑。系数 证了信号的能量等于1 ，也就是j 二p 2 ( t ) d t = 1 。信号的波形和频谱如图2 2 、2 3 【3 4 忻示 4 毡 骧 霉 i 觋 曲睦冲波形 图2 - 3 高斯脉冲二阶导披的波形极其频谱 0o 0 20 3n 0 50 6q 7 j 。曩 。- - r i 沙 飞 。， 、 、 t ， ， x 、 ， ：一 l ， 如u 5 妇np u 、，j ： 。；、1 ： “ j c0 爿雕l 。 叠黻警 | 。“噼。晶”“5 ” 图2 4 从左往右在向下的顺序分别为高斯脉冲、高斯脉冲的二骱导数、高斯 脉冲的三阶导教和对偶的高斯脉冲子图中虚线是实姥波形一阶导敦的波形 保 压 一 一丌焉 麟暮霉”甲i霰 ， 蚺