（电路与系统专业论文）tmuwb无线通信技术中关于低psd特性及“软件程度”的研究.pdf

皇王型垫盔堂堡圭堂垡堡苎 a b s t r a c t u w b ( u l t r a - w i d eb a n d ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ( u w b w c ) t e c h n o l o g y i s g r e a l t l y d i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a ln a r r o w - b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i tr e a l l ye m p l o y sc h a n n e lc o d et oi d e n t i f yd i f f e r e n tu s e ra n dh a sn oi f s t a g e ，w h i l et h ec o n v e n t i o n a l ，b a s e do nt h ee d w i na r m s t r o n g ss u p e r h e t e m d y n e a r c h i t e c t u r e ， a d o p t sf r e q u e n c yd i s c r i m i n a t i o n i nt h e s p e c t r u m a n dd e a l se a c h a p p l i c a t i o no n ed i s t i n g u i s h e df r e q u e n c yb a n d t a k i n gu pu l t r a - w i d ef r e q u e n c y ( g h z ) b a n d b ys h a r i n gf r e q u e n c y b a n dw i t hs e v e r a lk i n d so fc o n v e n t i o n a lw i r e l e s s n a r r o w b a n dc o m m u n i c a t i o n ，u w b w ct e c h n o l o g yi sp r a i s e df o ri t s c r e a t i n gn e w 矗e q u e n c ys p e c t r a a n dc a nr e a dt or e v o l u t i o ni nm a n ya s p e c t si nm i l i t a r ya n dc i v i l c o m m u n i c a t i o n b e s i d e s ，u w b w ct e c h n o l o g yi sh i g h l yf i tf o ri n d o o ra p p l i c a t i o n o v e rs h o r t r a n g ，p o s s e s st h et r a n s m i s s i o np o t e n t i a l i t y o fm u c hh i g h e rd a mr a t e ( 1 0 0 m b p s ) t h a nt h ec o n v e n t i o n a lc o u n t e r p a r t ，a n ds oc a nm e e tt h ec r e a s i n gn e e do f m o d e m h i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rd a t at r a n s m i s s i o n t h i st h e s i sw o r k s o v e rs e v e r a la s p e c t sb a s e do nl o w e rp s d s p e c i a l t ya n ds o f t w a r e d e f i n e di m p l e m e n t o f u w bc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i nf i r s tt h r e ec h a p t e r s ，t h et h e s i sa tf i r s te x p a t i a t e so nt h ep r i n c i p l eo fu w b w c a n ds u m m a r i z e si t sc h a r a c t e r sf r o md i f f e r e n tp o i n t so fv i e w t h e ni t d e d u c e st h e m a t h e m a t i c a lf o r m a t i o no fp s e u d o r a n d o mc h a r m e l i z e dt i m e h o p p i n g ( t h ) c o d ea n d p s d e x p r e s s i o no f u w bp s e u d o - r a n d o mt hp u l s es e q u e n c e ，s ow ec a a n a l y z eh o w t h ef a c t o r s ，s l l c ha st h c o d e , m o d u l a t i o nm o d e ，m o d u l a t i o np a r a m e t e r sa n du w b p u l s es h a p e ，a f f e c tt h ep s d i nt h ef o u m ac h a p t e r , t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no fu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( p c s ) a n d t r i e st or e s o l v e t h ei m a g i n a b l ep r o b l e m sr a i s e db yt h eh i g h e re r r o rd a t ar a t eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a n d f r e q u e n tb a n d o f f i nt h i sa p p l i c a t i o n 。 i nt h el a s tc h a p t e r , t h et h e s i sa n a l y z e st h ea l l d i g i t a li m p l e m e n ts c h e m ef o ru w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n de v a l u a t ei t sp o t e n t i a l “s o f t w a r e d e g r e e 1 i 电子科技大学硕士学位论文 t h et h e s i si so n eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o no fu w b w c t e c h n o l o g y i t sc o n c l u s i o n a n d t h o u g h t s h o u l db eu s e f u la c c u m u l a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n df u t u r e a p p l i c a t i o n sa n d s oh e l p f u lf u rp r a c t i c a ld e v e l o p m e n t k e y w o r d ：u w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，c h a n n e l i z e dt hc o d e ，p s d ，p c s ， s o f t w a r ed e g r e e i i i 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：羔叠日期：泐 年f 月d 日 关于论文使用授权的说明 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：立叠 导师签名：匾( 孟翩 日期：卅年l | 月f 文日 第一章引言 第一章引言 1 1u i n b 无线电技术的定义和发展历程 u w b 无线通信技术实质上是发射和接收超短( 纳秒级或亚纳秒级) 电磁能量脉冲( 即u w b 脉冲) 的技术。“u w b ”( u l t r a w i d e b a n d ，超宽带) 一词在1 9 8 9 年由美国国防部首次使用，之后，“u w b 信号”一词可以 说是在早前提出的冲激、无载波、基带、非正弦波、正交或者相对带 宽较大的无线电( 或雷达) 信号的统称。 u w b 的定义直到1 9 9 0 年3 月在美国新墨西哥州的l o sa l a m o s 国家 实验室召开的“u w b 雷达会议”上才首次确定为分数带宽( f b w f r a c t i o n b a n dw i d t h ) 大于0 2 5 的雷达为u w b 雷达。美国f c c ( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 也采纳了这一定义。 u w b 无线电( u l t r a w i d e b a n dr a d i 0 ) 技术是时域电磁学的一 个分支，它并不是一个全新的概念。因为马克尼( m a r c o n i ) 1 8 7 9 年 的火花隙发射机占据了从低频到高频( h f ) 的很宽的带宽，甚至可 以说马克尼发明了最古老的u w b 无线系统。现代u w b ( u w b ) 技术首 次出现于6 0 年代，当时称为“无载波”、“基带”、“冲激”技术 等。直到7 0 年代，a n r o 工程公司负责人d r g e r a l d f r o s s 证明 了在雷达和通信中使用u w b 波形的可能性后，u i v b 技术的研究才引起 了人们的注意。1 9 8 8 年首次用于雷达。基于冲击脉冲形式的无载波 信号是最早应用于u w b 雷达中的种信号。此后，u w b 技术首次应用 于雷达领域以来，各种用途的基于u w b 技术的雷达( 地面探测雷达 g p r ) 、液位测量雷达、遮蔽物成像雷达、防撞雷达等) 相继出现。 1 9 7 3 年，s p e r r y 获得第一个u w b 通信方面的专利。近年来，由于有 效的产生、控制和检测u w b 信号成为可能，而且能够综合应用调制、 编码、多用户接入等技术使得u w b 技术成为与传统的通信技术相比 的极具竞争力的无线通信技术。在美国，在1 9 9 4 年无线通信领域应 用u w b 技术的政府计划解密以后，尤其是在2 0 0 2 年4 月f c c 批准了 第一章引言 第一章引言 1 1u i n b 无线电技术的定义和发展历程 u w b 无线通信技术实质上是发射和接收超短( 纳秒级或亚纳秒级) 电磁能量脉冲( 即u w b 脉冲) 的技术。“u w b ”( u l t r a w i d e b a n d ，超宽带) 一词在1 9 8 9 年由美国国防部首次使用，之后，“u w b 信号”一词可以 说是在早前提出的冲激、无载波、基带、非正弦波、正交或者相对带 宽较大的无线电( 或雷达) 信号的统称。 u w b 的定义直到1 9 9 0 年3 月在美国新墨西哥州的l o sa l a m o s 国家 实验室召开的“u w b 雷达会议”上才首次确定为分数带宽( f b w f r a c t i o n b a n dw i d t h ) 大于0 2 5 的雷达为u w b 雷达。美国f c c ( f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ) 也采纳了这一定义。 u w b 无线电( u l t r a w i d e b a n dr a d i 0 ) 技术是时域电磁学的一 个分支，它并不是一个全新的概念。因为马克尼( m a r c o n i ) 1 8 7 9 年 的火花隙发射机占据了从低频到高频( h f ) 的很宽的带宽，甚至可 以说马克尼发明了最古老的u w b 无线系统。现代u w b ( u w b ) 技术首 次出现于6 0 年代，当时称为“无载波”、“基带”、“冲激”技术 等。直到7 0 年代，a n r o 工程公司负责人d r g e r a l d f r o s s 证明 了在雷达和通信中使用u w b 波形的可能性后，u i v b 技术的研究才引起 了人们的注意。1 9 8 8 年首次用于雷达。基于冲击脉冲形式的无载波 信号是最早应用于u w b 雷达中的种信号。此后，u w b 技术首次应用 于雷达领域以来，各种用途的基于u w b 技术的雷达( 地面探测雷达 g p r ) 、液位测量雷达、遮蔽物成像雷达、防撞雷达等) 相继出现。 1 9 7 3 年，s p e r r y 获得第一个u w b 通信方面的专利。近年来，由于有 效的产生、控制和检测u w b 信号成为可能，而且能够综合应用调制、 编码、多用户接入等技术使得u w b 技术成为与传统的通信技术相比 的极具竞争力的无线通信技术。在美国，在1 9 9 4 年无线通信领域应 用u w b 技术的政府计划解密以后，尤其是在2 0 0 2 年4 月f c c 批准了 电子科技大学硕士学位论文 u w b 无线技术的民用之后，u w b 无线通信技术才得到了加速发展。 1 2u w b 无线通信技术的研究背景及其特点 u w b 无线通信技术是适应未来无线通信系统大容量和高质量的 需要的共性基础技术，也是国家十五“8 6 3 ”计划鼓励和支持研究的 无线通信技术之一。在2 0 0 2 年国家自然科学基金指南中，超高速、 u w b 通信网络也首次被列入“重要前沿课题的研究和探索”课题范畴。 现在无线频谱非常稀缺，而且其有限的较低频带几乎完全被分配 使用。u w b 无线电技术有望解决这个问题，同时带来无线通信、雷达 和定位技术的革命性交化。u w b 技术通信系统是一种崭新的通信系统， 它能在传输媒介中以低功率、类似噪声的信号传输数据、声音甚至图 像。由于新技术发射的无线信号跨越很宽的无线频谱，而功率很低， 与背景“噪声”差不多，因而可以隐藏在噪声背景之中，与传统窄带 无线信道共用频带，被誉为“终止频谱短缺并给军事和民用通信的很 多方面带来革命”的“创造新频带”的无线通信技术。两且，u 详8 无 线通信在短距离室内无线传输方面拥有比传统无线电产生高得多的 数据传输率( 1 0 0 m b p s 数量级) ，能很好地满足现代日益增长的超高速、 宽带通信网络的需求。 u w b 无线通信技术是一种不同于传统窄带通信技术的全新概念， 也不同于新近提出的“宽带”技术，尤其不同于未来的3 g 蜂窝技术。 一方面在于u w b 通信系统所占用带宽远远超过任何目前使用的窄带 通信带宽，另一方面在于u w b 通信采用无载波发射方式，换句话说， 就是直接对具有陡峭上升沿和下降沿的超短脉冲进行信息调制，u w b 无线通信占用的带宽就是超短脉冲的基带带宽。传统的无线通信技 术主要是基于e d w i na r m s t r o n g 的定频识别的超外差结构，u w b 无线 通信技术使用时间和码识别的技术。 u w b 无线通信技术具有内在抗多径衰落的优良性能，u w b 的带 宽很宽，因此它具有大信道容量和高空间容量( s p a t i a lc a p a c i t y ) 、 噪声级的低功率谱密度、较强的抗干扰能力、动态地调整数据传输 率与功耗及通信距离间的自适应能力、几乎全数字化的简单结构等 电子科技大学硕士学位论文 u w b 无线技术的民用之后，u w b 无线通信技术才得到了加速发展。 1 2u w b 无线通信技术的研究背景及其特点 u w b 无线通信技术是适应未来无线通信系统大容量和高质量的 需要的共性基础技术，也是国家十五“8 6 3 ”计划鼓励和支持研究的 无线通信技术之一。在2 0 0 2 年国家自然科学基金指南中，超高速、 u w b 通信网络也首次被列入“重要前沿课题的研究和探索”课题范畴。 现在无线频谱非常稀缺，而且其有限的较低频带几乎完全被分配 使用。u w b 无线电技术有望解决这个问题，同时带来无线通信、雷达 和定位技术的革命性交化。u w b 技术通信系统是一种崭新的通信系统， 它能在传输媒介中以低功率、类似噪声的信号传输数据、声音甚至图 像。由于新技术发射的无线信号跨越很宽的无线频谱，而功率很低， 与背景“噪声”差不多，因而可以隐藏在噪声背景之中，与传统窄带 无线信道共用频带，被誉为“终止频谱短缺并给军事和民用通信的很 多方面带来革命”的“创造新频带”的无线通信技术。两且，u 详8 无 线通信在短距离室内无线传输方面拥有比传统无线电产生高得多的 数据传输率( 1 0 0 m b p s 数量级) ，能很好地满足现代日益增长的超高速、 宽带通信网络的需求。 u w b 无线通信技术是一种不同于传统窄带通信技术的全新概念， 也不同于新近提出的“宽带”技术，尤其不同于未来的3 g 蜂窝技术。 一方面在于u w b 通信系统所占用带宽远远超过任何目前使用的窄带 通信带宽，另一方面在于u w b 通信采用无载波发射方式，换句话说， 就是直接对具有陡峭上升沿和下降沿的超短脉冲进行信息调制，u w b 无线通信占用的带宽就是超短脉冲的基带带宽。传统的无线通信技 术主要是基于e d w i na r m s t r o n g 的定频识别的超外差结构，u w b 无线 通信技术使用时间和码识别的技术。 u w b 无线通信技术具有内在抗多径衰落的优良性能，u w b 的带 宽很宽，因此它具有大信道容量和高空间容量( s p a t i a lc a p a c i t y ) 、 噪声级的低功率谱密度、较强的抗干扰能力、动态地调整数据传输 率与功耗及通信距离间的自适应能力、几乎全数字化的简单结构等 第一章引言 特点，因而可提供较高性价比的无线通信系统，与传统窄带无线通信 技术桶比在某些领域具有很强的竞争力。 1 3 国内外关于u w 8 通信的研究现状 国外有关予u w b 技术方面的专利及论文大部分是有关u w b 技术 在雷达方面的应用，u w b 技术在无线通信方面的专利相对较少一些， 现已查到有4 项。国外从六七十年代开始研究u w b 技术在非通信方 面的商业应用。虽然u w b 技术的某些方面无论在理论上还是在试验 上仍然没有被完全理解，但在9 0 年代后期，由于新的u w b 器件使用 和较好的理解u w b 系统的特征，u w b 无线通信技术已经达到可以制造 高性能、低价格的无线通信系统并使之商业化的水平。现在国外的 多家公司( 如t i m e d o m a i nc o r 、n u l t is p e e t r a ls o l u t i o ni n c 、 i n t e l a r c h i t e c t i r el a b s 等) 和一些大学的研究机构在积极投入 u w b 技术在通信领域的广泛应用的研究，有的已制造出样机并申请了 相关专利。在欧洲，意法半导体无线实验室总监g e r a r df a r g e r e 透 露，该公司已经发起了项有许多欧洲伙伴参与的超宽频研发计划。 他还指出他们已拥有u w b 工作在高频宽下对脉冲进行编译码方法 钓关键专秘。意法已开发出一种用于整合r f 和基频的制造技术， 应用到u w b 时将显得极为有效。 国内在u w b 雷达方面，国家“九五”计划已立项研究。电子 科技大学在“九五”承担研究u w b 雷达研究的同时，对u w l 3 通 信技术开展了研究。并发表了与之相关的部分论文和完成一份博士 论文。国内在u w b 无线通信技术方面的研究起步较晚，相关的专利 寥寥无几，已查到的仅有一篇，且为美国人在中国申请的专利。国 内至今还没有见到关于u w b 通信应用的报道。不过，由于我国多年 来已进行u w b 技术在雷达方面的应用及u w b 技术在雷达和通信应 用上的共用性，可以说我国已有了相当的技术基础，比如在u w b 信 号的设计、产生、发射、接收及相关的处理技术方面。 虽然u w b 无线通信技术具有较好的发展前景，但由于还没有完 第一章引言 特点，因而可提供较高性价比的无线通信系统，与传统窄带无线通信 技术桶比在某些领域具有很强的竞争力。 1 3 国内外关于u w 8 通信的研究现状 国外有关予u w b 技术方面的专利及论文大部分是有关u w b 技术 在雷达方面的应用，u w b 技术在无线通信方面的专利相对较少一些， 现已查到有4 项。国外从六七十年代开始研究u w b 技术在非通信方 面的商业应用。虽然u w b 技术的某些方面无论在理论上还是在试验 上仍然没有被完全理解，但在9 0 年代后期，由于新的u w b 器件使用 和较好的理解u w b 系统的特征，u w b 无线通信技术已经达到可以制造 高性能、低价格的无线通信系统并使之商业化的水平。现在国外的 多家公司( 如t i m e d o m a i nc o r 、n u l t is p e e t r a ls o l u t i o ni n c 、 i n t e l a r c h i t e c t i r el a b s 等) 和一些大学的研究机构在积极投入 u w b 技术在通信领域的广泛应用的研究，有的已制造出样机并申请了 相关专利。在欧洲，意法半导体无线实验室总监g e r a r df a r g e r e 透 露，该公司已经发起了项有许多欧洲伙伴参与的超宽频研发计划。 他还指出他们已拥有u w b 工作在高频宽下对脉冲进行编译码方法 钓关键专秘。意法已开发出一种用于整合r f 和基频的制造技术， 应用到u w b 时将显得极为有效。 国内在u w b 雷达方面，国家“九五”计划已立项研究。电子 科技大学在“九五”承担研究u w b 雷达研究的同时，对u w l 3 通 信技术开展了研究。并发表了与之相关的部分论文和完成一份博士 论文。国内在u w b 无线通信技术方面的研究起步较晚，相关的专利 寥寥无几，已查到的仅有一篇，且为美国人在中国申请的专利。国 内至今还没有见到关于u w b 通信应用的报道。不过，由于我国多年 来已进行u w b 技术在雷达方面的应用及u w b 技术在雷达和通信应 用上的共用性，可以说我国已有了相当的技术基础，比如在u w b 信 号的设计、产生、发射、接收及相关的处理技术方面。 虽然u w b 无线通信技术具有较好的发展前景，但由于还没有完 电子科技大学硕士学位论文 整的u w b 无线通信技术的测试标准，这使得在投资对u w b 通信技 术的理论研究和硬件实现过程中将遇到较大的风险。对已习惯于连 续正弦波的业界来说，u w b 信号( 特别是瞬时伪噪声编码u w b 信 号) 带来了真正的测量挑战。测试r f 信号特性的标准仪器频谱分析 仪可以测量u w b 信号的一些特性，特别是稳态特性，但目前无法测 量具有瞬态特征的类噪声信号的特性。f c c 已开始呼吁工业部门应 该注意发展这类测试技术。 1 4u w b 无线技术的辐射功率标准和技术规范的制定 由于u w l b 无线技术可以在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源 情况下以全新的方式进行话音和数据通信，美国、欧洲等许多学者 目前都在对u w b 技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑 战进行研究。有很多因素影响u w b 无线电技术对窄带无线系统的于 扰，比如：u w b 脉冲的信道传播损耗的模式、u w b 系统使用的调制技 术、u w b 脉冲重复频率以及窄带系统在u w b 发射方向上的天线增益等。 考虑到u w b 无线技术由于共用频谱会对现有的窄带无线系统造 成干扰，美国率先提出了u w b 无线电的辐射功率标准。自从1 9 9 8 年 9 月，f c c 第一次发出征询通知( n o i ) ，要求工业界对发射功率严格 受限时在非授权频段使用u w b 技术的提出反馈意见，美国相关部门 和公司经进行了数年的大量的调查和测试工作。美国f c c ( 联邦通信 委员会) 于2 0 0 2 年2 月1 4 日( 美国当地时间) 批准将超宽带无线 技术“u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) ”用于民用产品，将未经正式许可的 频谱分配给u w b 技术。具体而言，对使用u w b 时的发送输出功率标 准值按3 个用途分别做出了初步规定( 如下图卜1 ，l - 2 和表卜1 ，u w b 无线系统的发送输出功率限制【4 5 ) ，以继续更清楚地了解u w b 系统 可能造成的干扰和支持u w b 技术的发展。这3 个用途分别是： ( 1 ) 地质勘探及可穿透障碍物的传感器等( i m a g i n gs y s t e m s ) ： ( 2 ) 汽车防冲撞传感器等( y e h ic 1 er a d e rs y s t e m s ) ： ( 3 ) 家电设备及便携终端之间的无线数据通信等 ( c o m m u n ic a t i o n sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m s ) 。 电子科技大学硕士学位论文 整的u w b 无线通信技术的测试标准，这使得在投资对u w b 通信技 术的理论研究和硬件实现过程中将遇到较大的风险。对已习惯于连 续正弦波的业界来说，u w b 信号( 特别是瞬时伪噪声编码u w b 信 号) 带来了真正的测量挑战。测试r f 信号特性的标准仪器频谱分析 仪可以测量u w b 信号的一些特性，特别是稳态特性，但目前无法测 量具有瞬态特征的类噪声信号的特性。f c c 已开始呼吁工业部门应 该注意发展这类测试技术。 1 4u w b 无线技术的辐射功率标准和技术规范的制定 由于u w l b 无线技术可以在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源 情况下以全新的方式进行话音和数据通信，美国、欧洲等许多学者 目前都在对u w b 技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑 战进行研究。有很多因素影响u w b 无线电技术对窄带无线系统的于 扰，比如：u w b 脉冲的信道传播损耗的模式、u w b 系统使用的调制技 术、u w b 脉冲重复频率以及窄带系统在u w b 发射方向上的天线增益等。 考虑到u w b 无线技术由于共用频谱会对现有的窄带无线系统造 成干扰，美国率先提出了u w b 无线电的辐射功率标准。自从1 9 9 8 年 9 月，f c c 第一次发出征询通知( n o i ) ，要求工业界对发射功率严格 受限时在非授权频段使用u w b 技术的提出反馈意见，美国相关部门 和公司经进行了数年的大量的调查和测试工作。美国f c c ( 联邦通信 委员会) 于2 0 0 2 年2 月1 4 日( 美国当地时间) 批准将超宽带无线 技术“u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) ”用于民用产品，将未经正式许可的 频谱分配给u w b 技术。具体而言，对使用u w b 时的发送输出功率标 准值按3 个用途分别做出了初步规定( 如下图卜1 ，l - 2 和表卜1 ，u w b 无线系统的发送输出功率限制【4 5 ) ，以继续更清楚地了解u w b 系统 可能造成的干扰和支持u w b 技术的发展。这3 个用途分别是： ( 1 ) 地质勘探及可穿透障碍物的传感器等( i m a g i n gs y s t e m s ) ： ( 2 ) 汽车防冲撞传感器等( y e h ic 1 er a d e rs y s t e m s ) ： ( 3 ) 家电设备及便携终端之间的无线数据通信等 ( c o m m u n ic a t i o n sa n dm e a s u r e m e n ts y s t e m s ) 。 第一章引言 因担心u w b 对g p s 的影响，f c c 就将g p s 波段内的u w b 通信辐射 功率严格限制在遵循辐射限制标准p a r t l5 的其它无线设备的辐射功 率的0 0 4 。f c c 称，这应该低于通常的背景噪声电平。 频率( g h z ) 图1 1u w b 无线通信在室内辐射功率 频率( g h z ) 图1 - 2u w b 无线通信在室内辐射功率限 表1 1u w b 无线电输出功率标准 ( 说明，表中的阴影表示u w b 无线电系统在特定应用下工作的中心频率) 由u w b 辐射标准可知，其辐射功率谱密度和遵循电子设备辐射 标准p a r t l5 的计算机的辐射功率谱相当。这个要求对于u w b 无线通 信技术来说相当苛刻。这是由于u w b 无线电造成的可能干扰还不完 全清楚而采取最保守的限制的缘故。 里三型垫奎堂堡主兰堡堡苎一一 虽然如此，设定标准值后，使得由于政策原因而发展受阻的u w b 的无线通信设备、家电产品及支持芯片在美国国内的生产将步入正 轨。 日本多媒体移动接入推进协议会( 1 i l n a c ) 日前设立了旨在制定利 用u w b 的无线技术“u w b ”标准的工作小组，并于2 0 0 2 年8 月2 6 日 召开了第一次会议。另外英国、欧洲也在积极进行相关规范的制定。 1 5 本文的研究工作 关于u w b 无线通信的低功率谱密度的特点和“软件程度”的潜 力，本文主要从以下几个方面对u w b 无线通信技术进行理论探讨和 部分技术的仿真和实验： 1 u w b 无线通信的基本原理和特点。在现阶段，国内只有零 星的资料对u w b 通信原理进行简单介绍。本文消化、吸收 大量国外资料，从u w b 通信的编码和调制技术、接收和发 射技术、u w b 通信系统的构架几个方面进行总结，并与传 统通信系统在上述方面进行比较，力求比较系统、准确地 说明i n b 通信的原理。在此基础上，对u w b 无线通信的特 点从多个角度进行分析，力求抓住u w b 无线通信的实质， 以利于把握其优势，克服其不足。 2 u w b 脉冲序列频谱密度的分析和伪随机跳时信道码的构造 方法。借鉴跳频码的构造方法，对u w b 无线通信的跳时信 道码的构造进行理论推导，并分析跳时信道码构造系数对 脉冲序列的功率谱密度的影响。用计算机仿真产生伪随机 跳时信道码，仿真证实了理论推导的正确性。 3 基于a t i d 有线网络的个人通信系统的u w b 无线接入网的分 级控制的网络结构和快速越区切换方案。在分析了u w b 无 线通信的无线传播特性、系统容量和a t m 固定网的特性的 基础上，设想把u w b 无线通信和a t m 网络结合起来实现个 人通信。针对u w b 无线通信的特点，对结合中遇到的无线 信道造成的突发错误率和频繁切换的问题进行探讨。 6 里三型垫奎堂堡主兰堡堡苎 一 一 虽然如此，设定标准值后，使得由于政策原因而发展受阻的u w b 的无线通信设备、家电产品及支持芯片在美国国内的生产将步入正 轨。 日本多媒体移动接入推进协议会( 1 i l n a c ) 日前设立了旨在制定利 用u w b 的无线技术“u w b ”标准的工作小组，并于2 0 0 2 年8 月2 6 日 召开了第一次会议。另外英国、欧洲也在积极进行相关规范的制定。 1 5 本文的研究工作 关于u w b 无线通信的低功率谱密度的特点和“软件程度”的潜 力，本文主要从以下几个方面对u w b 无线通信技术进行理论探讨和 部分技术的仿真和实验： 1 u w b 无线通信的基本原理和特点。在现阶段，国内只有零 星的资料对u w b 通信原理进行简单介绍。本文消化、吸收 大量国外资料，从u w b 通信的编码和调制技术、接收和发 射技术、u w b 通信系统的构架几个方面进行总结，并与传 统通信系统在上述方面进行比较，力求比较系统、准确地 说明i n b 通信的原理。在此基础上，对u w b 无线通信的特 点从多个角度进行分析，力求抓住u w b 无线通信的实质， 以利于把握其优势，克服其不足。 2 u w b 脉冲序列频谱密度的分析和伪随机跳时信道码的构造 方法。借鉴跳频码的构造方法，对u w b 无线通信的跳时信 道码的构造进行理论推导，并分析跳时信道码构造系数对 脉冲序列的功率谱密度的影响。用计算机仿真产生伪随机 跳时信道码，仿真证实了理论推导的正确性。 3 基于a t i d 有线网络的个人通信系统的u w b 无线接入网的分 级控制的网络结构和快速越区切换方案。在分析了u w b 无 线通信的无线传播特性、系统容量和a t m 固定网的特性的 基础上，设想把u w b 无线通信和a t m 网络结合起来实现个 人通信。针对u w b 无线通信的特点，对结合中遇到的无线 信道造成的突发错误率和频繁切换的问题进行探讨。 6 第章引言 4 借助软件无线电的理念，对u w b 通信系统的“软件程度” 潜力进行评价。u w b 无线通信软件化的基础是数字化。首 先探讨了利用d d s 原理实现任意波形的u w b 脉冲的数字产 生方法。针对u w b 脉冲超宽带带宽较宽的特点，提出并行 的电路结构，以电路复杂程度为代价大大降低了对器件的 要求。其次，介绍了数字化接收方案，并分析了其具体实 现。在此基础上，根据软件无线电的评价标准，从多个方 面首次对o w b 通信系统的“软件程度”进行评价从而说 明u w b 通信系统比传统构架下软件无线电系统更接近“软 件定义的无线电”的理想要求。 i 6 本文的内容安排 全文共六章，第一章为引言；第二章介绍了u w b 无线通信的基本 原理和特点；第三章研究了伪随机跳时信道码的构造方法及分析了 影响平滑u w b 无线通信频谱密度的因素；第四章研究了把u w b 无线 技术应用于基于a t m 有线网络的个人通信系统的无线接入网时所应 采用的分级控制的网络结构和快速越区切换方案；第五章借助软件 无线电的理念，对u w b 通信系统的“软件程度”潜力进行评价；第 六章为全文总结，简要概括了全文的主要结论。 第章引言 4 借助软件无线电的理念，对u w b 通信系统的“软件程度” 潜力进行评价。u w b 无线通信软件化的基础是数字化。首 先探讨了利用d d s 原理实现任意波形的u w b 脉冲的数字产 生方法。针对u w b 脉冲超宽带带宽较宽的特点，提出并行 的电路结构，以电路复杂程度为代价大大降低了对器件的 要求。其次，介绍了数字化接收方案，并分析了其具体实 现。在此基础上，根据软件无线电的评价标准，从多个方 面首次对o w b 通信系统的“软件程度”进行评价从而说 明u w b 通信系统比传统构架下软件无线电系统更接近“软 件定义的无线电”的理想要求。 i 6 本文的内容安排 全文共六章，第一章为引言；第二章介绍了u w b 无线通信的基本 原理和特点；第三章研究了伪随机跳时信道码的构造方法及分析了 影响平滑u w b 无线通信频谱密度的因素；第四章研究了把u w b 无线 技术应用于基于a t m 有线网络的个人通信系统的无线接入网时所应 采用的分级控制的网络结构和快速越区切换方案；第五章借助软件 无线电的理念，对u w b 通信系统的“软件程度”潜力进行评价；第 六章为全文总结，简要概括了全文的主要结论。 第二章t m u w b 无线通信原理及其特点 第二章t m - u w b 无线通信原理及其特点 2 1u w b 无线通信原理 u w b 无线通信系统通过发送超短脉冲( n s 量级) 序列来实现信息传输。u w b 无线通信技术按照主要分两种：直接序列相位编码的u w b ( d s c u w b ) 无线通信技 术和时间调制的跳时u w b ( t m u w b ) 无线通信技术。d s c u w b 无线通信技术采 用以数g h z 速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序歹0 ，脉冲序列以数百兆赫 兹的速率对数据进行编码。一个直接序列接收机可将数g l t z 脉冲下变频到数据 速率带宽。t m u w b 无线技术采用瞬时开关技术产生超短( 通常是亚纳秒级) 或 只有很少几个过零点的波形，进行时间位置调制( 比如可以用每个脉冲出现位 置超前或滞后标准时刻一个特定的时间表示一个特定的信息) 或者脉冲幅度调 制后，在一个相当长的时间帧内依伪随机跳时编码序列附加以伪随机时延后直 接发射。接收端也以同样的编码序列正确接收和解码。同时，由于不同的用户 使用不同的伪随机时延，使得只有预知该伪随机跳时方式的用户才能正确解调 出传输的信息，从而实现多用户接入。由于t m u w b 无线技术同时能够用于精确 的定位和跟踪，能够便利的将无线通信和精确定位一体化，同时有利于u w b 无 线通信在通信距离、速率和辐射功率中的自适应控制，因此得到了更广泛的应 用。本文主要就时间调制的u w b 无线通信技术进行研究。 子波 p n 码 数据 p n 码+ 数据 信号 t x 开 vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv 1厂1广广广1广1 l ul uu ju j l l j 1厂厂广1 ul j l mi v vvvv vv vrvv v 图2 - 1d s c u w b 无线通信调制示意图f 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1u w b 信号的定义 美国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 ) 明确规定u w 8 信号为分数 带宽( f b w ， f r a c t i o nb a n dw i d t h ) 大于0 2 5 或者带宽超过1 5 g h z 的信号。 f b w = 2 ( f h 一兀) + 兀) = 孚， f b w 由信号的能量带宽( b 。) 定义给出，b 。是一个频率范围( 上限频率厶和 下限频率 为一l o d b 功率点) ，在厶兀, n n i 内占有信号总能量的9 0 或 9 5 ，中心频率正为( 厶+ 兀) 2 。实际上，u w b 信号的中心频率可以从2 0 m h z 分布到6 0 g h z ，相应占用的带宽从5 m h z 到3 0 g h z 不等。 图2 2u w b 脉冲的频谱 2 1 2 发送部分一数据调制和信道编码 在t m u w b 系统中，第i 个用户完整的发送信号可以用如下模型表示： s ：( f ) = n ，】w ，( f 一口，一cj r 。一，】( d i 川，】) ) ( 2 1 ) j c 叫 。 在这里，v ( t ) 表示发送的无调制的u w b 单脉冲序列，0 表示名义上的 脉冲重复周期( p r i ) ，这里称之为帧时( 帧时的典型值是q 坚壁造笪丛更倍到 一千倍，其最大值受到时钟频率稳定度的制约) ；j 表示发射脉冲的序号。帕王， 一、数据调制 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1u w b 信号的定义 美国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 ) 明确规定u w 8 信号为分数 带宽( f b w ， f r a c t i o nb a n dw i d t h ) 大于0 2 5 或者带宽超过1 5 g h z 的信号。 f b w = 2 ( f h 一兀) + 兀) = 孚， f b w 由信号的能量带宽( b 。) 定义给出，b 。是一个频率范围( 上限频率厶和 下限频率 为一l o d b 功率点) ，在厶兀, n n i 内占有信号总能量的9 0 或 9 5 ，中心频率正为( 厶+ 兀) 2 。实际上，u w b 信号的中心频率可以从2 0 m h z 分布到6 0 g h z ，相应占用的带宽从5 m h z 到3 0 g h z 不等。 图2 2u w b 脉冲的频谱 2 1 2 发送部分一数据调制和信道编码 在t m u w b 系统中，第i 个用户完整的发送信号可以用如下模型表示： s ：( f ) = n ，】w ，( f 一口，一cj r 。一，】( d i 川，】) ) ( 2 1 ) j c 叫 。 在这里，v ( t ) 表示发送的无调制的u w b 单脉冲序列，0 表示名义上的 脉冲重复周期( p