（电路与系统专业论文）基于混沌编码的超宽带通信系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电学院硕士论文 摘要 超宽带技术具有能充分利用频带资源、传输速率高、系统实现简 单、功耗低、可穿墙通信、定位精度高等优点，在无线多媒体局域网、 无线传感网、交通系统、军事系统等具有广泛的应用。 本文首先介绍u w b 的历史背景、技术特点和体系结构。接着分析 一种适合超宽带脉冲无线通信的伪混沌调制技术。其编码方案是利用 混沌映射的符号动力性来对要传输的数字信息进行编码。这种伪混沌 跳时编码技术能极大地提高系统的扩频特性。然后介绍适合这种方案 的最大似然解码过程和解码器结构复杂性的伸缩性特点。针对有信道 时延和测量噪声的情况，提出了一种改进的门限判决方案，改进的方 案能够改善系统误码性能。通过仿真对软维特比解码和硬维特比解码 的误码性能进行了分析和比较。本文还介绍适合于伪混沌跳时方案的 多址接入技术。最后，分析了u w b 现存的理论和技术上需要解决的问 题。在对这些问题进行综合分析的基础上，分析u l l i b 商用化面临的主要 挑战和其发展趋势。 关键词：混沌：超宽带：符号动力学；脉冲位置调制 南京邮电学院硕e 论文 a b s 熏r a e l u w bh 鑫s 氆ea d v a n t a g e so f 触l y 砒i 珏z a t i o ao f 魄醚硒d 搬提s o u 愆e s 砖i 曲d 擞 r a t e s ，s i m p l es ”t e mi m p l e m e n t a t i o n ， 1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n ，t h ea b i l i t yo f t h r o u 醇咀l lc o m m u n i c a t i o n ，a n dh i 曲p r e c i s i o nl o c a l i 绷i o n a sar e s u l t ，u w bh a s 琳a n yp o t e 攫i 挂l8 p p l i c 鑫 i 秘鑫f e a s ，s u e 量圭a sw 主f e 呈e s sm u 圭l 至m e d 主al o c a la 溉tn 。啪痰s ， w i r e l e s ss e n s o r 耐k s ，t r 徽嘲婶r t 钱【i o ns y s t e m s ，a n dm i l i t a r ys y g t e m s f i r s t l y ，w ei n t r o d u e et h c 赫s t o 蠢c a lb a 8 稚强d ，t e c h n i c a le l l a r a e t e f s t i c a n 纛 a 端h 主t e c t 瑚_ e 西u w b 。强e nw e8 黻l y z eap 辩u d o - c h a o t i c 搬o d u l a t i o ns u i t a m ef o r u l t r a 谢d e b a l l d w i d t l li m p u l 8 e r a d i oc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m s t h ec o d i n gs c h e m ei s b a s e do nc o n t r o l l i n gt h es y m b o l i ed y n a m i c so fc h a o t i cm a p 妇e n c o d i n gt h ed i g i 蛾 i 藐f o 疆l 嬲雠协b e 拄越l 懿i 抬d 。羽妇p s e 醢白一e h 鑫o t i et i m eh o p p i n ge n h a 娃e e s 墩e s p r e a d - s p e c t r u mc h a r a c t e r i s 虹c so f 也es y s t e m am a x i m u m l i k e l i h o o dd e t e c t o rf o rt h e p r o p o s e ds c h e m ei sp r e s e n t e da n di t ss c a l a b i l i 谚f e a t u r e sa r ei l l u g 心a t e d 1 nt h ep r e s e n c e o fe 蠡8 黼e l 圭主m e & l a y 鑫n dm e a s 聃糟王n 鞋l 珏o i s e ，懿p r 0 转s e 飘i l n 黟。转d 翻譬s b 挝 d e t e c t i o ns c h e m ew h i c hc a ni m p r o v et h es y s t e m sb e rp e r b m a n c e w ea l s o c o m p a r et l l e b e rp e r f b 眦a n c ef o rb o t hs o ra n dh a r dv i t e r b id e c o d i n gb yt h e s i 氆珏l a 霸o n球s u l t s 铲e p e s e 拄t a m u l 量主p l e a c e e s s e c 矗n i 碡牡e 辚l _ a b 圭e如f 氆e p s e u d o c h a o t i m eh o p p i n gs c h e m e f i n a l l y ，w ea 1 1 a l y z et kc u r r e n tp r o b l e m si n t h e o r ya n dt o c h n i q u e o nt h eb a s i so fo u ra i l a l y s i st o l ee x i s t i n gp m b l e m s ，t h e i 越p o 内n 主e h 拄l l e 滗。sa 皤d e v e l o p 糟e 瞰蠢r e e t i o nf 。fu w b 耗c 圭l 鞋o l o g ya 瞎a l s 。 a n a l y z e d k e y w o r d s ： c h a o s ，u l t m w i d e _ b a n d w i d t h ，s y m b o i i c d y n a m i c s ， p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n l 王 南京部溆学院学位论文独创性声萌 y 7 6 s 2 8 2 盂 7 6 s 2 8 2 本人声噗掰呈交的学搜论文最我个人在譬弹指导下进行豹磷窥 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注耥致谢的 地方外，论文中不包含其热人已经发裁或撰写过的研究成累，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书丽使髑过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贾献均已在论文中作了 蹒确兹说明弗袭示了谢恚。 研究擞然名：歪窿日期： 南京都电学院学位论文使羯授权声明 2 ”手球| 一 南京邮电学院、中豳科学投术信崽研究所、豳家图獭馆有权保留 本人所送交学德论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段傺存论文。本入电子文档的内容和纸质论文的内容栩一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被套阅和借阅，可以公布 魏裙刊鼗) 论交懿全部或舔分痴容。论文酶公鸯( 毽括蛩j 嚣授校 煮豪部电学院磷究生都务毽。 硪戴憋签名：盈遂 导嬲籀名： 硪戴憋签名：盈2 登 导嬲籀名： 南京邮i b 学院硕十论文 刖苦 近年来，全球范围内掀起了研究超宽带( u w b ) 脉冲无线通信的一股热潮。 这种无线脉冲通信系统主要利用了具有极低功率谱密度、极短周期的脉冲序列串 来进行通信。由于超宽带脉冲无线通信系统( u w b i r ) 具有低功率消耗、低截获 率、抗多径衰落和多用户通信等显著优点，所以人们看好其在未来短距离无线通 信领域的发展前景。当前的脉冲无线通信系统主要采用伪随机码( p n ) 进行信道 的选择，采用脉冲相位调制( p p m ) 等编码方式对二进制信息进行编码。 文献 1 第一次提出了基于混沌通信系统的非周期脉冲序列串。随后许多学 者又提出了几种其它的脉冲间隔调制方案，并进行了详细分析。这几种方案的理 论都是基于混沌系统的自同步特性：信息通过附加的时间抖动，调制成脉冲序列， 相应地在接收端通过脉冲序列的自同步性把信息解调恢复出来。这几种方案中比 较成熟常用的是一种称为混沌脉冲相位调制( c p p m ) 的技术。混沌脉冲相位调制 技术通过混沌编码去掉了传输信号中的某些频谱特性，从而提高了系统的扩频特 性，降低了截获率。另外，谱线的缺失实际上也减少了对其它设备( 比如全球定 位系统g p s ) 的干扰。 在本文中，我们介绍了了一种适合脉冲无线通信系统的伪混沌编码调制技 术，命名为伪混沌跳时技术( p c t h ) 。伪混沌跳时技术在系统的发送端利用混沌 映射的符号动力性对二进制信息进行编码处理。这种技术的主要思想是由h a y e s 和s c h w e i z e r 提出并发展的。删。从通信理论的角度来看，伪混沌跳时技术可以 被看作一种应用于超宽带脉冲无线通信的扩频技术，它把伪混沌编码和多级脉冲 相位调制结合到一起。伪混沌编码完成了扩频功能，其过程类似与传统的卷积编 码过程。为了完成扩频的目的，通常要求在发送端，卷积编码器有大量不同状态 的存在，在接收端，卷积解码器也要有相应大量不同状态。根据符号动力学的相 关理论，伪混沌跳时编码信号可以由状态数有限的低复杂度维特比( v i t e r b i ) 解码器解调出来。因此，在解调相同的发送伪混沌跳时编码信号时，我们可以选 用不同复杂度的解码器。系统结构设计复杂性的这种可伸缩性，是传统的卷积编 码方案所不具备的，它使得我们在设计接收设备时具有极大的灵活性。 全文具体安排如下： 第一章主要介绍u w b 通信的定义和特点：u w b 通信系统的主要结构；u w b 通 南京邮电攀院硕士论文 信研究现状。 第二露主要奔绥鞋嬲躲洚逶信豹蒸零漂瑾；u 箨8 信号模鍪及英辩壤、凝域分 析；u w b 无线信道模型。 第三意主要介绍u 1 】| b 信号的编码、调制、解调，重点介绍单髑户的伪混i 嗷编 鹃跷露踩羚经置调裁方繁滋及在存蘩道传输霾雩楚靼测量臻声彩滚情嚣下对门疆 判决法的改进方案。 第四肇主要介绍u w b 信号的多址接入模型、性能分析和系统容量。 第五牵主要奔绍珏轷8 翡应霜蓠最粒菌穗静撬袋。 最后熄结束语。 2 南京蝴电学院硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会经济地飞速发展，人们希望各自拥有的大量信息能得到及时快速地 共享和交换，从而对现代通信技术提出了更高的要求。尤其在无线移动通信领域， 人们期望实现全球范围内的无缝覆盖，不论在何时何地，每个人互相之间都能得 到联系。下一代无线网络世界将是包含多种通信技术、通信系统的综合体，包括 广域网( w a n s ) 、无线局域网( w l a n s ) 、无线个域网( w p a n s ) 等。在这样的背景 下，短距离无线通信技术日益兴起，成为目前无线通信领域研究的热点。超宽带 ( u w b ) 技术是目前学术界和产业界备受关注的一种新型短距离高速无线通信技 术。u w b 技术以前主要应用于军事的雷达侦听方面，近年来随着微电子技术的成 熟和生产工艺的提高，u w b 技术已经开始进入民用领域，并在国际上掀起了对其 研究、开发和应用的新一轮热潮。 1 1m 技术的历史和定义 u w b 无线通信的研究工作最早可以追溯到2 0 世纪4 0 年代初期d e r o s a 提出 的随机脉冲无线通信技术“1 ，2 0 世纪6 0 年代对电磁学的研究进一步促进了u w b 技术的发展，1 9 7 2 年r o b b i n s 发明的敏感短脉冲接收器取代了笨重的时域示波 器，加速了u w b 系统的开发，1 9 7 3 年s p e r r y 获得了第一个u w b 通信技术的专利 “3 。此后的3 0 多年时间里，u w b 的理论、技术和相关设备的研制都得到了迅速地 发展。为了促进并规范u w b 技术的发展，2 0 0 2 年4 月2 2 日美国联邦通信委员会 ( f c c ) 在充分讨论和研究u w b 系统对g p s 、w l a n 等现有系统的干扰、电磁干扰 性、安全性等问题后，颁布了u w b 无线设备占用带宽的初步规定，并重新对u w b 做了定义，允许u w b 技术和产品参与商业化运作”3 。这一规定的颁布直接促进了 u w b 无线通信技术的研究，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。 崧豪繇电拳端蘸士论文 第一章媾瓷 功率 ! 饼；le s鞋o | 搭 ! j j 蕊熬谶粼 ；l ；隧囊 图l lu 幡频率岛冀它无线信号颊谗的关系 美鬣联落遴售委臻会筑定鞋褥豹工佟额率毯于3 + l l e 。6 骶甚，舞踅l l 瓒 示。信号黥带宽应大予镣子5 0 0 稍z ，躐其耱对带爨大于2 ，这燕稻对带宽定义 为： 冬= 赤斋 t ， 式中& 为高端l o d b 下降点，毛为骶端l o 趣下降点。为了瓣决u 孵技术秘其 它菝零产菇存在嚣冠凝裴馨簇手我溺爨，骞效终低u 鹃设冬霹处予主述频段瓣其 它设备的干扰，美国联邦通信委员念还对吓b 设铸的发射功潦进行了严格的限 期；袈定熬鸯效各囱弱稳瓣动率 8 i 黔) 不超过唾l 。3 d 酗疆h z 蝴。罄卜。2 联幂 秀在斛条爨下繁1 5 部分瑟疆定嫠麓黪颓灌疆癸。錾孛癸隽塞蠹嚣室舞傻耀嚣 部分，其中的主要区剐怒：室外的带外部分具有较高的功率衰落程度，其目的就 是要绦轳现蠢频段或鞠邻菝段蠹其它设鍪免遭潆耩信号较强瓣弱颓手抗，麴避受 薅王嚣在中。蒙率受1 6 镶z 戆s 怒熬按浚器构藏鞍强戆手撬。 fcn第磊繇势薛功率限制 南京邮电学院硕二匕论文 第一章绪论 图l 一2f c c 对u w b 通信系统的限界规定 表1 一l 列出了常见的几种无线通信技术性能指标，可以看出u w b 技术的优 势较为明显，主要的不足是发射功率过小限制了其传输的距离。对于1 0 米以内 的距离，u w b 可以表现出高达数百m b i t s 的传输性能，但是对于远距离传输， 应用w i f i 无线技术的p a n 的性能将会强于u w b 技术。u w b 和同为热门的w i f i 不 会进行直接竞争，因为u w b 更多的是应用于1 0 米左右距离的室内。在家庭无线 网络的环境下，u w b 良好的多媒体性能恰好弥补了其它技术的不足。事实上，把 u w b 看作蓝牙技术的替代者可能更为合适，尽管蓝牙技术具有廉价和低能耗的优 点，但是其传输速率远远不及u w b 技术，只能达到5 0 0 k b i t l m b i t s ，另外蓝牙 技术的协议也过于复杂。 表1 1 几种无线通信技术的对比 工作频段传输速率通信距离 技术类型发射功率成本 ( g h z ) ( m b p s ) ( m ) 蓝牙 2 4 = 4 8 0 = l o = 1 w较高 w i n m a x2 l l = 7 4 7 = 5 0 0 0 0高较高 瘫京鄄毫学辘雅圭谵文 第一摹鳝逾 1 ，2u w b 的主要技术特点 盘予u 1 i f b 与传统通信系统楣毙，工作原理不黼，函诧嘲爨有如下传统通信 系统所无法比拟的技术特点嘲m ： ( 1 ) 系统结擒豹实瑰魄较楚单：当翦豹无线避偿技术赁馒髑豹遁售载波楚连 续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变亿，从而利用载波的状态交化来传 输信息。丽u w b 则不使用载波，它通过发送纳秒缀脉冲来传输数据信号。u w b 发 蔻器壹接搜髑熬净奎黧激裁天线，蚕震要传统收发摄辑霉要静上交频，从嚣举蔫 要功率放大器与混频器。u 1 i b 允许采用非常低廉的宽带发射枫，蔺时，在接收端， u w b 接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，u w b 系统结构的实 魂毙较麓肇。 ( 2 ) 黼速的数据传输：u w b 信号豢接用脉冲对信号进行调锖i j ，调制脉冲的形 状非常陡峭，在时域上，脉冲的持续时间决定了信号在频域内所占据的带宽，脉 肄越窄，频谱越宽，u 鹬薅号波形酝羞窝豹频谱毙迭数g 珏z 。裁攥香表公式 c = b w l 0 9 2 ( 1 + s n r ) ( 1 2 ) 式中：c = 信道容爨 b 箨= 信遭带爨 s n r = 信噪比 可以看出，在一定信噪比的前提下，邋过扩展信号的糟宽可以达到提高传输系统 容量静嚣的，显然u 箨b 技术霹鞋在缀低静发菇珐率下传辕嚣常蕊静数据速率。 民用商品中，一般疆求u w b 信号的传输范围为1 0 m 以内，荐根据经过修改 的信道容慧公式，其传输速率可高达5 0 渊b i t s ，所以u 】| j | b 楚实现个人邋傧和 无线蜀域溺豹一释瑾怒调制技术。u 嚣转隘 # 常宽静频率带宽来换取高速静数攒传 输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享熊他无线技术使用 的频带。特别是在军事绒用中，可以刹用巨大的扩频增益来实现远距离、低裁获 率、低捡测率、高安全链和商速的数据传输。 ( 3 ) 功耗低：u w b 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一 般在o 2 翻s 1 5 n s 之间，具有缎低豹占空因数，系统耗电w 淡做到缀低，在 高速透信精系统的耗电囊仅灸凡酉# 撵几十耐。& 用的骊b 设备功率一般燕健 6 南京郎电学院磺士论文第一章绪论 统移动电话所需功率的l 1 0 0 左右，是蓝牙设备所需功率的l 2 0 左右。举用 懿u 弱惫螽耗窀藏更低了。霾魏， 黯设备在毫涎寿会和邀磁辏蔻主，摇慰子 传统无线设备有着很大的优越性。 ( 4 ) 安企性高：u w b 技术作为通信系统的物理朦技术具有天然的安全性髋。由 手臻b 穰鸶一般把羡弩筑量扩教褒缀宽敬频繁蕊爨肉，怼一般遽薅系统，u 霉8 信 号仅相当予白噪声信母，并且大多数情况下，u w b 信号的功率谱密度低于自然的 电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是件非常困难的事。采用编码对 默 率参数遽行伪夔辊纯嚣，赫净兹竣灏将更热溺臻。 ( 5 ) 多径分辨能力强：由于常规凭线通信的射频信号大多为连续信号或其持 续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率的提 亳。由于熬塞带无线惫发莉斡是持续辩闯较短豹擎蠲袭豫洚基鑫空馥投抵，多径 信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生混叠，其多径传输路径 长度应小予脉冲宽度姆传播速度的鞭积。由于脉冲多径信号在时间上不重藏，所 溢穰吝荔分离窭多径分豢戳充分囊溺发鼓整号懿熊堂。大量浆灾验表饔，对豢麓 无线电信譬多径衰落深达1 0 3 0d b 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰 落最多不到5d b 。 ( 6 ) 穰号衰减小，僚弩穿透杰强，定谴穗确：冷激赫津曩蠢镬离的定位耪凄， 采用超宽带无线电通傣，很容易将定位与通信合，而常规无线电难以做到避一 点。传统炙线通信系统魁用正弦波携带信息的，天线发射的正弦电磁波是一蕈申球 嚣渡，奁窳努垂由空阉串翡衰藏与鼹离静平方成致院，在室内多径倍遵条佟下， 衰减与距离的3 4 次方成反比。而u w b 的瞬态脉冲具有较强的定向性，其旋减 与距离成蔽比甚至更小。因此在相同功率的条件下，采用基带窜脉冲形式的u w b 信号哥魄般静璃翩载波兹信号传输爱远靛距离。舅终，由予蘩带窄脉淬中会蠢 较多的低频分量，所以可以轻易地穿过墙壁等一般障碍物，从而为u w b 技术在透 视成像等领域的应用掇供了便利。越宽带无线电嶷有的极强穷邂能力，可在室内 和缝下进行精确定位，爵g p s 定位系统只毵工幸管程g 翳定佼麓星的可视蕊疆乏 内。与g p s 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以飨出相对位置，其 定位精度w 达厘米级，此终，超宽辫无线电定位器也更为便敷。 7 ) 系统实现成本低、工程简举、造价便宣：传统酶道倍系统大都采用攀叛 南京邮电学院硕士论文第一章绪论 载波或多频载波对信号进行调制，即将信号的基带频谱搬移到所工作的载波频谱 上。u w b 技术采用的是基带窄脉冲无载波直接调制方式，因为无需对载波进行调 制和解调，从而使系统的成本和功耗进一步降低，同时低功率的脉冲比起以前雷 达和通信中的大功率脉冲，更容易产生，实现成本更低。在工程实现上，u 旧比 其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲， 并对脉冲进行调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将会很 低。 1 3u w b 的应用领域 凭借着短距离传输范围内的高传输速率这一显著特点，u w b 进军民用市场之 初就将其应用主要定位在了无线局域网和无线个域网中。现有的各种无线解决方 案( 例如3 g 、8 0 2 1 1 、蓝牙等) 的传输速率均低于1 0 0 m b s ，u w b 则在l o m 左右 的传输范围内突破了这一限制。这种小范围内的高速通信通常是用有线连接来完 成的，而u w b 的应用使人们摆脱了各种线缆布线的牵绊。家中的电脑不再需要各 种线缆分别连接显示器、打印机和扫描仪，摄像机向电视实时输送录像也代之以 高速无线连接，通信因而变得更为方便，这将会给人们的生活带来极大的便利， 甚至改变未来人们的日常生活方式。人们也可以用同样的技术来帮助警察搜寻潜 藏在屋内的罪犯，以及解救那些被围困在倒塌建筑物里面的落难者，甚至防止汽 车相撞。类似的应用将会层出不穷，远远超出了目前人们的想象空间，根据目前 的发展趋势来推断，u w b 的应用将主要集中在以下几个方面“m “”： ( 1 ) 高数据速率无线多媒体局域网、个域网 在无线多媒体局域网、个域网中，各种数字多媒体设备，比如数字电视、d v d 机、数码相机、数码摄像机、计算机、各种智能家电等，根据需要，在小范围内 组成自组织( a dh o c ) 式的网络，高速相互传递各种多媒体数据，并可以通过安 装在家中的宽带网关，接入i n t e r n e t ，构成一个智能家庭环境。 ( 2 ) 雷达系统和智能交通系统 利用u w b 技术可以制造出高分辨率雷达系统，在军事上可以用于入侵检测。 同时u w b 系统同时具有无线通信和定位的功能，可以方便地用于智能交通系统 中，为汽车防撞系统、智能收费系统、测速、监视系统等提供高性能、低成本的 解决方案。 窝窳郎奄学陵矮士谂文第一掌鳍谂 ( 3 ) 无线抟感嚣 在无线传熬黼孛，遴常嫠求传感嚣匏功耗藩零，j 、，讶欧连续工佟数燕，甚至 数年之久恧不嚣充电。霾麓豹徽法是邋避媒体接入控剿( 激e ) 层釉网终基懿臻 议没计篱传，撼量减少不必癸靛特输，采骞效缝剥题兹线接遴弱黪撩瓷滚。农l 墩 鏊疆土，势暴袋翅琏耗校低瓣氍器携理鼷，裁莓鞋太大戮蕊鹾盎屡灏逮终层鳃复 杂发，使系统麓耗遴一步减少。 ( ) 救援鞫安全壤域 袋滔萎带譬敦羚方式戆摧8 系统+ 爨宥较强蕊簧遴薄醛凌避行遴傣懿臻缝， 在消稼、鬣搽镣矮城有着广泛豁鬻途。程消防上，滞8 设备毒越援救火场串、瀵 罐下斡幸存者。在勘探领域，剽熏潲8 技术，萄戮探渊粥建袭戳下数洙深熬裙蒺， 大大提高了工耧戆进度。 l 。4 嘲豹研究应爆现状 黧箭膀述，现代意义上靛超宽带u w 转数攒传输拽术，又称脉冲无线宅( i r i m p u l 8 er a d i o ) 技术，出蠛子1 9 6 0 年代，当时主鬻研究受时域脉冲响应控制 的徽波鼷终鲍瓣态动作。遴进融r 叫镰、r o s s 帮r o b b i n s 等先行公司麴磅突， u w 罪鼓术在7 0 年代获得了惹要粒发震，冀孛多数熊中在雷达系统应用中，包 拱攘媳雷达系绒”3 。到8 0 雄代届期，该技术开始被称为”笼载波”咒线电，妓脉 掉无线逢。美蓬国爨邦在l 8 9 莓蓄次健餍了”超带突”这术港。必了磺究u 孵 程是趱领域搜惩豹可行毪，彝1 9 9 8 年翘，美霹联邦邋信委员会( 敝) 对超宽 带无线设餐对暇有窄带无线通髅系统的予扰及其楣甄簸容的闽题湃始广泛征求 妊彝蠢显，在脊荑蓉军蠢和舷空赛等众多不灏意霓豹绩强下，f c 仍开菝了鞋w 8 技术褒短题鬻蠢线通售领域躲应惩许可，这充分说蹋了就硬技术聪艇有的广阔成 粥翡爨秘眨大豹枣场诱惑力。 2 3 霉1 2 舞，在美嚣躲爨嚣鼍楚鹣鬻尔礤竟象豢举嚣了i e 髓鸯关u 裙轹猴 熟太讨论会议8 1 。那露关予驻髂援拳霄辩转翊互竞争麴标瞧，一方怒强 n t e l 警 德髑仅器为彗黢持貔糕b 激橼灌。一方愚以摩托罗链必燕豹d s 一轻张b 标准，双方程 这绣谗论串备不疆诖，嚣黉曲分鹱俸瑗程游建技术豹实现寿式上，蔚鬈巢臻多鬏 带方式，嚣者懋荦攘带方式+ 嚣蔫，这惩令簿营均裘黎耀萃独攘动器自豹技术。 拿 南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已有了追随者，三星在今年国际消费电子展上展 示了全球第一套可同时播放三个不同的h s d t v 视频流的无线广播系统，就采用了 摩托罗拉公司的x t r e m es p e c t r u m 芯片，该芯片组是摩托罗拉的第二代产品， 目前已有样品提供，其数据传输速度最高可达l1 4 p s ，而功耗不超过2 0 0 w 。 在另一阵营中，i n t e l 公司近期在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用9 0 n m 技术工艺处理的u 1 】| f b 芯片。同时，该公司还首次展示了多家公司联合支持的、采 用u w b 芯片的、应用范围超过1 0 m 的4 8 0 m b p s 无线u s b 技术。在去年5 月中旬由 i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举 u w b 标准，m b o a 获得6 0 的支持，d s u w b 获取4 0 的支持，两者都没有达到成为 标准必须达到7 5 选票的要求。因此标准之争还要持续下去。 美国在u w b 的积极投入，引起欧盟和日本的重视，也纷纷开展研究计划。1 。由 w i s a i r 、p h i l i p s 等六家公司和团体成立的u l t r a w a v e s 组织研究了家庭内u w b 在a v 设备高速传输的可行性。位于以色列的w i s a i r 多次发表介绍了所开发的 u w b 芯片组进展情况。s t m i c r o 、t h a l e s 集团和摩托罗拉等1 0 家公司和团体则成 立了u c a n 组织，利用u w b 研究出了p w a n 的技术，包括实体层、m a c 层、路由与 硬件技术等。由i 蹦研究公司、英国的p h i l i p s 研究组织等4 5 家以上的研究团 体组成的位于瑞士的p u l s e r s ，主要研究u w b 的近距离无线界面技术和位置测量 技术。同本在2 0 0 3 年元月成立了u w b 研究开发协会，共有4 0 家以上的业者和大 学参加，并在同年3 月构筑了u w b 通信试验设备。 u w b 的专业i c 设计公司已有数家，如x t r e m es p e c t r u m ，t i m ed o m a i n ，w i s a i r ， d i s c r e t et i m ec o 咖u n i c a t i o n s 最具代表性的x t r e m es p e c t r u m 在2 0 0 3 年夏 天被摩托罗拉并购，该公司在2 0 0 2 年7 月推出芯片组t r i n i t y 及其参考用电路 板，芯片组由 i a c 、l n a 、r f 、b a s e b a n d 所组成，耗电量为2 0 0 m w ，使用3 1 g 至 7 5 g h z 频段。速度为1 0 0 m b p s 。为了争夺未来的家庭无线网络市场，许多厂商都 已推出了自己的网络产品”1 ，如i n t e l 的d i g i t a lm e d i aa d a p t e r ，s o n y 的 r o o m l i n k ( 这两种适配器应用的是8 0 2 1 1 ) ，x t r e m es p e c t r u m 则推出了基于u w b 技术的t r i n i t y 芯片组和一些消费电子产品，而m i c r o s o f t 推出了w i n d o w s x p m e d i ac e n t e re d i t i o n 以确保p c 成为智能网络的枢纽。 我国u w b 的研发工作起步较晚，与国外业界巨头相比，投入太少。但就其技 1 0 南京邮电学院硕士论文 第一章绪论 术本身而言，我国也非常重视这项革命性的技术，我国在2 0 0 1 年9 月初发布的“十 五”国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术 及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内 学者加强这方面的研究工作。目前，我国正积极加入到其技术研究领域中去，许 多研究机构和越来越多的高等院校也已经把目光投向这一极具发展潜力的技术 领域中去。 南京邮电学院硬士论文 第二章u w b 通信系统概逑 第二章u 1 9 b 通信系统概述 2 1u w b 通信系统的基本组成结构 发射机部分 毒匦豳塌 接收机部分 网2 lu w b 遇馆系统的基本组成结构 錾2 一l 获示一个轻鹩逶信系绞主要峦发骞重税耱接蔽极强帮分缝或，下瑟藩 单介绍一下其工作过程。 在发射端时钟发射器产生一定熏复周期的脉冲序列，根据用户要传送的信息 帮表示该麓户遮蘧黪翡逮租疆霹编稳廷薅器对系统辩镑迸蠢穰确熬延嚣，燕辩器 的脉冲序列驱动脉冲产艇电路，形成定脉冲彤状和规律的脉冲序列串，然厝耦 合到超宽带天线发射出去。 在接收端，超宽豢必线搂浚静傣琴反馈蜀褥笑嚣戆一令输入端，相关器瓣舞 一个输入端加入一个本地产生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列， 起经过棚关器中的相隳、积分矛采样保持运算产生一个对用户地址信息进行 分离静萤蛩，其中莰含焉户传输倍惠秘其它干撬。然后再对该馁等进行解调逡箨， 即根据发端的调制方式j c 寸每个脉冲进行判决，恢复出所传输的倍息。图中接收机 部分的基带处理包括捕获积跟踪电路，用于准确镇定时阅编码序列。 1 2 南京邮电学院颂 + 论文第二章u w b 通信系缱概述 2 。2u 嬲系统的信号波形设计 超宽带通信以每秒数十兆个脉冲的速率发射和接收超宽带脉冲信号。趟宽带 信号是一系列持续时间极短( 时域) ，丽频谱极宽( 频域) 的脉冲串，信号以光速传 输，系统瓣蚕个部分依次( 菲同霹) 受剿信号翁诺舔，因魏穰号麓系统静裙要终磊 过程在时间上可以跟踪。所通过的倍息通过脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲键控调制 ( o o k ) 等方式调制到精确定对的脉冲序列串中去。 赫渖位饕谲裁是遴过一个霹闻蹒动穿剜逶行缒。对闽雾动w 浚在瘸期校信号 的功率谱密度中引入个连续的、类似于噪声的分量，从而削减其离散谱线峰值。 同一般的周期信号不冈，超宽带脉j 串信号需要三个变量来定义：脉冲宽度、脉冲 重复频率秘脉冲辐度。 u w b 系统发射机发送的不是正8 客波信号，而感脉冲间隔严格受控的超短时脉 冲串。为了便于理论分析，我们假设每一传送的脉冲w ( t ) 都具有相同的形状， 工作脉宽为0 2 1 5 n s ，重复属期为2 5 l o n s ，趱短爵簸洚决定了信号鹩带宽 很宽。一种普遍使用的由u w b 脉冲发射器产生的脉冲模型是所谓的高斯单周期脉 冲波形( g a u s s i a n 酣o n o c y c l e ) ，数学表达式如下： w ( t ) = 2 e a 硝t e x p 【( 2 ( 霈t t ) 2 】 ( 2 一1 ) 其中a 决定了脉冲的峰值高度，决定了脉冲的中心频率，式2 1 实际上 是离蘩酯数豹一除导数形式，这静躲洚反获了阶跃恢复二稷警产生於类离颓躲渖 在u w b 天线上的求导运算杼为，w ( t ) 的归一化波形图如下： 南京邮电学院硕士论文第篇章u w b 通信系统撮述 躅2 2高新单周期脉冲归一化波形示意图 在频域上，嵩赣萃溺麓驭；孛可敬表示必下式： w = 一孵扣心 2 m ：， 脉冲持续的周期对间r 定义为脉冲媛高幅度和最低幅度之间的时间间隔，、脉冲豹 中心频率藉周麓f 存在如下f c = l ，f 豹直接关系。 撼 耱 髂 不像传统的窄带通信系统，u w b 脉冲信号在频域把能量尽可能扩展得很宽，以 1 4 南京邮电学院硕士论文 第二章u w b 通信系统概述 便最小化功率谱密度和减少对其它系统的潜在于扰。由上面的功率谱图2 3 可 以看出高斯单脉冲含有直流成分，这将有利于降低天线发射功率。 在超宽带通信系统中，传输和接收信息不是用单个的脉冲来完成的，而是由 一系列的高斯脉冲串序列来完成信号传送的。发射机产生的规则的脉冲串序列用 下面的表达式来表示【l 。 ： w ( t jt f ) ( 2 3 ) j 。一 其中，t f 为脉冲重复周期，其频域图如下： 图2 4 高斯脉冲串序列的功率谱密度图 从图2 4 可以看出，规则的脉冲串序列产生的能量谱为梳妆谱，已经很低 的脉冲功率被扩展到梳妆谱中，功率谱更平滑、更平坦。由于信号覆盖了众多的 通讯频段，规则的梳状能量谱有可能在短距离内影响现有的其它窄带无线通信系 统。为了确保通信质量，可以通过改变脉冲与脉冲之间的时间间隔来消除梳妆谱。 2 3u w b 通信信道模型 在无线信道中，发劓天线和接收天线之间一般并不存在现实条件下的电磁 波，这是因为在视线方向上往往有很多的障碍物，直线传播被障碍物阻挡了，从 而使得无线信道与固定信道有着非常显著的差异，它是随机不可预测的。在无线 信道中，电波的传播主要有反射、衍射和散射三种形式。这三种传播机制会产生 南京邮电学院顿士论文薷篡辩u w b 通信系撬穰述 大量的传播路径，引起电磁波的多经传播和衰落现象，在系统设计和计算中必须 考虑妥玄稻豹效应。 作为信息的载体，信号在信道中传输时会发嫩多种变化。其中的一些变化本 质上是必然的，如衰减、线性和非线性失真。还蠢些变化是髓机的，如加性噪 声、多径畿落等。既然确定静交蘧霹蔽被俸必隧税变诧懿特殊惨况来考虑，那么 通信信道的数学模型就w 以用输入和输出信号之间的统计相关性来表示。最简单 的情况是用信道输出在鞠应输入条件下的条件概率来建模。信邋模型的建立怒系 统设诗、魏麓钱纯醣及深入磷究斡蘩懿之一，准确、完整豹模蘩又是建模豹荧键 点和难点。 为评储备种超宽带脉 串通信实现方案豹性熊以及标准化工住，通常需要擞据 其工作环境建立一个隗较精确静僖遂模壅。僵燕豳于超宽带躲冷信号的特辣毪， 如持续时间纳秒量级、缀宽的带宽掷。因此，它的信道特性会肖些与窄带连续 通信系统菊所不同的特点，但是信遂撼述还是会皴箍原有这方灏的基础概念。在 这里主要考虑静信道横覆是路径摄耗模鍪 饔多经攘鳌。路径攘繇模鍪包器雾谗障 碍损耗、视距传播损耗和非视距传播损耗。信道模型对信道镳路估算、传播范围 豹规划和评馈物理层方案都是必须的。多径模型一般有统计模糕搬确定性摸溅两 种，根据这类模童可戳熏成吴俸弱僚道实现，戮瓣氖统往避释仿真。评髂多径 模型通常包括的参数商多径到达时间、平均延迟扩展、最大延迟扩展、平均多径 强度模型、多径揠度特性、信道时交特性、信道线性或者非线谯律用造成的翘趣 等。 u w b 倍道不同于一般的无线衰落信道。传统的光线衰落信邋般用瑞利分布 来搐述单个多径分量蠛魔豹统计将髅，翦提是每令分量可以谈援为多个冠赎剿达 的路径合成。但是u 并b 可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级。同时，在 典型的室内环境下，每个多径分量所包含的路径数目是有限的，通常只有2 3 条，这显然不祷会瑞翻分蠢戆稷定象佟。另努囊予强烈熬教射效应，u 嚣b 傣滋生 的多径分邈呈现出成缌到达的特征，在典型的室内密集多径的环境下，接收波形 的时延扩展很大例如在比较极端的情况下，一个脉冲宽度为2 n s 的信号通过 啪痿遥之嚣，接收波彤竟霹持续到2 3 0 n s 。上述鹣这些特点爱映在额域土，羹| l 可以看到由于信号分薰横跨了数吉赫兹的频率范豳，频率选择憔褒落的特征极为 l 矗 南京邮电学院硕士论文第二章u w b 通信系统概述 明显。 目前，国际上对超宽带无线通信信道提出了很多的模型“，其中包括它们的 信道测量实验环境、数据描述、路径损耗模型、多径模型等。例如在i n t e l 提出 的模型中，主要对它的s a l e h v a l e n z u l a ( s v ) 模型进行描述，其中包括信道的脉 冲响应，也就是多径模型。a t t 提出的模型给出了损耗模型和多径模型。在i e e e p 8 0 2 1 5 提出的超宽带物理层标准草案中，路径损耗模型综合了其它几种模型， 而多径模型基本上是基于i n t e l 所提出的。由于测量方法、测量环境以及建模方 法等的差异、他们各自所建立的信道模型也就存在较大的差异。但是，几乎所有 的结果测试都表明：u w b 脉冲信号在室内传播时的多径现象十分严重。通过这些 模型可以得到对超宽带信道较为深入的理解，也可以根据实际情况，参照这些模 型对系统性能进行评估。 目前最常用的仍是一种离散的延迟线模型，如下所示： l h ( t ) = g 。6 ( t t 。) ( 2 4 ) n t i 其中，l 代表最大可分离的多径数，t 。和g 。分别代表第n 条路径的延迟和幅度衰 落系数。根据对大量测量数据的分析，可以得出以下一些重要结论： ( 1 ) 室内信道的均方根时延扩展大约为2 0 3 0 n s ，无视距分量的情况下会更 高。 ( 2 ) 幅度衰落系数g 。满足对数正态分布。随着测试脉冲宽度的增加，多径分 辨率随之降低，g 。的分布将从对数正态分布逐步演变为n a k a g a m i 分布。如果进 一步增加脉宽，当每个多径分量包含的路径数足够多时，g 。的特性仍将会回到 瑞利分布上去。 ( 3 ) 最大时延扩展小于2 5 0 n s ，多径强度谱e il g 。1 2l 属于非均匀分布，且满 足指数衰减特性。 ( 4 ) 多径到达时间t 。符合泊松分布，具有多径分量的成组到达特性。 南京邮电学院硕士论文 第二章u w b 通债蒜统概述 2 。4 信号的编码和调制髓介 本部分简要介绍下u w b 技术常见的几种倍号编码和调制技术。如同其它 通信系统一样，u w b 系统也要对信号进行编码。通常u w b 系统采用跳时编码 ( 罩# 一u 轷8 ) 帮壹接彦蘸编弱( 赘一u 霉8 ) 8 “。鹜2 5 秀虢嚣缀褐示意饔。这攫缓 定在一个数据帧中k 中有8 个跳时位( 8 t c ) ，该图的脉冲信号位于第4 跳上。 理论上说，脉冲所在麴经置应该是髓枫的或伪髓机豹，这样，数据信号在频谱上 就可以寝虢出噪声仡的特征。 t f 疆2 5 # i 器跳跨缡碣露意鹫 此外，与传统的熬乎载波的c d m a 系统类似，u w b 通信系统还可以通过伪随机 序列( p n 序列) 进行扩展。有关信遒化和调制过稷就如同c d m a 扩频一样，粥片速 率秃誉瑶8 中心频率弱一部分，改交褥片速率裁虿戳孚鬻慧豹麓疑。 适用于u w b 通信系统的调制方式主要有”1 ：脉冲幅度调制( p a m ) ，邋断键 控调制( o o k ) ，跳时脉冲位置调制( t h p p m ) ，跳对直扩二进制频移键控调制 ( 羊影玲s 一转p s l ( ) 。菰上述嚣耱诿裁方式嚣言，综合考虑霹靠雯、有效经秘多缝淫 能等因豢，目前广受荧注和普遍采用的是后两种跳时脉冲位麓调制和跳时直扩 二进制频移键控调制方式。二者的送别在于：采用匹配滤波器的单用户检测情况 下，蹒辩盏扩二迸镶频移键整调潮瓣往蔻要髓予辣淬谴嚣调麓，蠢慰魏辩耋扩 二进制频移键控调制米说，速率高时，应优先选择直扩二进制频移键控调制，速 率低时，出于跳时二j 藏制频移键控调制受远近效应的影响要小，此对应该选择跳 拜季二逮翻频移键控调铡。在采瘸爨小均方误羞( 簸嚣e ) 检测方式懿多蔫产接羧撬 应用情况下，两者的蒺别不大：假在速率较高时。跳时直扩= 进制频移键控调 制的挫能要优于跳时脉冲位置调制。 勇豁，2 e 0 3 年i n t e l 公蠹l 撵毽7 一释更魏灵滔鹣频谱稀舔蠢案一多带诵澍方 案( o f d m ) “”。该方案完全摒弃了茏载波窄脉冲的思想。又网到传统的窄带通信 1 8 南京邮电学院硕士论文 第二章u w b 通信系统概述 技术上，提出将可用的7 5 g h z 频段划分出十几个5 0 0 6 0 0 删z 左右的子频带， 在每个子频带上采用o f d m 技术实现宽带无线通信。为了有效地利用整个频谱， 多个频段必须在多个频率中心处产生。采用伪载波振荡可以完成中心频率的选 择。伪载波振荡频率确定了频带的中心频率，而振荡波的形状则定义了冲击脉冲 的形状，因而确定了带宽。 多带u w b 调制具有很多优点，其中之一就是可以充分有效地使用f c c 所规定 地整个频带；另一个突出的优点就是可以独立对待单个子频带，这样就增加了 u w b 系统的灵活性，并且在u w b 设备和其它设备共存时，多带调制技术可以明显 地减少u w b 设备对其它窄带设备的干扰。 1 9 南京邮电学院鞭士论文 第三章基于伪混沌缓解鹤的脉冲位置调错方案 第三章基予伪混沌编解码的脉冲位置调制方案 3 1 混沌简介 潺涎燕一耱特殊静邀动影式，它罄遍存在于巍然赛孛。在混滗垂式痒灸一门 科学分支之前，人们在安验室中就融经发现了混沌现象的存在。其中最著名的事 件是：2 0 馓纪6 0 年代美图麻省理工学院的气象物攥学家洛仑兹( e n l o r e n z ) 在 恁豹诗雾凝上联究一令鬟力瑟熬对滚惩蘧豹蘧纯模整薅发现，农令完全确定豹 三元一阶非线性常微分方程描述的耗散系统中。参数微小的变化引起了解的融大 变化，系统在一定的参数范围内出现了非周期的濑沌解“”。洛仑兹发现的遂一模 鍪装学零赛傲为滢洼凌鬏貔第一令经簇稠子，并瓣憩遂孬了逡步熬潦入磷窕。 随着探索的不断深入，人们揭示出了关于混沌越来越多的特性署眭规律。至今我们 知道的基