（电路与系统专业论文）基于峰值检测的超宽带接收方法研究与演示系统实现.pdf

i l l l l l lll ll llll lll l l l l m l l 0 y 2 12 5 4 9 2 un i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c hn o l o g yo fc h in a ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r sd e g r e e r e c e p t i o nm e t h o dr e s e a r c h a n di m p l e m e n t a t i o no fu w b s y s t e mb a s e do np e a k d e t e c t i o n a u t h o r sn a m e ： y a n y a nw a n g s p e c i a l i t y ： c i r c u i t sa n ds y s t e m s s u p e r v i s o r ：p r o f l uh u a n g ，l e c t r y o n gl i u n 1 o pl n l s h e dt i m e ： m a y8 t h ，2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特n d i ：i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 一一彤 作者签名：皇莹垄监 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学 技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅，可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关数据库 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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日么开口保密( 年) 一世妒 作者签名：圭二缕丝导师签名： 签字日期：塑! 王：堕：12 签字日期：一迦1 2 ：q 苎! 至i 摘要 摘要 脉冲无线电超宽带( i m p u l s er a d i ou l t r a w i d e b a n d ，i r u w b ) 通信采用亚纳秒级、具有 极低占空比的基带脉冲波形携带数据信息，具有传输速度高、系统容量大、保密性好及 抗干扰能力强等诸多优点。然而，伴随着这些优点的是脉冲超宽带通信所面临的诸多挑 战，例如窄脉冲信号时域能量集中和频域带宽极大的特点使得其接收方法往往具有很高 的复杂度；窄脉冲亚纳秒级的持续时间导致系统需要精确的定时同步，进一步增加了接 收机的复杂度。因此，在满足超宽带通信系统的要求，维持一定系统性能的条件下，如 何实现低复杂度、低功耗的有效的脉冲检测是一个非常具有价值的研究方向。 基于峰值检测的i r u w b 接收方法利用接收信号在脉冲持续瞬间的峰值功率最大， 根据接收信号的幅度信息解调数据，可以实现低复杂度、低功耗的接收。本文对此接收 方法进行了详细的介绍和理论分析，并且基于误比特率与比较器门限的关系，提出了一 个基于训练序列的动态门限控制算法。该算法无需估计系统信噪比，实现复杂度低，能 够快速逼近最优比较器门限，使得系统误比特率趋近最小值；在信道环境发生变化时， 该算法也能够实现对最优门限的动态跟踪和快速逼近。文章中给出了仿真结果，表明该 方法可以有效改善宽动态范围下的系统性能。 本文设计且实现了基于峰值检测接收方法的i r u w b 多媒体传输演示系统，包括 u s b 双工接口和p c 端上层视频通信程序的设计与实现，用以实现视频流的捕获、显示、 发送及接收等功能。测试结果表明，u s b 接口最高可以支持双向9 6 m b p s 的传输速率， 足够满足演示系统业务对传输速率的要求。目前，该演示系统已经搭建成功，工作稳定 且性能良好，能够实现高质量视频的双向传输；演示系统在基带4 0 m 时钟下可以实现双 向1 6 m b p s 的数据传输速率。本系统的设计对其它的通信演示系统具有一定的借鉴意义。 关键词：脉冲超宽带，低复杂度，峰值检测，动态门限控制，u s b 双工接口，视频通 信程序 原书为 不缺内容 白页 a b s t r a c t a b s t r a c t a sap r o m i s i n gp h y s i c a ll a y e rc a n d i d a t eo fs h o r t r a n g eh i g h r a t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， i m p u l s er a d i ou l t r a - w i d e b a n d ( i r u w b ) h a sd r e wg r e a ta r e n t i o ni na c a d e m i aa n di n d u s t r y b ye m p l o y i n gv e r yn a r r o wp u l s ew h o s ed u r a t i o ni so f ft h eo r d e ro fs u b - n a n o s e c o n d ，i r - u w b s y s t e mc a na c h i e v es i g n i f i c a n tc a p a c i t ya n de x t r e m e l yh i g hd a t ar a t e ，w i t h o u tt o om u c hp o w e r c o n s u m p t i o n h o w e v e r , t h ee x t r a o r d i n a r yn a r r o wp u l s ea l s oi n t r o d u c e ss o m eg r e a tc h a l l e n g e s ， s u c ha s p r e c i s es y n c h r o n i z a t i o n ，h i g ha n a l o g t o - d i g i t a l ( a d c ) s a m p l i n gr a t e t h e r e f o r e ， i r u w br e c e i v e r sw i t hl o wc o m p l e x i t ya r ed e s i r a b l e i nt h i sp a p e r ，w ef i r s td i s c u s ss e v e r a li r - u w br e c e i v e r s ，i n c l u d i n gc o h e r e n tr e c e i v e r , a u t o c o r r e l a t i o nb a s e dr e c e i v e ra n dn o n - c o h e r e n tr e c e i v e rb a s e do ne n e r g yd e t e c t i o n a f t e r s o m es i m p l ec o m p a r i s o n ，n o n c o h e r e n tr e c e i v e rb a s e do np e a kd e t e c t i o ni sc h o s e nt or e a l i z e t h el o wc o m p l e xr e c e p t i o nf o ri r u w b t h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) o fs u c hr e c e i v e ri sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t sb e rp e r f o r m a n c e ，ad y n a m i ct h r e s h o l dc o n t r o l a l g o r i t h mb a s e do nt h et r a i n i n gs e q u e n c ei sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dp r a c t i c a la l g o r i t h mc a nt r a c ka n da p p r o a c ht h eo p t i m a lc o m p a r a t o rt h r e s h o l dw i t h o u t a n yp r i o ri n f o r m a t i o n ，w h i c hl e a d st oab e t t e rp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ep e a kd e t e c t i o nr e c e i v e rf o ri r - u w b ，ah i g h - r a t ed a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h r o u g ha n a l y z i n gi t sa p p l i c a t i o ns c e n a r i o s ，t h er e q u i r e m e n t sf o r s u c ht r a n s m i s s i o ns y s t e ma r eo b t a i n e d t h e nt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei sd e r i v e d ，w h i c hc a nb e d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：b a s e b a n d ，i n t e r f a c eb e t w e e nb a s e b a n da n dp e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) a n da p p li c a t i o np r o g r a m s t h ed e t a il so ft h eb a s e b a n dw i t hd u p l e xc o n t r o la r ei n t r o d u c e d w ef o c u so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nb a s e b a n da n dp c f o rc o m m o n a l i t ya n di m p l e m e n t a t i o nc o n v e n i e n c e ，t h ei n t e r f a c ei sr e a l i z e db a s e do nu s b 2 0 t h u s ，i tc a nb ed i v i d e di n t ot h ef i r m w a r ea n dt h ev e r i l o gp r o g r a mo ft h eb a s e b a n d ，w h i c ha r e b o t hg i v e ni nt h i sp a p e r t h ei n t e r f a c ei sa l s od e s i g n e dt oo p e r a t ew i t ht i m ed i v i s i o nd u p l e x m o d e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ts u c hi n t e r f a c ec a na c h i e v e12 m b y t e s t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mw ec o n s i d e r e di nt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sv i d e ot a l k t h e r e q u i r e m e n t sf o rs u c hv i d e o t a l ki n c l u d ev i d e oc a p t u r i n g ，d a t at r a n s m i t t i n g ，d a t ar e c e i v i n ga n d v i d e of r a m er e s o l u t i o n t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a na c h i e v e16 m b p si nb o t h d i r e c t i o n so ft h ev i d e ot r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：i r - u w b ，l o wc o m p l e x i t y , p e a kd e t e c t i o n ，d y n a m i ct h r e s h o l dc o n t r o l ，d u p l e x i n t e r f a c eb a s e do nu s b ，v i d e ot a l k i i i 原书为 不缺内容 白页 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i i 目录v 图表目录。v i i 第1 章绪论一1 1 1 超宽带信号的定义1 1 2 超宽带通信的历史与现状2 1 3 超宽带通信体制3 1 3 1 脉冲无线电( i r ) 4 1 3 2 直接序列扩频( d s ) 4 1 3 3 多带正交频分复用( m b o a ) 5 1 4 脉冲超宽带的特点及挑战6 1 5 论文的结构8 第2 章基于峰值检测的脉冲超宽带接收方法1 1 2 1 脉冲超宽带其他接收方法l l 2 1 1 相关接收机1 1 2 1 2 自相关接收机1 2 2 1 3 能景检测接收机- 1 3 2 2 峰值检测接收方法研究1 4 2 2 1 接收机结构 2 2 2 接收机性能分析 2 2 3 动态门限控制 1 4 1 5 1 6 2 3 小结一2 3 第3 章演示系统总体结构2 5 3 1 系统设计需求及总体架构2 5 3 1 1 系统设计需求2 5 3 1 2 系统总体架构一2 5 3 2 基带模块一2 6 3 2 1 基带发送通道2 7 3 2 2 基；特接收通道2 8 v 同录 3 2 3 双工控制模块2 9 3 - 3 小结2 9 第4 章u s b 双工接口设计与实现31 4 1u s b 简介一3 l 4 1 1 u s b 的特点3 1 4 1 2u s b 系统3 2 4 1 1 3 事物处理和数据传输3 3 4 2e zu s bf x 2 简介3 5 4 2 1 f x 2 端点缓冲区3 5 4 2 _ 2f x 2 接口模式3 6 4 3 双工接l j 设计3 6 4 3 1 c y 7 c 6 8 0 1 3 固件程序设计 4 3 2f p g a 主控模块设计 4 3 3 接口测试 3 7 3 7 4 0 4 4 小结4 1 第5 章上层视频通信程序设计4 3 5 1 上层视频通信程序总体结构4 3 5 2u s b 设备的访问一4 4 5 3 共享缓冲区设计4 6 5 3 1 发送模块4 6 5 3 2 接收模块4 9 5 4 视频采集实现5 0 5 4 1 视频的捕获及显示一5 1 5 4 2 视频帧发送处理5 2 5 5 视频帧解析一5 3 5 6 演示系统实测结果5 5 5 7 小结5 7 第6 章结束语5 9 参考文献6 1 攻读硕士学位期问的研究经历与成果6 5 致谢6 7 v i 图表目录 图表目录 图1 1 超宽带室内和手持设备频谱规定2 图1 2 高斯二阶微分脉冲序列4 图2 1i r u w b 相关接收机结构1 1 图2 2i r u w b 自相关接收机结构1 2 图2 3i r u w b 能量检测接收机13 图2 4 峰值检测接收机结构1 4 图2 5 比较器与延展器示意图1 6 图2 6 系统误比特率与门限关系1 7 图2 7 系统时隙配置表1 8 图2 8 动态门限调整算法流程图1 9 图2 9 不同门限调整算法下误比特率比较2 l 图2 1 0 动态门限控制算法收敛门限2 2 图3 1 超宽带高速传输系统总体架构2 6 图3 2 基带模块结构2 6 图3 3 物理帧结构2 7 图4 1u s b 系统结构3 2 图4 2u s b 设备架构3 3 图4 3 信息包组成3 4 图4 4e z u s bf x 2 内部结构3 5 图4 5 双工接口结构3 6 图4 6f p g a 主控模块的结构3 8 图4 7 接口状态控制机3 8 图4 8 读操作仿真波形3 9 图4 9 写操作仿真波形4 0 图4 1 0 由写到读操作的仿真波形4 0 图4 11 由读到写操作的仿真波形4 0 图4 1 2 自环测试结果4 l 图5 1 上层视频通信程序总体结构4 3 图5 2 共享缓冲区示意图4 6 图5 3 写发送缓冲区流程图4 7 图5 4 读发送缓冲区流程图4 8 v i i 图表目录 图5 5 写接收缓冲区流程图4 9 图5 6 读接收缓冲区流程图5 0 图5 7 视频捕获流程图51 图5 8 解析模块流程图5 4 图5 9 峰值检测超宽带传输演示系统5 6 图5 1 0 节点硬件实物图5 6 图5 1 l 视频捕获实时双向传输测试5 7 表1 1f c c 对不同环境下不同频带中u w b 信号的功率限制2 表1 2 i1 4 m b p s 速率单载波d s c d m a 方案参数5 表1 3m b o a 系统参数表6 表2 1 比较器门限和误比特率随迭代变化2 2 表5 1i r p 类型4 4 v i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了超宽带通信的相关背景，包括超宽带信号的定义，超宽带通信的发 展历史和现状。经过比较现有的超宽带实现方案，选择脉冲超宽带作为论文研究方向。 针对脉冲超宽带的特性及由此产生的难点，考虑峰值检测的接收方法用于降低接收机实 现复杂度。本章最后给出了论文的组织结构。 1 1 超宽带信号的定义 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 信号的定义主要有两种。第一种明确的定义由美国国 防部于1 9 8 9 年首先给出，其规定超宽带信号所占的频谱宽度必须大于1 5 g h z ，或者 2 0 d b 相对带宽不小于2 5 。相对带宽，7 的定义如下 f f ，7 = 2 丛山( 1 1 ) 1h 七) l 。 。 其中厶和五，分别表示信号衰减2 0 d b 的上下截止频率。随着超宽带通信技术的民用化， 美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o nc o m m i t t e e ，f c c ) 于2 0 0 2 年给出了关于超宽 带信号的新定义，将原定义修改为：满足绝对带宽超过5 0 0 m h z 或者1 0 d b 相对带宽不 小于2 0 的信号即为超宽带信号 1 。由此可见，超宽带通信拥有常规窄带通信系统所无 法比拟的频带资源。 由于占用了极大的频带资源，超宽带信号与很多现有通信系统的频谱相重叠。图1 1 给出了f c c 对室内和手持设备的超宽带信号的频谱规定。从图中可以看出超宽带信号与 全球定位系统( g p s ) 、8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 等主要现有系统均发生频谱重叠。为了防止对 现有系统的干扰，f c c 非常严格的规定了超宽带信号在不同环境中不同频带下的最大功 率谱密度，如表1 1 所示。 同时，图1 1 中还给出了欧洲电信标准协会( e u r o p e a nt e l e c o ms t a n d a r d i z a t i o ni n s t i t u t e ， e t s i ) 的超宽带频谱规定 2 。此外，世界上其它的一些国家和地区的u w b 的规定也基 本上是基于f c c 的标准。 第1 章绪论 已 f r e q u e n c y ( mh z ) 图1 1 超宽带室内和手持设备频谱规定 表1 1f c c 对不同环境下不同频带中u w b 信号的功率限制 等效全向辐射功率谱密度( d b m m h z ) 频率( m h z l 室内通信手持通信低频段高频带中频段汽车雷达 成像 成像成像 9 6 0 1 6 1 07 5 37 5 36 5 36 5 35 3 37 5 3 1 6 1 0 1 9 0 05 3 36 3 35 3 35 3 35 1 1 3 1 9 0 0 1 9 9 06 1 _ 3 1 9 9 0 31 0 05 1 35 1 34 1 36 1 3 31 0 0 1 0 6 0 0 4 1 34 1 34 1 3 l0 ，6 0 0 - 2 2 ，0 0 05 1 3 2 2 ，0 0 0 2 9 ，0 0 0 5 1 36 1 35 1 35 1 34 1 3 2 9 ，0 0 0 - 31 ，0 0 0 5 1 3 3 1 0 0 0 6 1 3 1 2 超宽带通信的历史与现状 广义超宽带通信的历史可以追溯到马可尼在1 8 9 4 年使用的无线电发报机。当时用 于传输莫尔斯电码的火花隙发报机发送的电火花信号持续时间非常短，因而占用了极大 的带宽。这是人类历史上最早的超宽带通信。 h a r m u t h 、r o s s 和r o b b i n s 等人在2 0 世纪6 0 年代有关时域电磁场的工作开启了现 代超宽带技术的研究。集成电路技术和电子元器件的发展，使得超宽带技术的实现成为 2 第1 章绪论 了可能，并于1 9 7 4 年诞生了第一个基于超宽带的探地雷达。随后，美国的多带公司 ( m u l t i s p e c t r u ms o l u t i o ni n c m s s i ) 2 币i 时域公司f t i m ed o m a i nc o r p ) 等相继成立，并开发 出了基于超宽带的雷达系统和无线通信系统。凭借其强抗干扰和低截获等特点，这一阶 段的超宽带技术受到军方的青睐，成为军用保密通信的首选方案。 1 9 9 3 年，南加州大学的r a s c h o l t z 教授提出了使用脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 的跳时调制进行多址接入的方案 3 ，引起了人们的极大关注。从此，使用脉冲作为信 息载体的脉冲超宽地( i r u w b ) 技术获得了迅速发展。在学术界，包括斯坦福大学、南 加州大学、乔治亚大学等众多著名高校在内的一大批学校都投入大量科研力量进行 u w b 通信的研究。国际电子与电气工程师协会( i e e e ) 在每年均会举办有关u w b 通信 技术的专门会议。从产业界方面看，众多大公司如a t & t 、i b m 、i n t e l 、德州仪器( t i ) 以及f r e e s c a l e 等均在u w b 通信领域投入巨资进行相关产品的研发。一些企业还组成了 超宽带技术产业联盟，如u w bf o r u m 、m b o a ( 后来此公司与w i m d e i a 合并) 。在此基 础上，基于u w b 无线技术的通信产品也已经被开发出来。2 0 0 2 年，i n t e l 、t i m ed o m a i n 以及后来被f r e e s c a l e 收购的x t r e m e s p e c t r u m 公司均发布了u w b 通信：卷片以及基于该 芯片的传输演示系统，其数据传输速率都达到了1 0 0 m b p s 。i n t e l 更是于2 0 0 3 年进一步 推出了基于多带体制、传输距离达到1 米、数据速率达到2 2 0 m b p s 的u w b 传输系统。 f r e e s c a l e 公司在2 0 0 5 年展示了支持u s b 2 0 和蓝牙的u w b 芯片。另外，p u l s e l i n k 、 a t o m i c s 和a l e r e o n 等公司也都先后展示了自己的u w b 芯片或者通信系统。在u w b 通 信技术的应用方面，联想公司( l e n o v o ) 在2 0 0 8 年发布了集成有i n t e l 提供的u w b 无线 u s b 接口的便携式计算机t h i n k p a d 。 伴随着国际上超宽带研究的热潮，国内的超宽带研究工作也进行得如火如荼。在国 家自然科学基金、国家8 6 3 计划以及其他部委科研经费的支持下，国内包括东南大学、 中国科学技术大学、清华大学、成都电子科技大学、北京邮电大学、哈尔滨工业大学等 在内的一大批高校和相关的研究所( 如国家无线电管理监测中心、信息产业部北京电信 研究院等) 对u w b 技术展开了全面的研究，并取得了一定的成果，研发了一些基于u w b 的传输系统。在2 0 0 6 年初结束的有关u w b 通信主题的8 6 3 计划中，东南大学研究人 员在1 0 米的距离上采用d c o f d m u w b 制式实现了最高11 0 m b p s 的数据传输。清华 大学的m b o k u w b 系统能够实现3 米距离上7 5 m b p s 的无线传输。中国科学技术大学 利用i r u w b 更是在3 米距离上实现了最高脉冲速率4 0 0 m b p s 的无线传输。与此同时， 有关超宽带的标准化工作也在同步进行着。随着国家对超宽带研究的持续支持，超宽带 技术在不久的将来会获得更广泛的应用。 1 3 超宽带通信体制 根据超宽带信号的定义，超宽带通信系统主要包括以下三种实现方式：脉冲无线电 第1 章绪论 超宽带( i m p u l s er a d i ou w b ，i r u w b ) 、直接序列扩频超宽带( d i r e c ts e q u e n c ec d m a ， d s c d m a ) 以及多带正交频分复用超宽带( m b o a ) 。i r u w b 无需载波，是传统也是真 正意义上的超宽带技术。d s c d m a 和m b o a 技术均是在超宽带通信标准化的过程根据 f c c 的频谱规范和功率限制逐步提出来的，两者均需要载波调制。 1 3 1 脉冲无线电( i r ) i r u w b 是最为经典的超宽带通信实现方式。利用时间宽度只有亚纳秒、具有极低 占空比的基带脉冲波形携带数据信息 4 ，其发射信号的频谱从基带直接延展到射频段。 因此，i r u w b 无需载波调制即可直接通过天线辐射出去，既简化了收发机的结构，又 消除了载波带来的能量损耗，实现了低功耗传输。 高斯函数族脉冲由于其实现简单而最早被选作u w b 基带脉冲。经过发射天线和接 收天线的两次微分，接收机通常收到的是高斯二阶微分脉冲波形，如图1 2 所示。其中r 和t 分别是脉冲的重复周期和持续时问。从图中可以看出，脉冲超宽带信号的脉冲极窄， 占空比很低，具有很高的时问分辨率和很强的多径分辨能力。此外，升余弦脉冲和瑞利 脉冲也经常被用做i r 。u w b 的基带波形。 弓 图1 2 高斯二阶微分脉冲序列 i r u w b 系统可以采用多利一调制方式对基带脉冲进行调制，包括脉冲位置调l j ( p u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 、二进制相移键控( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，b p s k ) 、脉冲幅度 调t j ( p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) 、传输参考调隹j t j ( t r a n s m i t t e dr e f e r e n c em o d u l a t i o n ) 以及开关键控( o n - o f fk e y i n g ，o o k ) 等。 1 3 2 直接序列扩频( d s ) 直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 方案是x t r e m e s p e c t r u m 公司( 该公司已被 f r e e s c a l e 公司收购) 提交给i e e e8 0 2 1 5 3 a 的超宽带技术方案 5 。该方案首先对传输数据 进行扩频调制，对信号在频域进行扩展。然后再使用单载波将扩频之后的基带信号搬移 到相应的频段。 在d s c d m a 超宽带体制中，f c c 所规定的3 1 1 0 6 g h z 的可用频段被分割为高、 低两个频段。其中高频段为5 8 2 5 1 0 6 g h z ，低频段则为3 1 5 1 5 g h z 。两个频段之间的 4 第1 章绪论 空白是为了避免对现有系统的干扰。两个频段可以单独使用，也可以联合使用。单独使 用低频段或者单独使用高频段分别可以实现4 0 0 m b p s 和8 0 0 m b p s 的传输速率。同时使 用两个频段则可以获得高达1 2 g b p s 的数据速率。 d s c d m a 方案采用码长为2 4 且互相关性很低的三进制码作为扩频码，每个码片的 宽度是载波周期的3 倍。同时，系统采用多进制双正交键控f m b o k ) 的联合编码扩频调 制技术，选择根升余弦( r r c ) 波形作为发送符号波形。在低频段，脉冲时间宽度为7 3 l p s ， 在高频段则仅为3 6 5 p s 。d s c d m a 方案的主要参数如下表所示 6 。 表1 211 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 脉冲带宽 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 b o k 符号速率5 7 m b p s信道编码2 3 速率卷积码 此外，d s c d m a 超宽带体制还支持多达8 个微微网( p i c o n e t ) 。然而，由于该方案 对其他无线局域网设备存在干扰，且需要软频谱调节( s o f ts p e c t r a la d o p t i o n ，s s a ) 以适应 各个国家不同的频谱规定。因此，d s c d m a 体制的超宽带技术的发展受到了很大的限 制和约束。 1 3 3 多带正交频分复用( m b o a ) 多带正交频分复用方案是由t i 公司提出的 7 】，并且该方案得到了i n t e l 等较多i t 厂商和机构的支持。该方案将f c c 规定的u w b 频段切割成多个不小于5 0 0 m 的子带， 在每个子带内采用正交频分复用( o f d m ) 的方式进行数据传输。利用o f d m 中子载波相 互正交的特性，m b o a 方案能够获得很高的频谱利用效率。同时，o f d m 技术的使用是 的m b o a 方案能够更精细的控制发送信号的频谱形状，更好的满足f c c 的频谱规范和 功率控制。由于o f d m 已将较为成熟，因此可以极大的降低成本。表1 - 3 给出了m b o a 方案提交给8 0 2 1 5 3 a 工作组的相关物理层参数。 然而，由于在收发两端均需要实现一个1 2 8 位的i f f t 或者f f t ，m b o a 体制的超 宽带收发信机的复杂度很高。同时，o f d m 通信系统中的子载波问干扰( i c i ) 、峰均值问 题等也同样会影响m b o a u w b 系统的性能。此外，m b o a 方案还需要一个能够快速 调频的振荡器。这些因素导致m b o a 方案比i r u w b 方案显得没那么有竞争力。 第1 章绪论 表1 3m b o a 系统参数表 频带数量 1 0 子带带宽5 2 8 m h z 子信道 频率a( 3 16 8 - 4 7 5 2 ) g h z频率b r 4 7 5 2 - 6 0 7 2 ) g h z 频率c f 6 0 7 2 - 8 18 4 ) g h z 频率df 8 1 8 4 - 1 0 2 9 6 ) g h z 调制方式t f t - o f d m ( 1 2 8f f t l ，存方式子带删除，频谱编程 多路复用方式 时间一频率交织( t f i ) 纠错编码卷积码 编码码率 11 3 2 ，5 8 ，3 4 链路裕量a 5 3 d b 1l o m b p s l o m 链路裕量b lo d b 2 2 0 m b p s 4 m 链路裕量c 11 5 d b 4 8 0 m b p s 2 m c h i p 宽度 3 1 2 5 n s 多径消除单抽头6 0 n s 时延扩展 除了以上三种最主要的实现方式之外，一种混合了多带和脉冲无线电的多带脉冲无 线电超宽带( m u l t i b a n di m p u l s e b a s e du w b ，m i - u w b ) 方式也被提了出来。综合比较以上 超宽带实现方式，我们发现i r u w b 是最符合未来通信低成本低功耗要求的传输模式。 冈此，本文将重点研究脉冲超宽带体制下的相关问题。 1 4 脉冲超宽带的特点及挑战 与传统窄带通信系统相比较，脉冲超宽带信号无论是在时域还是在频域均具有极为 显著的特性。这些特性给脉冲超宽带通信系统带来了诸多特点优点。 传输速率高，系统容量大 由于脉冲持续时间特别小，脉冲超宽带信号的带宽非常大，达到几百兆赫兹甚至上 吉赫兹。根据香农信道容量计算公式c = b l o g ( 1 + s ) ，其中c 表示信道容量，b 是信 号带宽，而s 表示接收信号的信噪比。在一定的信噪比条件下，脉冲超宽带的信道容 量很大，能够实现上g b p s 的数据传输。进一步的分析表明，脉冲超宽带的空间信道容 量( 即单位面积上的信道容量) 能够达到蓝牙、无线局域网等的1 0 1 0 0 0 倍 8 。 低成本低功耗 脉冲超宽带将基带脉冲通过天线直接辐射出去，无需载波调制过程，极大了简化了 发射机和接收机的射频处理过程。通过采样，可以将接收信号进行全数字化处理，通过 集成电路可以大大降低成本。为了满足f c c 的功率限制，脉冲超宽带信号的辐射功率很 低，能够实现整体系统的低功耗。 定位精度高 基带脉冲的时域持续宽度在亚纳秒量级，频域持续宽度达到吉赫兹量级。考虑到信 号的定位精度与信号的带宽成反比关系，脉冲超宽带系统能够实现厘米级的定位精度， 能够实现高精度的距离测量。 频谱资源共享 根据f c c 的频谱规范，超宽带信号占据了从3 1 g h z 到1 0 6 g h z 的频段，不可避免 6 第1 章绪论 的与很多已有的通信系统的频带资源发生重叠。为此，f c c 将超宽带信号的功率谱密度 限制在一4 1 3 d b m m h z 以下，仅和一台个人计算机允许的辐射相当，从而避免对现有通 信系统的干扰。因此，超宽带系统可以和很多已有的通信系统共享频谱资源。这在频谱 资源已经非常宝贵和紧张的今天有着重要的意义。 穿透性强 传统的单载波通信系统的信号是球面波，在自由空间随着距离的二次方衰减。在密 集多径的环境下，其衰减更厉害。与此相对比，脉冲超宽带信号为瞬时脉冲，具有一定 的方向性，因而信号的衰减比载波系统弱，穿透性较强。此外，窄脉冲信号作为信息传 输载体，低频成分丰富，从另外一个方面表明对障碍物有很强的穿透能力。 保密性好，抗干扰能力强 从频谱上看，