（电磁场与微波技术专业论文）uwb对蓝牙语音系统的电磁干扰分析.pdf

u w b 对蓝牙语音系统的电磁干扰分析 摘要 本文评估了超宽带无线系统对蓝牙语音系统的干扰情况。超宽带 无线技术是未来短距离室内无线通信系统可选技术之一，它具有高速 率、低功耗和精确的定位能力等优点。超宽带无线通信技术能方便地 应用于无线局域网和无线个域网的设计中，为所在热点地区的闲散用 户提供先进的综合多媒体服务。超宽带信号一般由纳秒甚至亚纳秒级 的极短脉冲产生，能量散布在非常宽的频带内，如此宽的带宽不可能 由超宽带信号单独占有，所以超宽带信号频带和其他许多窄带系统的 频带将会产生重叠，因此，为了保证超宽带技术能在世界范围内采用， 评估超宽带设备对现有系统的干扰，确保各个系统能和谐共存就显得 十分重要，当前，越来越多的蓝牙设备走进人们的日常生活，所以评 估超宽带对蓝牙设备的干扰也显得十分必要。在本文中，我们首先简 单介绍了超宽带系统和蓝牙语音系统，分析了干扰产生的原因，然后 搭建了系统干扰模型。为研究超宽带系统对蓝牙语音系统的干扰，我 们采用基于高斯脉冲的短脉冲作为超宽带系统的发射信号，并采用跳 时超宽带系统来进行我们的研究，调制方案方面，我们采用基带二进 制脉位调制，在加性高斯白噪声信道环境中，存在超宽带干扰情况下， 我们通过蓝牙语音系统的误码率和信噪比两个参数来分析超宽带系 统对蓝牙语音系统的干扰，并通过计算机仿真，我们可知，在所有实 际的例子中，超宽带系统能和蓝牙语音系统共存而不产生危险干扰。 关键字：超宽带蓝牙语音系统干扰加性高斯白噪声比特误码率 信噪比 e l e c t r o m a g 小汜t i c 叮t e r f e r e n c es t u d y b e t w r e e ni ，w ba n db l u e t o o t h v o i c es y s t e m a b s t r a c t t h i s p a d e r e v a l u a t e st h el e v e lo fi n t e r f e r e n c ec a u s e d b y u l t r a - w i d e b a n d ( t y w b ) s i g n a lt ob l u e t o o t hv o i c es y s t e m t h eu l t r aw i d e b a n d w i d t h ( t r w b lt e c h n o l o g y i so n ev i a b l ec a n d i d a t ef o r f u t u r e s h o r t - r a n g ei n d o o rr a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sp r o v i d i n gv e r yh i g hb i t r a t e ss e r v i c e s ，l o w p o w e r c o n s u m p u o n ，a n da c c u r a c yp o s i t i o n i n g c a p a b i l i t y u w bc a l lb ec o n v e n i e n t l yd e p l o y e di nt h ed e s i g no fw i r e l e s s l o c a la n d p e r s o n a l a r e a n e t w o r k s ，p r o v i d i n g a d v a n c e d i n t e g r a t e d m u l t i m e d i as e r v i c e st on o m a d i cu s e r sw i t l l i nh o t s p o ta r e a s u w bs i g n a l s a r eg e n e r a t e du s i n gs u b n a n o s e c o n dp u l s e ss p r e a d i n ge n e r g yo v e rv e r y l a r g ef r e q u e n c yb a n d t h ev e r yl a r g eb a n d w i d t hr e q u i r e db yt h ei 舳 s i g n a l sc a n n o tb ee x c l u s i v e l ya l l o c a t e d ：t h u s ，u w bb a n do v e r l a p sw i m t h eb a n d sa l l o c a t e dt om a n yo t h e rn a r r o w b a n ds y s t e m s t h e r e f o r e ，t o g u a r a n t e ea c c e p t a n c eo fu w bt e c h n o l o g yw o r l d w i d e ，t h ea s s e s s m e n to f t h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db yu w bd e v i c e so na l r e a d ye x i s t i n gs y s t e m si so f p r i m a r yi m p o r t a n c et oe n s u r en o tc o n f l i c t i n gc o e x i s t e n c e t o d a y ，m o r e a n dm o r eb l u e t o o t hd e v i c e sc o m ei n t oo u rd a i l yl i v e s ，s oi ti sv e r y n e c e s s a r yt oe v a l u a t eu w b i n t e r f e r e n c eo nb l u e t o o t hd e v i c e s i nt h i s p a d e r , f i r s t ，w eg i v et h eb r i e fi n t r o d u c t i o no fu w b a n db l u e t o o t hv o i c e s y s t e m s ，a n a l y z et h er e a s o no fu w bi n t e r f e r e n c eo nb l u e t o o t hv o i c e s y s t e m s 。t h e ns e tu pt h es y s t e mm o d e l t os t u d yu w bi n t e r f e r e n c eo n b l u e t o o t hv o i c es y s t e m s o m es h o r t - p u l s ew a v e f o r m s ，b a s e do nt h e g a u s s i a np u l s e c a nb eu s e dt og e n e r a t ei 脚t r a n s m i s s i o n o n ei 帅 s y s t e mc o n c e p ts t u d i e dh e r ea r et i m eh o p p i n g b a s e b a n db i n a r yp u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o ni su s e da st h ed a t am o d u l a t i o ns c h e m e w ba n a l y z e t h eu w bi n t e r f e r e n c eo nb l u e t o o t hv o i c es y s t e mb yb i t e r r o rr a t e ( b e r ) a n ds i g n a l n o i s er a t i o ( s n r ) s i m u l a t i o n si na na d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e ( a w g n ) c h a n n e lw i t hi n t e r f e r e n c e ，a n dd e m o n s t r a t et h r o u g h c o m p u t e rs i m u l a t i o nt h a t ，i na l lp r a c t i c a lc a s e s ，au w bs y s t e mc a n c o e x i s tw i t hb l u c t o o t hv o i c es y s t e mw i t h o u tc a u s i n ga n yd a n g e r o u s i n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：u l t r aw i d e b a n db l u e t o o t hv o i c es y s t e mi n t e r f e r e n c e a 、7 l ，g nb e rs n r 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：耋堡垒 日期： z 翌z ：z ：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论交不餍于保密范围，适用本授权书。 本人签名：堡笙垒 日期：至翌z ：! ! 笙 导师签名：妄净争p 日期：b 乏乒；争 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超宽带技术背景 第一章绪论 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们和信息网络已经密不可分， 人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备 与因特网之间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。 为构建短距离高速无线网络，近年国际上提出了无线个域两j ( w i ：) a n l 的概念。 w p a n 具有短距离覆盖、面向特定群体、支持高速率多媒体应用并实现无缝连接 的特点。实现w p a n 的主要技术有：蓝牙( b l u e t o o t h ) ，i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 、h o m er f 以及超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 等4 种，其中具有传输 速率高、空间容量大、低功耗和低成本无线数据通信能力的u w b 技术成为未来 富有竞争力的技术之一。 超宽带无线电是一种全新的无线电技术，是无线通信领域的一次重大进步， 在全世界范围内得到了广泛的研究，在民用和军用通信领域有着广阔的应用前 景，特别是对军队的通信、指挥和武器控制系统有着深刻的影响。当人们正在为 第三代移动通信即将来临而欢欣鼓舞的时候，一种新兴无线电技术一超宽带无线 电已经产生并在进行着深入的研究。1 9 9 3 年，美国南加州大学通信科学研究所的 r a s c h o l t z 在国际军事通信会议( m i l c o m 9 3 ) 发表论文，论证了采用冲激脉冲进 行跳时调制的多址技术，从而开辟了将冲激脉冲作为无线电通信信息载体的新途 径。超宽带无线电被认为是无线电技术的革命性进展，在无线通信、雷达跟踪、 精确定位等方面具有广阔的应用前景。应用于雷达和通信的超宽带技术的产生可 追溯到2 0 世纪6 0 年代。由于技术和工业发展水平的限制，超宽带技术发展缓慢。 美国从2 0 世纪9 0 年代中期以来，研制了多种超宽带无线电通信、雷达、成像和高 精度定位系统、以及通信定位、通信雷达等具有综合功能的超宽带系统。作为军 队和政府部门专用设备的超宽带无线电系统己得到实际应用。传统超宽带( c w 8 1 通信是一种无载波通信技术，又叫冲激无线电，它利用皮秒至纳秒级的非j 下弦波 窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，这与此前的无线通信截然不同。 根据美国f c c 对超宽带的定义，一般认为1 0 d b 相对带宽超过2 5 ，或1 0 d b 绝对 带宽超过5 0 0 m h z 就称为超宽带。冲激无线电是一种无载波的基带通信技术，不 需要价格昂贵，体积庞大的中频设备，因此冲激无线电系统的体积小、成本低， 并且由计算信道容量的香农公式可知在信道容量一定的情况下，带宽与信嗓比可 以互补，u w b 的带宽非常宽，目前f c c 开放的频段是3 1 1 0 6g h z ，故u w b 系统 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于f c c 规定的电磁兼容背景噪声 ( - 4 1 3 d b m ，f c cp a r t l 5 ) ，以使短距离u w a g g 线通信系统与其他窄带无线通信系 统可以共存。正是由于这些优点，u w b 通信技术越来越多的受到关注，目前已 成为通信技术研究的一个热点。 1 2 u w b 标准之争 2 0 0 6 年初，国际电信联盟( i t u ) 第一研究组宣布超宽带( u w a ) 成为“全球性监 管标准”，这意味着开发u w b 应用将成为全球电信业界竞相追逐的新技术热点。 2 0 0 5 年1 0 月，h u 第一研究组召开频谱管理会议上提出来的一系列建议， 经过近4 个月的酝酿，在2 月2 2 日正式获得批准。该标准包括对共享频带能量 裕度损失的计算方法、对于发射频谱和带宽的新定义、对于自由空间多余发射的 限制、测量射频噪声的频率独立方法、u w b 传送测量、u w b 的关键特性、u w b 器件对其他r f ( 射频) 系统的影响，以及用于推出u w b 系统的框架等内容。业界 认为，该标准的最富价值且最重要的部分，是长达8 0 0 页对u w b 基于现有r f 系统影响的描述。对于给出关于监测方法的精确定义，以及为实现实际系统提供 的指导方法等内容都非常有用。 2 0 0 6 年2 月，i e e e 8 0 2 1 5 3 au w b 任务组已投票宣布解散，这个任务组一 直在试图定义最高速率为4 8 0 m b p 8 的短距离无线通信标准，然而在两项竞争性 提议的表决上，始终未能达成7 5 的多数票。这两项提议的内容分别是由飞思卡 尔建议的直接序列超宽带技术( d s - t r w b ) 和由w i m e d i a 联盟提出的多频带 o h ) m 。 从技术上来讲，m b o a 和d s - c d m a 是无法彼此妥协的，d s - u w b 曾提出 一个通用信令模式，希望与m b o a 兼容。但这种模式显然在技术上无法实现， 所以被m b o a 、i e e e 和无线u s b 协会拒绝。m b o a 在最近的一次表决中占了 约1 0 0 , 5 的优势，但仍然没有达到7 5 的绝对多数。 从产品上来讲，d s - u w b 在开始的时候走在了前面。它的样品在2 0 0 4 年初 的时候已经在拉斯维加斯的消费电子展上展出，但看来之后的进展比较缓慢，当 时存在的问题今天依然存在，例如功耗很大、需要两根天线分别收发、在天线与 接收器中间有阻挡时会出现花屏等。而另一方的m b o a 正迎头赶上，来自 s t a c c a t o 公司芯片级的物理层芯片( p h y ) 在2 0 0 4 年的第一季度已经完成，八、 九月份的时候，配合t i 公司可编程门阵列( f p g a ) 的媒体存取控制器( m a c ) 已经可以工作。f p g a 还不是芯片级的产品，是在芯片生产之前用来验证和测试 逻辑功能的，完全芯片级的平台要到今年年底实现。这将是两个芯片的方案，相 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 比较于d s u w b 目前的四芯片方案在成本、体积和功耗上占有较大的优势。 在理解u w b 的时候有必要知道u w b 不仅仅指的是d s d m a 或m b o a ， 他们仅仅是处于u w b 完整架构的最底层，如图1 1 所示。 d s c d m a 或m b o a 相当于物理层，位于整个架构的最底层，她还分成两 个子层，即物理层( p h y ) 和物理层的控制器层( m a c ) 。在其上面是w i m o d i a 的汇聚层，有点类似于链路层或事务层，介于物理层和应用层的中间。在w i m 髓l i a 汇聚层的上面就是应用层面的无线u s b 、无线1 3 9 4 和其他的应用环境，这些层 多已被i e e e 8 0 2 1 5 ，3 a 确认。 所以我们应该看到所谓的u w b 是一个完整的系统，而不仅仅是现在人们 热衷讨论的d s c d m a 或m b o a 。只有充分理解这一点才算是理解了真正的 u w b ，而只有全面地支持所有这些协议层，才可以说是一个完整的u w b 系统。 图1 - 1 u w b 完整体系结构图 w i r e l e s su s b ：无线u s b ； w i r e l e s s1 3 9 4 ：无线1 3 9 4 ： a p p l i c a t i o np r o f i l e ：应用层协议子集； d l n ac o m p l i a n t ：d l n a 兼容，d l n a 是数字化客厅网络联盟的缩写( d i s t a l l i v i n gn e t w o r ka l l i a n c e ) i p a l ：协议适应层( p r o t o c o la d a p t i o nl a y e r ) ： u p n p i p ：即插即用多媒体口电话； w i m e d i a c o n v e r g e n c e p l a t f o r m ：w i m e d i a 汇聚平台。w i m e d i a 是无线多媒体的缩 写( w i r e l e s sm u l t i m e d i a ) i d s c d m ao rm b o a s p e c i f i c a t i o n ：d s c d m a 或m b o a 规格。d s c d m a 是直 接序列c d m a 的缩写( d i r e rs e q u e n c e ) ；m b o a 是多频带o f d m 联盟的缩写 ( m u l t i b a n do f d ma l l i a n c e ) 。 回到d s c d m a 或m b o a 的标准之争，我们究竟如何去判断孰优孰劣呢? 3 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 其实两方面都有各自的优缺点。d s c d m a 技术是单频带方式或窄脉冲方式，多 个传输任务可共享整个频带的频率，对现有的、许可频带内的用户造成的干扰比 较少，成本可以做得比较低、上市的时间较短，易于实现低功耗、低速数据流的 无线传输，可实现更高速的无线数据传输，应用于媒体流及大量的数据传输； m b o a 技术是多频带方式，技术上易于实现、功耗很低，频带的利用率高，多 个频率子带并列，可以避开某些频带、灵活配置，速率的扩展性好 以无线电频率管理来说，有两个基本的原则：1 新的无线电技术不得对已有 的无线电台( 系统) 造成有害干扰；2 受到干扰不得提出保护要求，既要能忍受 已有无线电台的各种干扰。这对于d s - c d m a 比较头疼，因为它使用整个 3 1 1 0 6 g h z 频段，而有些无线技术就使用其中的一些频率，例如8 0 2 1 l p 的载 频是5 8 g h z ；而m b o a 使用多个频率子带，可以很方便地避开这个频率。 1 3 ir w b 的特点 u w b 技术目前之所以会引起人们的高度重视，是因为与其他宽带技术相比， 它具备下列优点： 1 低耗电量 典型的无线局域网络产品( w i f i ) 耗电量约为3 3 1 0 0 毫瓦( m i h i w a t t s ) ，而 u w b 一般来说都不超过2 0 0 微瓦( m i c r o w a t t s ) ，即可进行高速传输，尚不及w i - f i 的千分之五，因此极为省电( t m a ed o m a i n 宣称其u w b 芯片耗电量仅5 0 1 0 0 微 瓦) 。 2 具高度安全性 u w b 的脉冲非常短( 通常不超过十亿分之一秒) ，也非常弱( 远小于一般家电) ， 因此在极广的频段间传输时，非常难以被侦测，同时其收发器之间由事先确认的 辨识方式进行转换，接收端必须知道传送端的脉冲序列( p u l s es e q u e n c e ) ，方能正 确收到讯号，因此具备高度的安全性。 3 高速传输 许多厂商的第一代技术都可达到1 0 0 m b p s 的速度，例如：x t r e m es p e c t r u m 宣称其产品可在1 0 公尺的距离，提供1 0 0 m b p s 的传输速度；i n t e l 的u w b 原型 产品的传输速度可轻易达到1 0 0 m b p s 。而t i m e d o m a i n 甚至已开始研发可达数百 m b p s 的第二代u w b 芯片，因此可满足高容量的多媒体串流传输应用。 4 不易产生干扰 由于u w b 的脉冲非常短，频段非常宽，因此能避免多路径传输的信号干扰 问题，同时短而弱的脉冲也使u w b 与其它无线通讯技术( 行动电话、8 0 2 1 l x 、 微波等等) 间产生干扰的可能性大幅降低，因此可与其它技术共存。 4 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 5 精准的定位功能 u w b 系统具备良好的时间解析能力，使其能发展出精确的测距能力与定位 功能，因此过去军方即将其用在雷达的侦测系统上。而定位能力的确为u w b 独 到之处，使其可以将通讯与距离侦测进行结合，而发展出新型态的应用领域，包 括建立高度安全、较佳效能的网络架构，以及精准的存货追踪管理。而在商业用 途上，精准的定位功能将可应用到企业的仓储管理上，协助物料与资材的追踪定 位。举例来说，波斯湾战争时，美国一艘后勤补给舰上至少放置4 万个容器，当 时因缺乏有效的仓储管理系统，因此物资误置与遗失所造成的损失高达3 0 0 亿美 元，去年曾有厂商模拟当时的环境来进行u w b 定位追踪测试，结果显示在开放 空问内的误差值可降低到2 步的距离，未来将朝误差值在1 步的目标努力。 6 低成本的芯片结构 由结构上来看，u w b 芯片所需的成本应低于使用载波传输的无线通讯技术。 由于u w b 直接采用二进制的传输方式，因此可将零组件大幅减少为四个f 射频、 基频、天线、内建的轫体与通讯协议) ，而且u w b 的射频收发器架构很简单， 相较于w i - f i ，u w b 的芯片不需经过r f i f 的转换步骤，不需要本地振荡源( l o c a l o s c i l l a t o r ) 、混波器r ( m i x e r ) ，以及8 0 2 1 l x 常用的超外差所需额外的表面声波滤波 器( s a wf i l t e r s ) 。除此之外，也可将射频设计成不需要功率放大器，同时也可以 使用c m o s 制程，因此具备低成本的芯片结构。 1 4u w b 与蓝牙的区别 尤其值得注意的是超宽带无线电技术与蓝牙技术的不同之处。 ( 1 ) 蓝牙采用基于传统正弦载波的高速跳频传输方式，高速跳频的目的主要 是为了以很短的频率驻留时间避开时延多径信号；超宽带无线电发射的是由信息 和用户地址码共同控制脉冲起点的冲激脉冲串，与传统正弦载波通信有本质的不 同，每秒可达数百万个脉冲，其波形的特殊性、低占空比和超短脉冲宽度使得多 径信号的影响大大降低，比蓝牙更加适合多径环境复杂的城区和室内无线通信。 ( 2 ) 蓝牙的标准传输距离为1 0 m 和1 0 0 m ，超宽带无线电的通信距离根据不同用 途而定，目前开发出的产品的通信距离有1 0 m ，l k m 和1 0 k i n 以上等，可用于室 内通信、组成大范围蜂窝网和无线a dh o e 网络。 ( 3 ) 蓝牙的传输速度较低，而超宽带无线电能提供更高的传输速率，更适应 未来的无线多媒体业务的需要。 ( 4 ) 在相同的平均发射功率的情况下，蓝牙抗干扰能力较弱，而超宽带无线 电具有极强的抗干扰能力，因此具有更强的军事用途。 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 随着无线通信的不断发展，无线通信已由原来提供远距离通信向短距离传 输发展，通过频率的空间复用使得在有限的频率资源条件下满足通信业务发展 的需求。无线通信的发展趋势使得对系统容量的评价不仅仅是考虑单位时间的 点对点传输速率，“空间容量”( 即每平方米每秒的传输速率) 也成为重要的衡 量指标。根据i n t e 公司的研究报告，i e e e8 0 2 1 l b 的空间容量为l k b i t l s l m 2 ，蓝牙的 空间容量为3 0 k b i t l s l m 2 ，i e e e 8 0 2 1 1 a 的空间容量为8 3 k b i t s m 2 ，超宽带无线电 空间容量为1 0 0 0 k b i t s m 2 。可见，在空间容量方面，超宽带无线电比现有类似 系统具有更大的优势。 1 5it w b 与蓝牙的融合 2 0 0 5 年5 月1 2 日，北京一蓝牙技术联盟( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u p b l u e t o o t hs i g ) 宣布，将与超宽带( u w b ) 无线技术的开发小组携手合作， 以融合两种技术之长。这一决定将使蓝牙技术的长期发展蓝图得到进一步拓展， 满足同步与传输大容量数据以及实现便携式设备的高质量视频应用在高速度方 面的需求。u w b 则将从蓝牙技术的成熟市场、认证计划、品牌资产以及综合应 用层次等方面受益。 b l u e t o o t hs i g 的目标是建立一个让设备可利用u w b 高传输率的架构。而蓝 牙在维持现有设备和日后不需要更高数据传输率的产品方面，仍将发挥重要作 用。蓝牙技术和u w b 的联合发展是这两种技术满足公司和最终用户未来需求最 快捷、最经济的途径。蓝牙技术与u w b 的联合发展支持无缝移动，允许消费者 在家中、汽车里、办公地点和移动过程中获得和共享媒体内容。b l u e t o o t h $ i g 为 满足未来的消费需求制订了清晰的发展方向。通过这一合作途径，蓝牙得以维持 技术现有的核心价值，例如低耗电量、低成本和特有的自组网连接方法；同时能 够支持需要更高数据流通量的未来应用情形，例如便携式设备之间的流式高质量 视频。随着数字内容体积的增加，将数据从一个设备传输到另一个设备所需的传 输率也随之提高。同样，对于传输文件这一目前典型的蓝牙应用情形，将来极有 可能需要u w b 的速度。 6 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 2u w b 和蓝牙的协议体系结构 两个机构的合作是市场发展的必然结果，同时也是一种必需的行为。随着消 费者越来越多地使用便携式媒体设备和数字媒体设备，他们自然会需要标准化、 高性能及低耗电量的连接方法。蓝牙技术已在消费者心目中建立了品牌吸引力， 加上数据传输率更高、耗电量更低的u w b 技术，必定能使下一代设备更快地投 入市场，满足在连接方法方面同益增加的需求。u w b 将受益于蓝牙技术的品牌 资产、市场渗透率以及成熟的技术和架构。与已经走完技术和市场发展阶段的技 术力量联手，u w b 可以绕过技术和市场发展过程中的众多时效性强且成本高的 障碍。不仅u w b 期望能充份利用现有的蓝牙技术投资，目前已有的二亿五千万 蓝牙技术消费者也希望他们的设备可与将来高数据传输率的无线个人网络产品 进行连接。不过，在将产品投入全球市场之前，有一些关于u w b 的基本问题需 要解决，例如与无线局域网、w i m a x 和全新蜂窝频段的干扰问题，以及u w b 全 球频谱分配的匮乏等。蓝牙技术联盟( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p b l u e t o o t h s i g ) 与超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 无线技术的开发机构计划将两者的技术优 势结合并统一为b l u e t o o t h 品牌。通过双方合作，无线设备可享受到u w b 高传 输率的优势，适合应用在需要高传输速度的设备上，例如进行视讯串流；此外也 可应用在对宽带要求较低的蓝牙应用装置上，例如耳机及键盘。所有设备将可与 目前市场上超过二亿五千万的蓝牙设备兼容。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 6 国内外研究动态 正是u w b 技术在短距离无线通信上表现出的巨大优势，吸引着业界人士对 其标准的制定及其相关产品的关注。但在u w b 技术极大吸引力的背后，隐藏着 许多极具挑战性的研究课题。现在国内外主要的研究方向集中在u w b 天线的设 计；信道模型的建立：u w b 与常规无线系统相互干扰问题等方面。我国也非常 重视这项革命性的技术，在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”8 6 3 计划通信技术主题研 究项目中，把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发工作。我国在u w b 技术的研究上还处于起步阶段，取得的成果主要集中在u w b 信号的产生及有效 辐射方面。在国家自然科学基金委员会2 0 0 4 年度项目指南的拟资助重点项目中， 信息科学一处共列出6 项课题，“超宽带高速无线接入理论与关键技术”是其中 一项。该课题指出5 项具体研究内容，分别为：( 1 ) 超宽带小型化天线，及其与收发 前端的联合优化设计理论；( 2 ) 超宽带信号的传播特性，特别是在室内密集多径环 境下的传播特性；( 3 ) 高性能接收系统的理论与技术；( 4 ) 超宽带系统与其他通信系 统的频谱共存、兼容技术；( 5 ) 基于超宽带技术的通信网络协议。 2 0 0 4 年5 月1 8 日在北京，海尔集团( h a i e rc o r p o r a t i o n ) 和飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 成功地展示了相距4 0i n c h 的手提摄录机与等离子平面电视机之间采用d s - u w b 技术进行的无线连接，这是市场上首度采用d s u w b 融入家庭影音设备的全功能 模式。这证明了u w b 技术在手持设备上应用的可行性。f c c 经测试发现i i j , u w b 设备与其他设备至少要间隔2 至3 米，但实践中很多小型移动设备必须置于彼此非 常接近的距离之内。例如，w l a n 在5 g h z 频段内要与u w b 共存。u w b 无线电系 统与现存其它数字通信系统之间是否存在相互干扰以及相互干扰的程度到底有 多大一直是研究者们争论的焦点，因为这关系到ir w b 无线电系统与共存的其它 数字通信系统能否正常地兼容共存，从而影响到ir w b 无线电这项新兴的技术是 否能够完全向民间开放。由于美国f c c 已经授权批准u w b 无线电转入民用，因 此研究u w b 系统与现存其它数字通信系统之间兼容共存问题以为通过优u w b 系统收发信机设计来达到提高系统性能使得u w b 系统与其它数字通信系统能够 合理兼容共存便成为新的最迫切需要先期解决的研究热点，能否有效地降低 u w b 系统与其他通信系统之间的干扰会影响到u w b 技术的成功推广与使用。目 前有许多关于这一问题的研究文献【3 】【4 】【5 】【6 】，解决问题的着手点，一般有这样几 个方面：脉冲波形的设计、改进：干扰模型的建立；信号的调制方法等。目前已有 一些研究证明，多带调制方案是一种克服同频干扰的有效手段【7 j 【“。 目前，国内外对超宽带无线电通信中共存性问题的研究主要集中在对超宽 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 带无线电功率谱密度分析方面，以及一些少量的实际测试。文献【3 - 1 7 对于理想同 步的脉冲信号的功率谱密度进行了分析，理想同步的脉冲信号是指固定的时间延 迟，固定的发送时间间隔，采用简单的脉冲波形发送固定统计规律的数据信号。 文献【1 4 1 4 1 刀综述了单用户跳时扩频信号的频谱分析，文献分析了多径环境中超 宽带信号的功率谱密度。文献【1 9 1 提出了设计更高阶的高斯脉冲来符合f c c 的频谱 要求。跳时序列的长度可以很大程度的影响到功率谱密度【2 0 j 文献【2 1 j 提出了用 功率谱密度来分析跳时冲激脉冲信号在多用户干扰下的性能。在文献】中，研 究了存在u w b 信号干扰的情况下，i s 9 5 和w c d m a 的b e r 性能随着c d m a 系统 载波频率变化的情况。u w b 信号和传统的无线信号如固定无线接入装置， g s m ，u m t s 系统的共存性问题在文献1 2 l 】 2 3 1 中进行了研究。文献研究了采用 不同种类的脉冲的u w b 信号对u m t s 统的干扰，对其性能进行了分析，并推导 出了u w b 信号的干扰功率随脉冲宽度的变化情况。d a c u m m i n g s 2 4 j 针对一组 u w b 无线电发射机对单个g p s 接收机的总的影响进行研究分析，结果表明：总 的影响取决于u w b 无线电发射机与g p s 接收机之间的距离( 即有远近效应) ，因而 指出仅仅通过附加上每台u w b 无线电发射机的平均功率来确定对g p s 接收机的 干扰是不够的；并且在g p s 接收机天线范围内的多径环境对u w b 无线电发射机产 生的总的干扰有相当强的影响。在文献【2 5 】和文献【2 6 】中，m h a m a l a i n e n 等人针对 t h s su w b 无线电信号和d s s su w b 无线电信号分u m t s w cd m a 频段上及 g p sl i 频段和g s m 9 0 0 上行链路频段上产生的带内干扰进行研究，结果表明：在 u m t s w c d m a 频段上两种u w b 信号产生的带内干扰功率差别不大，而在g p s l l 频段和g s m 9 0 0 上行链路频段上d s s su w b 信号产生的带内干扰功率将小于 t h - s su w b 信号产生的带内干扰功率；而后又研究分析了在a w g n 信道环境下 采用t h s sb p a mu w b 信号方式和d s s sb p a mu w b 信号方式的u w b 无线电系 统g s m 9 0 0 、u m t s w c d m a 以及g p s 共存时的相互干扰问题【2 7 1 1 2 8 】，结果显示： 当上述系统频带内的干扰与u w b 无线电信号的中心频率重叠时将会使u w b 无 线电系统性能急剧恶化，而且，在g p s 频段上采用d s s sb p a mu w b 信号方式的 u w b 无线电系统受到的带内干扰要比采用t h s sb p a mu w b 信号方式的u w b 无线电系统受到的带内干扰更小，而在其它窄带数字通信系统频段上两者相差不 大。l z h a o 【2 州【3 0 j 对运行在存在均值为零且在某一频段上具有恒定功率谱密度的 干扰的环境下的采用矩形基本脉冲波形的u w b 无线电系统性能进行了研究分 析，研究指出：在干扰抑制能力方面u w b 无线电系统要优于传统的直接序列扩频 系统。l jg e 等人 3 1 1 3 2 针对u w b 信号对c d m a 系统及d s s s 接收机的干扰进行了 研究，结果表明：在多址情况中，u w b 信号产生的离散谱线将使得系统b e r 性 能严重恶化；而在单链路情况中，u w b 信号对c d m a 系统及d s s s 接收机的干扰 9 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 几乎没有。t w e b e r 等人【3 3 1 针对u w b 系统对其它窄带数字系统的影响进行了详细 研究，并且给出了一个新的测试方法。由此可见，u w b 无线电系统在干扰现存 其它数字通信系统的同时也受到共存的其它数字通信系统的强烈干扰。 1 7 论文的意义和结构 基于u w b 技术的通信所需要的频带宽度相当大。f c c 在批准u w b 无线通信 技术民用时，己规定其工作频带为介于3 1 g h z 1 0 6 g h z 的7 5 g h z 。但是，实际 上并不存在如此之宽的未被占用的频带。也就是说，无论怎么做，总是会出现与 现有无线技术所使用的频带相互重叠的部分。因此，u w b 技术是一项以共享其 它无线技术使用的频带为前提的无线技术。尽管f c c 对u w b 的带内功率和带外 功率作了严格的限制，但它对同一个频带和相邻频带的其他设备的干扰是依然存 在的。目前，越来越多的蓝牙设备已经进入人们的日常生活，分析u w b 对蓝牙 设备的干扰，保证u w b 系统不影响蓝牙设备的正常使用，十分必要。 本课题就超宽带系统与蓝牙语音系统的频谱共存、兼容内容进行具体研究。 本课题研究的目的是通过对影响超宽带信号功率谱因素的研究，建立一个研究的 系统模型并通过计算机仿真，来估计超宽带系统对蓝牙语音系统的干扰情况。 本论文的结构如下： 第一章介绍了u w b 的技术背景，u w b 标准之争，u w b 和蓝牙的技术特点和 两者的融合，国内外研究动态和论文的意义和结构。 第二章介绍了u b w 的理论基础，u w b 信号波形和调制解调技术。 第三章介绍了蓝牙系统的通信协议体系，发射和接收技术，调制方式，差错 控制和蓝牙语音通信。 第四章分析了t h p p m - u w b 信号的功率谱密度，介绍了f c c 对u w b 的功率 辐射限定，路径损耗模型，搭建了仿真模型，给出仿真参数并得出仿真结果。 第五章总结了本文的工作，并提出今后工作的重点 1 0 北京邮电大学硕士学位论文第二章u w b 通信系统 2 iu w b 理论基础 第二章u w b 通信系统 信息论中关于信息容量的香农( s h a n n o n ) 公式为： c 圳0 9 2 ( 1 + 熹) 式( 2 - 1 ) c 一信道容量( 用传输速率度量) b 一信号频带宽度 s 一信号功率 n 一白噪声功率 式( 2 一1 ) 说明，在给定的传输速率c 不变的条件下，频带宽度b 和信噪比两者 是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比的情况下传输信 息。 扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频 通信的应用奠定了基础。u w b 通信可以被分类为一种扩频技术，但又与使用特 定载波的常规扩频技术不同，它发送的是波形不变的单周期脉冲，这种脉冲持续 时问非常短( 一般为纳秒级) ，波形中有过零点。根据傅立叶变换原理，时域内信 号持续时间越短，相应的频域上占据的频带就越宽，信号能量在频谱内分布的也 就越广，进而实现扩频。 在u w b 通信系统中，为实现多用户同时通信( 即多址通信) ，采用了跳时多址 ( t i m eh o p p i n gm u l t i p l ea c c e s s ，t h m a ) 方式，即用伪随机码改变脉冲在时间轴上 出现的位置，利用不同的伪随机码来区分不同的用户，只有拥有相同伪随机码的 用户才能相互通信。 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。处理增益g 也 称扩频增益( s p r e a d i n go a i n ) ，它定义为频带扩展后的信号带宽b 与频谱扩展前的 信息带宽a f 之比： g ：旦 心 式( 2 2 ) 在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的 带宽为a f 的信息，而虑除掉宽频带b 中的外部干扰、噪音和其他用户的通信影 响。因此，处理增益g 反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章u w b 通信系统 在常用的直接序列扩频系统中，采用高速率的伪随机码和低速率的信息数据 进行相关运算来实现扩频，扩频后的频谱一般为几十兆赫兹。超宽带通信系统采 用的跳时扩频方式，是利用窄脉冲信号本身的频谱特性进行扩频，扩展后的频谱 为几千兆赫兹，是一般扩频系统的一百倍，因此，在具有相同信息码速率的情况 下，超宽带通信系统比一般扩频系统的处理增益大2 0 d b 左右，具有更强的抗干 扰性。 2 2 u w b 信号波形 1 高斯脉冲信号 最简单，最通用的超宽带波形是单周期( m o n o c y c l e ) 脉冲信号，之所以称它 为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形 式。当然，拥有极宽频谱宽度的信号不仅仅是高斯脉冲，但在超宽带技术发展之 初，使用超宽带脉冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲的信号。另一 个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。根据m a x w e l l ( 麦克斯韦) 方程 可知，收发天线对超宽带信号的微分作