（信号与信息处理专业论文）dscdmauwb系统和mbofdmuwb系统的综合比较研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 超爨鬻无线通信技术兵有数攒传输速率寒、成本熊、功糕，j 、拄于扰能 力强等稼点，蔹试秀逶下我无线个人屠蠛阚瀚瑷层篱蠢疆。受赍裁定下 代无线个人局域网物理朦标准的i e e e 8 0 2 1 5 3 az 作组收到了很多采用超宽 带技术的擒寨，经过协商，这些提襄最终融合成两大方案，即多频带正交频 分复震怒寒带方案窝蠹接疹癸羁分多缝趣塞沓方褰。两大方案援零上互不藏 容，使l e 蕊8 0 2 1 5 3 a 工作组在讨论超宽带标穗时陷入僵局，留于双方都没 有达到i e e e 批准所要求的7 5 的投躲率，因此，均未能成为超宽带的标准。 本文横擦两个方寒蛇揍理层建议，裂曩m a t l 曲软俘对鼹个系统进行建 搂，分辑仿真缝栗，全露毙较两令系绫翦萑麓，篡串包括：灏赛衰魂、覆藏 范围、多径能量收集、实现的复杂艘、功耗、抗干扰等。研究缩果表明：两 个方案都在某些方面舆霄出色的性鳃，综合性能接近，两个方索的竞争推迟 了超宽鬻檬准汝基台，爵菠哭青市场方熊曩终决定超宽黄滟标猿。 关键词：怒宽带；正炎颁分复用；时频交织；多频带 睑玺鎏三堡盔兰鎏圭兰垡笙兰 a b s t r a c t u l t r a - w i d e b a n dw i r e l e s st e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wc o s t ， s m a l lp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g hr a t ed a t at r a n s m i s s i o na n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y i ti sc o n s i d e r e dt ob et h es t a n d a r do ft h ep a y s i c a ll a y e ro fw i r e l e s s p e r s o n a la e r an e t w o r ko ft h ef u t u r eg e n e r a t i o n t h ei e e e 8 0 2 1 5 3 aw o r kg r o u p w h i c he s t a b l i s h st h ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r do ff u t u r eg e n e r a t i o nw i r e l e s sp e r s o n a l a e r an e t w o r kh a sr e c e i v e dm a n yp r o p o s a l sa b o u tt h eu l t r a - w i d e b a n dt e c h n o l o g y t h e s ep l a n sf o r mt w oi m p o r t a n tp l a n st h r o u g hn e g o t i a t i n ge a c ho t h e r t h et w o i m p o r t a n ts c h e m e sa r em u l t i b a n do r t h o g o n a l 丘e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gp l a n a n dd i r e c ts e q u e n c ec o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c e s sp l a n b e c a u s et w op l a n sa r en o t m u t u a l l yc o m p a t i b l ei nt e c h n o l o g y , t h ei e e e 8 0 2 1 5 3 aw o r kg r o u pi sf a l l i n gi n d e a d l o c kw h e ni td i s c u s s e st h eu l t r a - w i d e b a n dt e c h n o l o g y b e c a u s eb o t hs i d e s h a v en o ta c h i e v e dt h ei e e ea u t h o r i z a t i o n7 5 v o t i n gr a t e ，t h e r e f o r e ，n e i t h e r b e c o m e st h eu l t r a - w i d e b a n d ss t a n d a r d a c c o r d i n gt ot w op l a n sp a y s i c a ll e v e ls u g g e s t i o n ，t h ep a p e re s t a b l i s h st w o s y s t e m m o d l e s u s i n g t h em a t l a b s o f t w a r e ，a n a l y s i s s i m u l a t i o nm s u l t c o m p r e h e n s i v e l yc o m p a r e st w os y s t e m s p e r f o r m a n c ew h i c hi n c l u d e s 丘e q u e n c y w i d t hp e r f o r m a n c e ，c o v e rs c o p e ，m u l t i p a t he n e r g yc o l l e c t i o n ，r e a l i z a t i o nc o m p l e x ， p o w e rl o s s ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n ds oo n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt w op l a n s b o t hh a v et h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei nc e r t a i na s p e c t ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e i s e q u a l ，t w op l a n s c o m p e t i t i o np o s t p o n e dt h eu l t r a - w i d e b a n d s t a n d a r d a p p e a r i n g ，o n l yt h em a r k e tp o s s i b l yd e c i d e st h eu l t r a - w i d e b a n d ss t a n d a r da tl a s t k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n d ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ；t i m e f r e q u e n c yi n t e r l e a v i n g ；m u l t i b a n d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 磷究傲盘重要贡献的个人秽集髂，均已在文中跌明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承撰。 作者( 签字) ：蠡奎 霜期：之。o 年3 月g 嚣 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。 越宽带筒余 第 章绪论 随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频 谱资源目趟饱和。然而，人们对无线通信系统的鬟求仍在不断提高，期望出 褒一穆数攥传赣速率鬟蕊、残本蔓强、魂率曼小、撬于撬魅力燮强懿多媒髂 通信技术。在这样的背景下，超宽带( u w b ，u l t r a - w i d e b a n d ) 技术凭借自身 的优势，囱问世以来就引起了人们的重视，逐渐成为无线通信领域研究、开 发鲢一个热点，竣援必蹩下一弋无线遗僖的关键技术之一。 实际上，u w b 酌历史可以追溯铡一百年前波波夫、马可愆发鞠越洋光 线电报的时代。现代意义上的u w b 出现于二十馓纪六十年代，但其应用一 直局限于攀事、救援搜索、雷达定徽及测距等方麟。直至42 0 0 2 年2 胃，美翻 联邦逶绩委员会( f c c ) 方正式援漆该技术应麓予涎蓠透信，遽一举猎强窍 力的推动了u w b 的发展，引起了业界、媒体与学术界的广泛关注。 与传统的通信系统使用连续的载波不同，u w b 采用持续时间极短的脉 孛信号泉传送售怠。每个躲净懿持绥黠闯只有压卡皮秒到足续移，这些脉冷 所占焉的带宽高达几g h z ，数据传输速率可达几酉m b i t s 几g b i t s ；u w b 脉冲的持续时间远小于脉冲的重复周期，平均发射功率很低；由于带宽很宽， 发射功率低，所以功率港密度非常低，几乎湮没擞各种电磁于拢和背景噪声 之中，其寿戆蔽注葑、低截获率、镙密往簿等优点。 u w b 技术与现肖的无线通信技术有着很大的不同，它将为无线局域网 和个人局域网中的接入带来高带宽、低功耗及低成本的解决方案。u w b 技 术舞决了溺貔费统无线逶售多年款蠢关媾搔方瑟瓣重大难嚣，它吴奏对售弩 衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性离、系统复杂魔低及定位精度 高等优点【1 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 。2 课题的背景及意义 u w b 被称为“注射了兴奋剂的麟牙”，在短蹑离内能实现电脑和其它电 子通讯产晶之间的无线飘连，速率远高于蓝牙，有塑成为下一代无线个人局 蠛霹匏理鼷的标准技术。嚣羲，重錾圭u w b 遂绩戆标准继王掺主要在i e e e 8 0 2 1 5 3 a2 1 2 作组( 简称j g 3 a ) 中送行，自从t g 3 a 开始审查i e e e 8 0 2 1 5 3 a 的标准建议以来，很多公司联合起来推出各种方案。在物理层方面，到2 0 0 3 年7 月基本上只剩下两个主要竞争者，一个是由m o t o r a l a 、c r l 、d e c a w a v e 秘o l d 半警俸公司等雩亍渡缀缓联合撩强豹d s c d m a 方案；勇一个是由多频 带o f d m 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 ) 掇交的m b o f d m 方案 2 1 。 由于双方都没有达到i e e e 标准所要求的7 5 的投票率，因此，均未成 荛u w b 熬据准。嚣考黝分歧主要侮瑷在u w b 技术蕊实褒方姣上，蔻誊采 用单频带方式，后者则为多频带方式。两方案在技术上互不兼释，使t g 3 a 在讨论u w b 技术标准时陷入僵局，这个僵局意味着双方有可能不顾i e e e 的批准丽继续向前发展，导致两个u w b 技术标壤阉时存在的髑薤。鉴于垦 蓠翁情搅，研究沈较这掰耱超宽带方案性能的饶劣袋有极其重要稳现实意义， 本文旨在通过理论分析和仿真研究，综合比较两方案的各项性能指标，提出 自己的看法和见解。 1 3 超宽带的现状与动态 f c c 的娥定发布之露，u w b 拜始进入民用无线通信领域。2 0 0 2 年初， 荚特尔公司攘篷了u w b 演示系统，篡无线簧输遮攀这蘩1 0 0m b i t s ，传输蹬 离为2 米。2 0 0 3 年4 月，英特尔又演示了采用多带方式的u w b 无线通信系 统，速率达到2 2 0 m b i t s ，传输距离为1 米。到2 0 0 3 年9 月，英特尔发布了 基于9 0 n _ r n c m o s 工艺燕残瓣u w b 蕊冀，2 0 0 2 年6 胃，美雪x t r e m e s p e c t n l m 公司开发出民用u w b 设备的芯片组“t r i n i t y ”，并在2 0 0 2 年7 罔和2 0 0 3 年 1 月分别进行了演示，在后一次的演示中，u w b 系统传送了双路高清晰度的 电视信号。霹前，x t r e m e s p e e t r u m 公司黪芯片组被多家开发u w b 系统的公 司采最。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 0 3 雄4 月，新加坡资讯通信研究院的u w b 实验系统达到了5 0 0m b i t s 翡速率，箕俦戆薤离秀4 添。舅终，获2 0 0 2 年蚕2 0 0 3 年，新热壤薪茏公司、 日本太阳诱电和美国b l u e 7 通信公司也分别演示了各自的u w b 通信系统。 2 0 0 3 年8 月，韩国制造商三星电子和u w b 芯片缎开发商s t a c c a t o 通信公司 宣毒合佟，莛同开发蒸予m b t f i o f d m 方案懿u w b 芯片缝。 我国u w b 无线通倍盼研发起步较晚，但近两年来逐步升激。2 0 0 1 年开 始，在国家8 6 3 计划的支持下，东南大学移动通信国家重点实骏室对u w b 技术进行了预研。与此网时，国内多家高校也开始了对u w b 技术的研究。 2 0 0 3 年8 6 3 诗翔对u w b 技末正式立疆，著收至l 了众多研究蕈佼黥研究申请。 在2 0 0 2 年之前，u w b 技术的研究主溪局限于基于窄带脉冲的方式，2 0 0 2 年 2 月f c c 发布关于u w b 使用频谱的觌定之后，圜内才开始对潦于载波调制 戆u w b 遴信系统进行羲羹究。 蜀茸前为止，我国u w b 芯片和设备的开发工作基本上述没有开始，国 内各主要觅线通信企业、消费类电子产品企业基本上都没有正式进行u w b 技术的研发，也没有相关的芯片和系绞推出。在基于载波调制的u w b 系统 中，熏蜀了缀多移动逶僚中餐先逶按零，蘩c d m a ，o f d m 等，凝戮鏊内企 业在u w b 系统的开发上并非全无基础。 u w b 技术应用广泛、市场巨大。在国际上u w b 的研发正如火如荼的展 开，妇票我识不趁着嚣终程关标准稳未裁定，稳关产瑟滏寒残熬，市场迸表 形成的时机，积极迸彳亍u w b 的研发的工作，制定自己的技术标准，开发拥 有独立自主知识产权的技术，就会坐失良机，蒙受臣大损失。 我国皮该根据本国灼情况，尽快制定民用u w b 无线通信频谱斡使用援 定，这样才缝促进u w b 技术在民麓领域静发展。我国u w b 豹研发工终起 步较晚，与图外业界巨头相比，投入太少，所以国内的相关研究机构和企业 应该联合越来进行u w b 的研发，尽缀避免重复的投入，这样才商可能缩小 与国际先逡承平静差距。露藏，在磷究中应该着萋开发吴毒窭主妇谖产权妻冬 技术，不成简单地重复别人的工作，尽可能地取得国内相关企、业的支持，围 绕掌握的知识产权，结合国际上u w b 技术的相关标准，制定我国u w b 技 术的标准，为u w b 戆产妲诧镶平道憝【3 】。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 论文研突的主要内容 本文研究的主要内梅包括： 第一章，介绍课题的背景、现实意义、主要内释及u w b 的圈内外现状； 第二牵，奔绥 骗技零麓基零理论，其中题据：u w b 静最耨定义、主 要特点、威用领域、频谱的使用范围、发射功率的限制、通信方式及u w b 的信道模型； 燕三章，善先奔绥p s ，e d m a u w b 系统酌设量卡思想裒基本蹶蓬，然矮 应雳m a r l 蒜b 较箨薅系统避行建模，合璨豹设置彷爽数，最螽分析待真结栗； 第四章，首先介绍m b o f d m u w b 系统的设计思想和基本原理，然后 应用m a t l a b 软件对系统邀行建模，台毽的设置仿真参数，最后分糖仿真结果； 第五章，营竞秀缯l p g b 翦标壤傀要末，然蓐综合院较系凌熬蛙筵，冀 中包括；谍硝率、复杂艘、抗干扰自力、频谱利用翠、传输速举簿； 最后，对理论分析和仿真结果进行讨论和总结，提出自己的稽法与见解。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i i i i i i ；_ i ；j ；i ；_ _ _ 目j z j e e i 目目_ w _ ；i i ；i _ i i ；i _ _ _ # _ ；目；目_ 搿 1 1 1 1 1 1 第2 章超宽带无线通信技术 2 。 u w b 懿定义 超宽带早期的名称宵脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ) 、基带( b a s e b a n d ) 、 无载波( c a r r i e r f r e e ) 镣，直至41 9 8 9 零，美匿国辨部才正式使用u w b 这一 术语。它的基本概念建产生、发送鞠接收一段持续辩闻菲常缒豹爆发式射鞭 脉冲，持续时间一般为几十个皮秒到几个纳秒之间。由傅里叶变换的性质可 知，此脉冲在时域内的持续时间极短，在频域内必然占有极宽的带宽。 麓了鼹遴著鬟范u w b 技术戆发袋，f c c 怼u w b 系统牙藏了7 5 0 0 m h z 的带宽( 3 1 1 0 6 g h z ) ，并重新给出了u w b 信号的定义。f c c 规定，u w b 信号的绝对带宽大于5 0 0 m h z 或相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 大于0 2 1 4 1 ， 这里相对蛰蹇定义为： f b =( 2 1 ) 其中，& 窝五分嚣鸯镲母麴功率谱密发衰减1 0 d b 蠡孪获对鑫翡上袋叛率嚣下 限频率，( 厶一五) 为信母的绝对带宽，( 厶+ 五) 2 为信号的中心频率，如豳 2 1 所示。可见，u w b 信号的带宽不同于通常所定义的3 d b 带贸。 从f c c 戆定义可激看蠢，瑷农瓣u w b 己不仅仅爨隈予簸裙豹踩转邋 信了，而怒包括了任何使用超宽频谱( 只要带宽大予5 0 0m h z 域相对带宽丈 于0 2 ) 的无线通信形式。 盟 止址2 0一九怯0 哈尔滨工程大学硕士学位论义 爨2 。l 珏习国蔷号与搴豢缤号数院鞍 u w b 倍号的频带覆菔了现有的窄带无线通信系统，为了不干扰其正常 通信，世界备地负责频率资源管理的机构对u w b 的发射功率进行了限制， 霪2 。2 显示避赛各遗熬鞠荚辍梅对 灞璐德号菱菇葫率酶限籁翰。 囊 髂 篓 璧 拿c c黢鞫蕊袋 援藕嘉豢 撬囊 一一 昱囊器一黼一孱发射梗一 静皇由瑗 一 强2 。2 蓬爨释造穗美撬魏对u w 珏痞芎发瓣凄率夔黻懿 枷 罐 瑚 镬 喵 郴 礴 嘶 哈尔滨工程大举硕士学位论文 2 2u w b 的通信方式 l r w b 的通信方式主要可分为脉冲方式和载波调制方式。席精是f c c 规 定了u w b 通信的频谱使用范围和功率限制后产生的，也是目前u w b 无线 逶售囊采髑瓣主要形式。基于载波调制鹣u w b 逶接，按爨英频灌戆爱震方 式，又可分为单带和多带两种方式。 ( 1 ) 潦带脉冲方式 基带脉冲方式是u w b 通信最初的实现形式，它利用宽度农皮秒、绒秒 级豹窄豫、薜序弼避孬遴信。逶遥歉狰链置谖翻( 糟m ) 、二滋潮移摇键靛 ( b p s k ) 及脉冲幅度调制( p a m ) 等调制方式携带信息。u w b 基带脉冲通 信系统如图2 3 所示。 撒射蓉统接收幕境 圈2 。3u w b 基豢繇诤逶绩系统摇嚣 在发送端，时钟发生器产生一定黧复周期的脉冲序列，用户要传送的信 息和表示该用户地址的伪随机码分别泼合成后对周期脉冲序列进行某种方式 的疆割，调铡后的脉洚疆旗砖激髂；孛产生器，形成一定躲冲形状秘援律鹣脓 、薛痔列，然露经放大嚣放大到所需静功率，再藕合掰u w b 天线上发射出去。 在接收端，u w b 天线接收的信母，经低噪声放大器放大厝，送到相关 器的一个输入端，在相荧器的另一个输入端，加入一个本地产擞的与发端鼹 步懿爨淹瓠调铡辣淬痔捌，接狡裂豹稼母与本圭| 鏊麓步豹镄夔撬鞴调秘彦囊 起经过相关器中的相乘、积分和取样保持运算，产嫩一个已经分离用户地址 信息的信号，其中仅含有数据信息及冀它干扰。然麟对该信号进行解调运算， 壤撂发端浆调铡方式，恢复出爨传簸戆痿塞。同步泡路包括撼获秘罪藤，莫 作焉是准确提取对钟醵渖的位置和羹爱周期的信怠，并将其作用副本她的定 蹬鸯滨工程丈学磺士学鬣论变 肘电路，产生接收祝所需的时钟和定时信号1 5 j 。 脉；申可以来用多种不糊的波形，如离斯脉冲、升余弦脉冲等，鹾前，高 簸躲簿楚褥鞍骜遗。錾2 。4 必蹇蘩稼渖瓣游壤波形纛功率谱密度剃。赫狰豹 宽度极窄，一般在旺纳秒缀，因此，具脊穰强的多径分辨能力，执黼健在无 线室内通信环境中，密集多径信道的多校分离和处理成为可能，潞供了大幅 发提蒜系绕性糍静霹戆往e & ) 盼骧波形任) 确零 饕嚣囊 图2 。4 商凝黻冲的时域波形秘功率落密度 ( 2 ) 调露4 载波方式 蒸予熬捧浆u w b 通绩系凌，叁予纛搂穗矮鏊繁救渖波形避嚣遴僖，联 隧与传统的通舔系统相比，牧发信机结构简单，实现成本较低，频谱剃甩率 不高。虽然可以通过脉冲波形优化设计加以改善，但闷前这方面的研究还没 露十分理想虽实雳豹缝果。鹦一条途径就楚采用调制载波静方法，w 以灵涎、 麓效的莉璃频谱资源，挺离系统性能。 通过调制躐波，可将u w b 信号搬移到合适的频段进行传输，从而可更 加有效地利用频谱资源，调制裁波系绒的信号处理方法与一般通信系统采用 豹方法类戳，技本藏熬度蹇，在瑟慕懿王葚象终下，较萋繁菰洚鬟套爨实疆 商速传输。 按照频谱的使用方式，调制载波又w 分为单带和多带两种方= 忒。单带方 筑孛静c d m a 方案和多蘩方式中豹o f d m 方案蔻嚣耱磺究戆热淼，二者正 农竞争u w b 髂纺理屡标壤，程后蕊静章节中将详缁研究逮两释趣瓷带方案。 一 一 一 一 一嘉 。目 哈尔滨工程大学硕士学位论义 2 。3u w b 酶主要特点 u w b 之所以引起人们的高度重视，是因为鬯宵许多特点。 ( 1 ) 频带宽、传输遽率高 u 张信号懿频豢投宽，一般在死吾m h z 戮上，将来还会囱更毫蕊謦寞 发震。利爝弼诧宽静频带，可班实现数据麓商速传输，这可由稚浓公式给出 解释，仙农公式如式( 2 - 2 ) 所示， 扛 c = b i o g ：( i + 圭) ( 2 - 2 ) ￥ 式中：c 一信道容德，b i f f s 占一一信号频带带宽，h z p 一整号臻率，w 一一噪声功率，w 通信系统的容量与信号带窳四成正比，在一定信噪比的要求下，极大的带宽 可实现盛速率酌可靠绩输，或者为这熨定戆传输速率，极大盼黎宽爵跌程 穰低羲绩绦鹱：下实瑰可靠簧输。磊薷，u w bi s 铸帮竣在缀祗静信嗓诧门戳 下，实现1 0 0 m b i t s 的w 靠高速无线传输，进一步的目标是超过5 0 0 m b i t s 。 图2 5 为备种短距离光线通信系统的傣道容量f 7 1 。 1 g 萋： 堰 l b i t ，s t j l t y aw i d e b a r a d i e e 渤2 。l l a i e 啦0 2 。l l b b l u e _ t o o t h l 1 _ 哈尔滨工程火学硕士学位论嶷 围在l o 米的u w b 系统的平均发射功率仅需几十剿几百微瓦。出于u w b 信 号豹频繁援宽，导致蔡凌率谱密疫羧低，甚至甄手臻凌噪声溆平。这稃豹 信号就很髋被敌方所截获或检测，也不会对现有的常规通信系统产生不良的 干扰和影响，可以与之欺享频带实现拭存，从而使频谱资源得剿充分利用。 低功率又豢昧羞低功耗，特副鸯利予采霞电漶供魄黥手拷便携茂逶莹设冬。 ( 3 ) 脉冲持续辩闯短、定谴藕发商 信号的带宽直接决定其定位精度。根据f c c 的定义，u w b 信号的带宽 通常在5 0 0m h z 以上，遮远高出传统舱无线通馈僚母，因此，熊定位精度邀 缀衰。基予踩狰形式瓣u w b 信号，箕带竟逶常焱数g h z ，嚣藏，萁定位鬻 度高达厘米量级。 ( 4 ) 穷透性强 u w b 嫠号还其鸯雾逶遣表嚣、壤壁雾其它秘薅瓣戆力，霹应矮子嚣簧 穿透物体进行检测、竣视、测量与通信的场合。相关实验证明，u w b 能填 补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。 ( 5 ) 绻褥篱单、成本低 u w b 遥信系统不辩要常规无线通信系统中掰需的上隋交频器、频率合 成器、中频电路、各种滤波器等模拟器件，结构筒单、容易实现全数字化的 结构，可大大降低成本。 ( 6 ) 绩擒逶爱 u w b 通信、雷达、成像和定位系统可采用通用的硬件结构和工作频段， 通过软件稷序改变其功能，便于用软件无线电技术实现，具有缀强的灵活性 窝通用矬1 5 j 2 4u w b 的主要应用 u w b 无线逶售援零貔主要臻戆毽摄无线遴绩籁定整。遥褥藏速无缓邋 信时，传输距离较近，般在1 0 2 0 米左右，进杼较低速率无线通信和定位 时，传输躐离可更远。u w b 技术，特别是采用纂带脉冲方式时，具有较强 的透视功熊，可以穿透数层墙壁进移遥信、成缀壤定位。与会球定位系绕 ( g p s ) 榴玩，u w b 技术的定位稽度慝高。根据上述的功能，u w b 技术可 。 喻尔滨工程大掌硕士学位论文 i i j i i i i i ；i i * i i i i i i i i ；警i i i i j 以应用于宠线多媒体局域网，家域网价域网，雷达窝位寝成像系绫，智能交遴 系统，淡爱应楚予军事、公安、救援、医疗、测爨等多专镁域。 ( 1 ) 溉线多媒体髑城网家域网，个域网 在光线瘳媒体局域网家域网个域网中，各种数字多媒体设辑根据需裳， 在套范嚣内缀成鼹终，糖互簧送多媒藩数撬，势霹娃通过安装在家孛戆塞带 溺关，接入i n t e r a c t ，鞫娥一个智裁家庭环境。数字多媒体设备蘧搔需要投戴 视频、音频、文本、数蜷等数字多媒体信息的设错，比如数码摄像机、数硝 照辐枫、m p 3 播放器、d v d 援放嚣、数字电视、螽式枫、餐谗本电脑、封 霹蠢、投影驶、据攒役、摄爨头、等辘、荟餮智麓褰毫、撰溪鑫等。 ( 2 ) 智能交通系统 u w b 系统同时具霄无线通信和定位的功能，可以方便地艨用于智能燮 逶系绫中，淹汽车臻攮系统、智糍浚赞系统、滔遥、篮视系统譬提供蹇缝煞、 低成本静解决方案。 ( 3 ) 罐事、救援糊安全等领域 u w b 窳缝，特别是袋鼹基带脉冲方式酶l r w b 系统，其窍鞍强蟾穿遂漳 碍魏透露邋傣熬戆老，在军事、搭貉、耪探等矮域凑羞广泛簿鼹途。2 6 0 3 苹 2 月，美圜t i m e d o m a i n 公司推出了穿墙透视仪r a d a r v i s i o n 。r a d a r v i s i o n 采 用了u w b 技术，可以透过2 3 层墒臆，探测l o 米范围内的物体，为警察、 特辞兵囊| 黢藏藿予室内瓣持枪罗捷摄褒了强莓力戆毙逶工具。在潜藏土， u w b 设备w 用予搜救火场内、废墟下的幸存者。夜勘探颁域，利用u w b 搜 术，可以探测到地表以下数米深的物质。u w b 技术还适用于安企、监视、 残壕等雷达蒸缝嘲。 2 5u w b 信道 在越爨带系绞孛，由于簧辕售弩稳豢宽稷爨。系统其骞缀逝瓣多径分辨 率，多径絮强稻对较少，不再满是中心极限定逡的骰设，夸尺艘衰落势布不 再满足传缆的r a y l e i g h 分布或r i c i a n 分布条件。因此，超宽带惰道的建模成 先一个难点。经过大量黔实验，人键融经建立了诲多信遭模型，建系统设诗 夔禊了耋簧蔽据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为评健各种u w b 避傣实现方裳的性能，邋裟需要根据其工作嚣壤建立 一个馥较麓穰麓售遵模鼙。簧遵壤型瓣绩遭穗路岱冀、簧撵范遨麴攘簧帮译 估物理层方案都是必要的。大多数傣游模型是通过统计分析与赏验相结合樽 到的，实验依赖于基于测试数据的曲线和解析式的拟合。 掇攥寝矮琴壤，u w b 痿道模型主要努受室内帮室舞两犬类。室蠹嚣壤 又势为簌壤帮办公室两种环境。无论寂内还是室辨环境，又都w 汉分舞鬣藤 ( l o s ，l i n e o f - s i g h t ) 和非视距( n i 。o s ，n o n e - l i n e - o f - s i g h t ) 两种基本情 援。 2 0 0 3 牮 嚣，塞经_ 遵多凌蓥羧器，i e e e 栎稳健缀织8 0 2 + 1 5 王箨缝鬟交 了一份u w b 室内信道建模的最终建议。目前，该信道模型已经得到广泛的 认可，并成为各研究机构进行超宽带添统性能仿冀的公开信道平台。该信邋 模墼是鸯经典翡竟豢室蠹信遭s - v 摸型魏基磴上散了多量酌修敬霭餐囊翦。 s v 模垄考虑了多径酌簇效应，它认为多径的到达时间并不楚完全随枫酌， 而是成簇出现的，并且认为多径的能擞和幅度分布分别服从于双指数分布剃 r a y l e i 馥分雒。8 0 2 1 5 工作组辑建议的趣宽带室蠹傣遴模型缳留了s - v 模燮 孛多径藏簇爨瑗越及麓爨鼹簌予黢掰数分毒魏赣患，毽鬏蕹实鼯翡撼量数器 对多径的幅度做了修正，认为对数雉森分布比r a y l e i g h 分布能熙好地拟合实 验数据。 8 0 2 ，t 5 工终续建谈懿越赛簿室蠹蓿邋壤鍪甏潋表示爻： 上监 h ( o = a k ，占。一驾一靠) ( 2 3 ) t = 0 t 0 其中，畿j 为多径的袭猿系数；霉兔煞j 簇戆时延；表示熬霉为基准，第l 簇懿第毒令多径分羹憨瓣蘧。多较模型孛簸衰减蓉数敛，萄黻是复数蠛实 数。如是凑数时，定义雌j = b ，羼霹。，取值为1 ，用于描述糊信号反射引 起的随机脉冲倒相；熊，为对数阴影髓落效应。，为复数时，容易出现相饿 模赣；囟予实数瑟麓攀链，兔避凳u w b 渡形麴撩经接述蒺糕，建议采蔫 吼，= 嚣，最p 8 0 2 1 5 工作组建议的u w b 室内债道模型描述如下： ( 1 ) 多经裂这嚣瓣戆分布 令簇戮这麓雾重羯，魄藏是簇静第条多径懿粥这潜溺鞭蔽参数秀a 韵泊 2 哈尔滨工程犬举_ | 囊士学位论烹 松分布，簇中其它多径的副达时间服从参数为x 的浪松分布。一般簇中多径 蕊数量要远远大予簇鹃数藿，因戴肖未矗。定义= 霉，裂富： p(tt川tlk_1)州=a，。ep(rk埘a e x “p 曼毒豫篇0 协4 ，iji t l x ，) 篁一a ( 吒，一_ 一i ) k k ( 2 多经摇痊及g 爨静努毒 痞遂黎数定义为：辑，= 毒l 磊，恁j 不再采爝传统嚣端秘分布，秀莛采 用均值为肌，方差采用砰+ 霹的对数正态分布，即： 2 0 l o g i o ( 熊) n o r m a l k ：, 8 4 或 _ l 痧汹o cn o r m a l ( “t ，c r 2 ) ) + 鳐：竺竺竺兰：! ! 羔一a a l n ( 1 0 ) ；2 - 5 ，瑶2 * 一一 ， t , a ( 1 2 0 相应地，多衽的能量分栉为； 曼强 e 孵，】= q 。e7 (2-6) 其中，为第一簇第一祭多径的能赞。可以看到。雾径能量分帮成了两部分， 成双指数分布f 8 l 。 在上述数学模型黪蒸醚上，i e e e s 0 2 。1 5 。3 a 工僚疆还给爨了4 缝售道模 受兹实现，称为c m l 、c m 2 、c m 3 和c m 4 ，其中c m l 为收藏躐离在4 m 戳 内，l o s 信号的信道模烈ic m 2 为收发距离在4 m 以内，n l o s 信号的倍 道模型；c m 3 收发距离在4 1 0 m ，n l o s 信号豹傣遵模型：c m 4 是垮方援 簿延这到2 5 n s 翡霰臻多径信遵。餮2 6 秀4 静詹灌的诤激豌赢。 哈尔滨t 程大学硕士学1 _ i ) = 浓变 8 5 8 5 。4 0 一u j 基一 2 彩 o5怕 碴童 苎 ( a ) c m i 信道瓣渖激嚷瘟 0 5 n * 0 4 。篁 e 3 藿。7 5 0 2 。 。1 。爆 0磁 。一 缴。 廷退m n 伯) c m 2 癌遵麓孛激蛹痘 舭，黼i 甜黼飙。 ( c ) c m 3 信道的冲激响应( d ) c m 4 信道的冲激响应 强2 ；s c m l 、c m 2 、c m 3 窝c m 4 信邋戆冲激夔庭 2 。6 本糍小结 本章奔绍了u w b 瀚基搴理论，其中雹括：u w b 麓最薪定义、主要特点、 应用领域、频谱的使用范围、发射功率的限制、通信方式及u w b 的信道模 型。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 第3 章d s c d m a u w b 系统 3 。1 设计愚想 发射u w b 信号最常用的方法熙在时域上发射窄脉冲，持续时间一般为 尼十个皮秒裂几个续秒之阕，由傅鬃时交换豹攥矮舞，此脉渖在频域内爨 有极宽酌频谱分量，从赢流到数g h z 。远远大予传统的窄带光线系统( 弛蘸 牙、手机蒋) 。 脉冲调制方式从携带的信息上餐，可以分为数据调制和多址调制。数掇 舞稍方式蠢躲狰睡覆镄鞠( p a m ) 、开关蕤控( o o k ) 、二遴锈程整调制 ( b p s k ) 、脉冲位置调制( p p m ) ；从多址接入方式上看，有跣时扩频( t h - s s ， t u n eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 和巍接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 嚣秘方式可选。典黧的组合方案是t h - p p m 秘d s - b p s k 。 相比较两京，t h - s s 的优势在于它对遥近效应的敏戆程度没有d s s s 那么赢， 降低了对功率控制的要求。因为只有当不同用户的信号脉冲在网一位置上出 现重叠时，远近效应才会体现出来，这也许是早期的u w b 系统在信号占黛 笼缀祗鹣条释下选磊了t h - s s 熬重黉窳霞。不过，随着怼传输涟率豹要隶麓 来越高，占空比势必簧大大增加，t h s s 的优势融不明显，d s s s 方案现巍 重新受到人们的重视删。 尽管f c c 援定了u w b 簧号豹频谱整惩范嚣灸3 。l l o 6 g h z ，餐莠美 资料显示，使用5 g h z 以上的频率仪能够籍当前c m o s 技术的总链路容量提 高l d b ，而且还会造成更大的复杂性与更多功耗。由于链路容擞的增益有限， 再加上复杂性和功耗盼阗题，于是霹以褥出这样豹结论：3 i 5 g h z 之闻驰 蒂塞是u w b 器释裙戆鄂薯懿骞效带宽。事实上，将上陵额率隈裁兔5 g 酝 还有一些明显的好处，包括：加快产品的上市进稷、简化模拟前端电路( 如 放大器和溉频器) 的设计以及避免来自u - n i l 频段的干扰1 9 j 。 d s - c d m a 方寨将3 。l l 氇6 g h z 懿胃矮颓羧翅分秀离、繇嚣令菝裁， 哈尔滨工程大学硕士学位论黛 分别失3 。l s 1 5 g h z ( 低频段) 翻5 8 2 51 0 娥( 亮频段) ，嚣令频段 霹竣分掰藏藏露整露。掰个频莰之淘鹣罄分没鸯髑瘸，是戈了邋兔对u - n n 频段的设铸淹成干扰。单独使用低攒段，可实现2 8 5 4 0 0 m b i t s 的传输遴 率；单独使用高频段，博实瑰5 7 8 0 0 m b i t s 的传输速率；两个频段同时使 蒋，霹窭魏麓送l 。2 g b i t s 蕊黄臻逮攀磁。囊鬻3 ，l 赛示。由予使震5 g h z 以上频谱的系统存在种种缺点，本宠足使用3 1 5 1 5 g h z 频段。 强| i ：l d 粒4 - 5 1 5 蘧攀2 酾鞫瓤泌一错氇漆 霉锄 睾前 3 0 4 d 3 ，2 基零源理 莩舶 璺卸 、饕 h 嗍b 删瞄一m 8 措博 蘧搴鼙獭髑娜 静罨嘴塾 一基l s 霸 自酗轰8 答s 髂一捧蠡鑫 璐 谶露爵这 2 袋黼 图3 1d s c d m a 超宽带方案的频谱分配 3 ，2 系统模型 嚣嚣磷究懿u w b 实质上是滏毒空诧禳低 徽遮0 。5 ) 豹；串激稼狰镗为 1 6 藩等电擎 y、j。 洲厂 ：m 荔副 | 曛 喻尔淇工耧大学硕士学位论文 信息载体的无虢波扩谱技术，通过对具有陡峭上升下降沿的冲激脉冲进行调 制来实现通信的。典型的u w b 发射机直接发射冲激脉冲序列，不再具有窄 带系统中的中频和射频电路，此时发射的信号既可看成基带信号( 对窄带通 信而言) ，也可看成射颓信号( 对发射信号的频谱而言) 。冲激脉冲通常采用 单瘸麓高新脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。 基于c d m a 的u w b 脉冲无线收发信机的基本组成如图3 2 所示。在发 送漆辩钟教生器酌信意和袭示该用户魄琏的伪随机码分羽藕合成箭对周期脉 律痔剜进行菜释方式静调潮，谲翻后豹脉冲序鄹驱动酝冲产生电路，形成一 定躲狰形状帮规律蠡每脉冲净列，然看放大猁所需功率，再藕合到u w b 天线 上发射出去。 发射机接收虮 图3 2 基于c d m a 的超宽带焉线通信系统 在接收端，u w b 天线接收的债号经过低噪声放大器放大蜃，送到楣关 器的一个输入端，在相关器的男一个输入端，加入一个本地产生的与发端阕 步的伪随机码序列，接收到的傣号与伪随机码序列经过相关器巾的相乘、积 分和取样保持运算，产生一个已分离用户地址的信号，此僚号仅含有传竣镶 息及噪声。然后对该信号进行解调运算，恢复出所传输的馈息 1 l 】。 豫尔滨工程大学嫒圭擎控逶定 # i 目= 肓掣i i # ；i 自；i j i # 喾i ； ；自i i 自自；寄 i i i i i ii 目黼i ；j # j 置删i ；# i 叠 3 2 2 嗍脉冲波形 瓣u w b 通傣系统感蠢，产生宽糜为纳秒级的脉i 申怒前提条件，该歇冲 嚣要英鍪戳下嚣个蘩意：一是菰滓豹渡澎簧其骞貔旗慧上囊下降瀣；二燕赫 冲的频谱鼹戴霄从直流至微波的频谱分嫩。 目前，产生u w b 脉冲主要有两种方法：( 1 ) 光电法，基本原理是利用 毙警舞关蕤娥戆土秀巧降淤寨获褥窄躲；孛。2 ) 迄予法，基本原爨蹩在鼓体 管p n 缩上蕊发商德黉毫鼹，雪崩状态簸瞬阍获褥陡峭静上辩澄，整形麓获 得窄脉冲。麟者怒目前广泛采用的方法1 1 2 l 。 最篱荜、最通用驹u w b 波形是肇周期躲冲信母，之所以称露为单周期 躲i 唾| 蹩鑫秀这转波形哭蠢令躲羚两麓，逶露为褒鬏躲i 孛或箕徽努澎式。当 然，拥有极宽频谱分爨盼储睁不仪仪怒搿斯脉冲，但猩u w b 技术发展之初， 脓冲发生器戢容易产生的就怒类似于商新脉冲的信学。另一个使用筒斯脉冲 熬募霆是荛了努裾匏翡霞。蔽攥麦交蘩警方纛可魏，竣茇天线对u w b 痿号 晌微努捧孀比窄带系统鹳鼹躺多，这样，当采孀离疑脓渖信鼍羽时候，由于 潜新赫摔信譬的备次镦分熊宥缀篱荜躺形式，分析怒来很方便。蒸予馥上两 个嚣嚣，在逡蠲稼滓镓号瓣辩候，大多使璃嵩薪黥；串债号。 舞了搜天绫黥将藩号熬爨有效遮旗瓣出去，癸颓骧净静颧谗特蛙箍爨一 定的要求，帮不含壹流分爨，低频分爨少，信号熊爨主要集书在瓣额部分。 溺采翔离袈溅数静各除导数捧麓发射躲游波形对，掰遥过选择稼 串宽度和阶 羧来获褥幂瑟鹣豢竟爱孛翻矮率。逶过分辑爱溪，巍焱函数套酚嚣数煞鼋竟 避经等于滁；串赛发豹穰数，中心频率会潞求导次数的灞魏蕊逐渐土移。图3 3 为舞裁踩坤孵域帮矮城静辩应关系示爨黼。 囊囊皴狰信号夔数学袭器式鸯： l 2 ( r ) = 7 ：一e x p ( 一j i ) ( 3 - 1 ) q t 嚣g 二哥 熊巾，疗是袋嚣形状麴参数，与脉冲宽度毒关。 受了去豫袁滚努鬓翻黼鞲天缓懿徽分终臻，在实舔篷麓串，一般镬罴意 颧脉冲斡微分形式，雕： l s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 固= 学 3 啦) 其中，x 为微分的次数。 蜒 馨 八。 扩7 | 卜t 一 八 频率( g h z ) 潮3 ，3 离袈躲滓静静域帮频域静对寂关系 嵩豢腺冲瓣频谱瑟数为： p ( f ) = ip ( t ) e x p ( - j 2 r r f i ) d t = e x p ( - 2 ( 删2 通志e x p ( 一塑芬丝冲 3 ) 它的蠛度谱炎： | p ( f ) 1 2 = e x p ( - 2 ( n f o ) 2 ) ( 3 - 4 ) 其中，直流分嶷p ( o ) = l 。相应的赢斯脉冲的各次微分蛉蠛度谖的公式戈： 眵砷( 叫= ( 2 z r f ) 2 2e x p ( - 2 ( x f e r ) 2 ) 洛5 ) 其中，x 是微分的阶数【8 1 。 对于u w b 室内通信，应采用高斯脉冲五阶以上导数作为发射波形，其 功率谱密度满足f c c 的规定，如图3 4 所示 1 3 】，但考虑到实际可用带宽最大 的原则，应选择高斯脉冲的五阶导数作为童内通信的傣号波形，麓斯脉冲的 五阶导数的表示式为： 1 9 案v斟嚣 晗尔滨工程大学硕士学位论文 p 竽麓拦s 丢 ：置( 娟三瑚乓一鸟。寺 盯盯“盯。 其中，足= 荔1 矛。 鼍 _ 魁 臼 辫 簧 寄 ( 3 - 6 ) 撩攀( 溅z ) 图3 。4 五至八殓裹簸鼹浊的功率谱密发 3 。2 。3 调制方式 d s u w b 系统中可供使用的调制方式主要有两种，即开关键控( o o k ) 方式和= 迸锘l 稠位调箭( b p