超宽带无线通信技术及主要应用毕业论文.doc

超宽带无线通信技术及主要应用毕业论文目 录前 言 1第1章 UWB技术背景 3 1.1 UWB 技术的历史3 1.2 什么是 UWB 3 1.3 UWB 的空间容量 6第2章 UWB 波形及调制技术 7 2.1 超宽带波形 7 2.2 脉冲调制方式 9 2.3 多频带脉冲调制10第3章 UWB 接收机关键技术113.1 Rake 接收机 113.2 定时同步技术123.3 信道估计技术13第4章 UWB 多址技术 14 4.1 TH-PPM 多址方式 14 4.2 DS-CDMA 多址方式15 4.3 PCTH UWB 多址技术 16 4.4 多载波超宽带多址技术19第5章 UWB 的标准化进程及其应用18 5.1 UWB 信号的频谱管理19 5.2 UWB 的应用21 5.3 UWB 的不足与改进26第6章 UWB 的开发及发展前景26 6.1 超宽带天线的发展27 6.2 超宽带芯片设计27 6.3 超宽带商用产品开发28 64 发展与应用前景 2947第7章 结论 29致谢 30参考文献 31附录一 一些主流WLAN/WPAN等标准和UWB技术的特点 32附录二 英文资料及其翻译 33前 言超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。UWB发出的脉冲电波直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因而大大减少了耗电量。UWB技术之所以成为无线通信领域关注的热点之一，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的。在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克接收机合并多径信号能量并进行相干检测；信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度；多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信，这一点必须做到，并且必须保证不导致系统性能的降低。最常见的TH-PPM多址技术和DS-CDMA多址技术等，是进行用户分离的最佳多址技术。UWB接收机的研究与开发需要解决如下的关键技术：（1） 接收机技术 UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。（2） 同步技术 没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。（3） 信道估计 为了保证系统传输可靠性和功率效率。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准限用于军用雷达的超宽带(UWB)技术可运用于民用产品上，同年4月，批准将3.1GHz和10.6GHz之间的免授权频段分配给UWB使用。自此，此项技术开始引起业界广泛关注。UWB在公共安全、军事效能、航空安全、医疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与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。UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等，有可能成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。第1章 UWB技术背景1.1 UWB技术的历史对超宽带（UWB，Ultra-Wideband）无限技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)-冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定： （1-1）然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。1表1-1 一些UWB里程碑事件1时 间人 物事 件19691984年Harmuth（美国天主教大学）发表“用于雷达和无线通信的非正弦波”19721987年Ross和Robbins（Sperry Rand公司）Van Etten（罗马空军实验室）发明用于雷达和通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等19802000年Fullerton(Tine Domain公司)McEwan(Lawrence Livermore实验室)Morey(Geophysical Survey Systems公司)Young等（OSU公司）Beckener等（Power Spectra公司）基于雪崩晶体管的系统和天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机和采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳朵”和天线等堆砷化镓半导体开关管2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。1 1.2什么是UWB？UWB的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看，信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。美国FCC对于UWB的定义为： （或者总带宽为500MHz） （1-2）式中，、分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率，为载波频率或中心频率。21.0 1.6 1.9 2.4 3.1 4 5 6 7 8 9 10.6 频率（GHz）功率802.11a802.11bHomeRFUWB信号GPSPCS微波炉，无绳电话，蓝牙与传统无线信号的重叠FCC第15部分的功率限制图1-1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系1FCC规定UWB工作频谱位于3.110.6GHz。如图1-1所示, UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达-41.3dBm/MHz。如图1-2所示为在FCC条例下第15部分所规定使用的频谱限界。图中分为室内和室外使用两部分，其中的主要区别是：室外的带外部分具有较高的功率衰落程度，其目的就是要保护现有频段或相邻频段及其他设备免遭UWB信号较强的同频干扰。如避免对工作在中心频率为1.6GHz的GPS接收器构成较强的干扰。1-53.3)dBm/MHz(辐射功率EIRP 0.96 1.61 1.99 3.1 10.6 频率（GHz）-61.3-51.3-41.3-51.3-61.3-75.3-63.3室内室外图1-2 FCC对UWB通信与测量系统的限界规定1UWB与“窄带”或“宽带”系统有两点主要区别：第一,FCC定义的UWB的带宽大于其中心频率的20%或至少500MHz的带宽。如以下公式。 （1-3）式中为高端10dB下降点，为低端10dB下降点。而通常所说的“窄带”的带宽小于其中心频率的1%；“宽带”的带宽在1%至20%之间的范围内。显然，UWB的带宽要远远大于目前各类系统的带宽；第二，UWB技术主要是采用无载波方式来实现，而传统的“窄带”或“宽带”系统均采用单频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。 1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。脉冲越窄，频谱越宽。人们知道，在无线信道上，实时传输多媒体信息需要极大的带宽。如何提高传输系统的容量是人们特别关注的问题之一。香农的信息理论为我们寻找容量的突破奠定了理论基础。香农容量极限可用公式表示： （1-4）式中：C=信道容量（bit/s）；BW=信道带宽；SNR=P/BWN，信噪比；P=所接受的信号功率；N=噪声功率谱密度（W/Hz）。从上式可以看出，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。显然UWB技术可以在极低的发射功率下传输非常高的数据数率。UWB技术的优势主要表现在10m内无线短距离通信。为了便于对比，体现UWB技术的综合优势，附表列出了目前短距离无线通信邻域一些主流标准和UWB技术的特点。一般情况下，经FCC对UWB功率谱做出规定之后，UWB对其他同频或邻频接收器的干扰非常小，通常其功率谱密度在热噪声水平之下。如图1-3所示，尽管FCC对UWB的带内功率和带外功率作了严格的限制，但是他对同一个频谱和相邻频谱的其他设备的干扰却是依然存在的。1UWB5MHz噪声功率级图1-3 UWB信号对其他无线信号的干扰 11.3 UWB的空间容量我们可以引入空间容量的概念来描述UWB的容量。空间容量定义为单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量。这一参数可以比较客观地反映系统的容量。作为对比，下图绘出了几种短距离通信技术的空间容量。例如，对于蓝牙技术，典型辐射半径为10m，10个共存的1Mbit/s蓝牙系统的吞吐量为10Mbit/s，则其空间容量为 （1-5）UWB的空间容量可以达到1,其优势是非常明显的。150010000蓝牙2版？802.11a83802.11b1蓝牙1版30IEEE802.15.3？1000超宽带图1-4 各种短距离通信系统得空间容量1第2章 UWB波形及调制技术2.1 超宽带波形2.1.1 UWB信号模型UWB 系统发送的是纳秒级脉冲串,脉冲宽度Tm 远小于脉冲之间的平均间隔Tf ,两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB 信号模型为: (2-1)其中，w(t)表示发送的单周期脉冲,、分别表示单脉冲的幅度与时延。22.1.2 高斯脉冲信号最简单、最通用的超宽带波形是单周期（Monocycle）脉冲信号，只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。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。2高斯脉冲信号的表达如下： （2-2）其中，是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。考虑去直流分量以及上述天线的微分作用等因素，在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的微分形式： （2-3）其中，x代表微分次数。高斯脉冲的谱密度函数如下： （2-4）它的功率谱密度如下： （2-5）相应的高斯脉冲的各次微分的功率密度的公式如下： （2-6）如图2-1所示为03次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图。2 （a） 高斯脉冲各次微分波形 （b） 高斯脉冲各次微分频谱图 2-1 高斯脉冲各次微分波形和频谱2上述脉冲信号是时间无限的，实际上不可能直接应用，必须截短，这牵涉到脉冲宽度的确定问题。如何确定脉冲的宽度，在不同应用场合有不同的要求，一般进行理论分析时，使用含有99.9%脉冲能量的区间作为脉冲宽度。22.1.3多周期（Polycycle）脉冲波形另一种产生超宽带脉冲的方法是使用一小段正弦信号，该信号由N个正弦周期组成。其表达式为： （2-7） 其中，T是正弦波的周期，u(t)是阶跃信号，对于整数的N，脉冲信号的傅里叶变换式为： （2-8）可见，这种信号的频谱以正弦波频率为中心，并且主瓣宽度和正弦波周期数N成反比，当N4的时候，这种信号转化为窄带信号。多周期脉冲信号的这些特佂为频谱的灵活配置提供了便利，并且可以像传统通信系统一样使用频分多址技术。2 2.2 脉冲调制方式2.2.1 脉冲幅度调制（PAM）脉幅调制PAM是UWB信号的一种典型波形,其模型为: (2-9)其中, 是信息序列，是脉冲重复周期。当假设dj 是独立同分布的随机变量时,该信号的功率谱密度为： （2-10）其中， 是的付氏变换、分别为数据的方差及均值。 由此可见,PAM信号的功率谱密度由连续谱与离散谱两部分组成。为了不影响其它使用同频段的系统,必须对UWB 信号的功率谱密度加以限制。于是离散谱的存在就会导致UWB 的总发射功率下降,所以应尽可能减小离散谱,最好使之为零。由式（2-10）知,离散谱线的幅值与数据的均值成正比, 故应尽可能减小。 根据dj 的不同取值,可将PAM调制方式分为以下几种:(1)OOK（开关键控）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: = 1，发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: = 0 。(2) PPAM（脉冲位置调制）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: =，发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: =。且0 2 1 。(3)BPSK（二进制相位调制）发送数据为1 时,UWB 信号的幅度为: = 1,发送数据为0 时,UWB 信号的幅度为: = - 1。这三种方式中只有BPSK方式的为0 ,故UWB的PAM调制方式多采用BPSK方式。32.3 多频带脉冲调制 Intel公司提出了多频带脉冲最典型的调制方式-频谱键控（SK，Spectral Keying）调制。在SK调制中，每个发送符号由许多脉冲组成，每个脉冲用不同频带发送，信息以不同频率的发送顺序编码在符号中。因为符号中所有脉冲具有正交频率，所以不同频带的多径信号不会互相影响，并且符号间隔扩大了若干倍。这样，将减少同频带多径信号的影响。假定表示在第m个时间片的第i个符号的第n种顺序，是脉冲波形函数（持续时间小于秒），和是正弦函数的频率和相位因子，是频率总数，第i个传送符号可表示为： （2-11）发射信号序列可以表示为： （2-12） T是符号周期，；满足FCC的频率覆盖要求，可能的脉冲波形包括高斯，反正切和升余弦。2第3章 UWB接收机关键技术超宽带的信号传输受到大尺度路径损耗、阴影效应、小尺度多径衰落等因素的影响，因此，到达接收机的信号波形存在严重的失真；同时，信号还可能受到多址干扰、窄带干扰和背景噪声的影响。因此，UWB的研究与开发需要解决如下的关键技术：接收机技术；同步技术；信道估计。3.1 Rake接收机UWB系统的典型应用环境为家庭、办公室等室内密集多径环境，多径信道的最大时延扩展达200 ns以上，可分辨多径数量与信号带宽成正比，通常高达几十至上百条。传统的宽带码分多址(WCDMA)系统利用伪随机扩频码的自相关特性分离多径信号，采用瑞克接收机捕获、合并可分辨的多径信号能量，从而提高系统在多径衰落信道中的性能。UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。由于UWB信号带宽相当大，收发天线和无线信道往往引起较严重的信号波形失真。若瑞克接收机仍然采用理想的脉冲波形作为相关器模板，系统性能将有很大的损失。因此，在UWB系统中，需要根据接收信号对瑞克接收机相关器模板进行估计和修正。一种较为实用的方法是将实测得到的UWB脉冲波形作为相关器模板。3.1.1 频率选择性衰落信道下的Rake接收机UWB信道引入了频率选择性衰落，信道可用线性抽头延迟线建模。考虑这样一个抽头延迟线模型，其最大附和时延。假设，且保持无符号间串扰（ISI）和脉冲间干扰（IMI），并设信道状态在几个符号的持续间隔内保持不变。当信道为频率选择性衰落信道时，对于发信号的宽带特性，收信号r(t)具有内在的多径分集。在此情况下，Rake接收机可利用分集技术，从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形，以提高传输特性。各相关器输出的合并有不同的方式，以形成判决变量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、选择式合并等。Rake 接收机的结构如图3-1所示。2线性合并 “0”或“1”图 3-1 Rake接收机框图23.2 定时同步技术同步定时对于任何数字通信系统来说都是根本的任务。没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。定时同步是UWB通信系统中至关重要的问题，定时偏差和抖动将严重影响接收机性能。一般定时同步分为捕获和跟踪两个阶段。在捕获阶段，要求接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时。在同步跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步。UWB信道的密集多径特征进一步增加了定时同步的可靠性。总体上讲，目前提出的UWB系统定时同步方法可以分为两大类：数据辅助的定时同步(Data Aided)、盲定时同步(Non-data Aided)。数据辅助的同步方法借助于事先设计的导符号训练序列进行定时捕获和跟踪，采用的训练序列有M序列、Gold序列、巴克码等。结合判决反馈的方法可以进一步提高跟踪精度。这类同步方法的优点在于捕获速度较快、跟踪精度高，但在系统带宽效率和功率效率上付出较大的代价。盲定时同步借助于超宽带信号内在的循环平稳特征进行定时捕获和跟踪，不使用任何预知的训练符号。这种方法在系统带宽效率上高于数据辅助的同步方法，但捕获速度和同步性能会有所下降。上述两类同步方法都是采用滑动相关寻找峰值的办法，区别在于使用的相关器模板和先验信息。在高速无线个域网(WPAN)等无线网络中，一般采用突发式的包传递模式。采用数据辅助的同步方法与并行搜索相结合是比较合理的选择。盲同步方法结合串行搜索比较适合于低成本、低功耗的低速网络。3.3 信道估计技术在数字通信系统中，若采用非相干检测则可以简化接收机复杂度，不需要进行复杂的信道估计。但非相干检测比相干检测有高达3 dB左右的性能损失，这对功率受限系统尤其难以接收。为了保证系统传输可靠性和功率效率，UWB系统一般采用相干检测，因此信道估计问题是UWB接收技术中的关键问题之一。在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克接收机合并多径信号能量并进行相干检测，信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度。在基于OFDM的UWB系统中，接收机根据信道频域响应对每个子信道进行频域均衡后进行相干检测，信道估计问题即估计信道频域响应。UWB信道是典型的频率选择性衰落信道，在时域表现为多径弥散且呈现出多径成簇到达的现象。根据利用的先验信息分类，现有的信道估计方法分为：数据辅助(Data-aided)的信道估计、盲(Blind)信道估计。数据辅助的信道估计方法利用已知的训练符号进行信道估计，具有估计速度快的特点，但在频谱利用率和功率利用率上付出一定代价。盲信道估计不需要训练符号，利用信号自身的结构特点或数据信息内在的统计特征进行信道估计，但计算复杂度很高，收敛速度通常很慢。UWB系统的典型应用环境为室内，与数据传输速率相比，信道的变化速度非常慢，可以看作准静态。因此，对于突发式的包传递模式，采用数据辅助的信道估计方法最为合适，仅需插入少量训练符号即可快速估计信道信息，配合判决反馈可进一步提高估计精度。盲信道估计则比较适合于连续传输模式的网络。第4章 UWB多址技术4.1 TH-PPM 多址方式4.1.1 TH-PPM UWB的信号波形TH-PPM（跳时脉冲位置调制）是用N_S个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。 典型的TH-PPM UWB 制信号波形如下： （4-1）其中，表示发送的单周期脉冲波形，上标（k）表示第k个发送用户。由式中看出，k用户发送的信号是由偏移到特定时刻的单周期脉冲序列组成，其中第j个脉冲对应的时刻为：。（1） 脉冲序列由间隔的单周期脉冲组成，为帧周期或脉冲重复时间，典型的值约为单周期脉冲宽度的几百倍或几千倍。因此，直接由等间隔分布的单调周期脉冲构成多址信号时，它们之间容易发生碰撞，对系统容量是不利的。（2） 伪随机跳时码：为了减少多址通信中的碰撞概率，每个用户指定一个特定的脉冲偏移模式，称之为跳时码。跳时码是以为周期的周期伪随机码，即对任意的整数j和i，有，跳时码为脉冲序列提供了一个额外的时间偏移。跳时码的另一功能体现在将间隔为的谱密度变为间隔为的线谱密度，从而降低了功率谱密度。（3） 数据调制PPM以二进制数据调制为例，第K个用户待发送的数据序列为，系统采用过采样调制，调制符号每隔Ns脉冲变化一次，数据调制使得伪随机跳时码调制的功率谱更加平滑。 24.1.2接收信号处理在多址系统中，当Nu个用户同时工作时，接收信号r(t)表示为： （4-2）其中，Ak表示发射机k的信号经路径传输后到达接收机的衰减；表示收发信机的时间延迟；n(t)表示加性高斯白噪声。在多址通信系统中，当多个用户同时工作时，上述判决准则已不是最佳的，此时最佳接收机应考虑多用户干扰情况，使结构变得非常复杂。接收机的原理图如图4-1所示。2图 4-1 TH-PPM接收机结构24.2 DS-CDMA多址方式4.2.1 DS-CDMA UWB的信号波形在单载波DS-CDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制。用单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决无载波UWB存在较多低频分量问题。第K个用户CDMA扩频码传输波形为： （4-3）其中，表示传输的单周期脉冲；表示伪随机序列，每个用户PN序列的周期用Nc表示；Tf表示符号周期；Tc表示码片周期。则有Tf=NcTc。因此，用户K典型DS格式的发送信号表示为： （4-4）其中，表示数据符号，表示第k个用户的发送功率。 24.2.2 接收信号处理DS-CDMA UWB 的多址接收机结构与TH/PPM UWB接收机类似，也是基于假设检验理论的相干数据检测，采用相关器进行接收。为了分析方便，假设接收机与发信机1传输的信号已建立同步。接收机框图如图4-2所示：2其中解调输出脉冲相关器积分器比较器码延时模版帧时钟同步链路选择 图 4-2 DS-UWB 多址接收机结构 24.3 PCTH UWB 多址技术伪混沌跳时方式PCTH调制的数据，产生非周期的混沌编码，用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化，PCTH不仅能减少对现有的无线通信系统的影响，而且不易被检测到。在PCTH系统中，在每个帧周期内，指定一个特定的脉冲位置，如图4-3所示。在每个间隔内，只传输一个脉冲，每个脉冲的位置可以是个离散时隙中的任一个，M即移位寄存器的长度。在图4-4中，时隙的长度用表示，如果脉冲发生在一帧的前半部分，则表示0被传输，反之表示“1”被传输。 图 4-3 帧周期以及对应PPM调制的时隙示意图2PCTH接收机包含一个脉冲相关器、脉冲位置解调（PPD）与检测器。在简化情况下，对PPD的输出直接进行门限比较，即可检测出二进制信息比特。24.4 多载波超宽带多址技术4.4.1 几种多址技术比较在超宽带多用户通信系统中，最常见的TH-PPM多址技术和DSCDMA多址技术等，都是建立在扩频码和随机信道的统计特性基础上进行用户分离，把多址干扰看成了一种加性高斯噪声。在采用多用户检测的最佳接收机中，需要知道所有用户的信道状态信息，这给接收机的设计带来了很大的难度。同时，多用户检测器的复杂度也十分可观，采用最小均方误差（MMSE）检测需要矩阵求逆运算，采用最大似然（ML）检测也要指数级的运算量。多址系统中采用的确知用户分离技术已在窄带系统中提出过。最近，此技术已被扩展应用到超宽带系统中。但该算法有两个限制条件：一是假设多用户间保持准同步；二是多径信道的延迟扩展必须限定在指定的范围内。24.4.2 系统模型假设一个包含M个用户的异步通信系统，每个用户的传输符号速率都相同，符号周期为Ts秒。每个用户采用相同的调制方式，以PAM为例，则第m个用户的发送的信号可表示为： （4-5）其中，表示m用户的第n个传输符号，表示m用户的频谱成形脉冲，它与m有关。21. 偏移正交和频率划分理想情况下，如果不同用户间的信号相互正交，并且，经过信道传输后依然保持正交，则可以完全消除多用户干扰的影响。这就需要不同用户间的成形脉冲相互正交，并且经不同时间偏移的信道传输后仍然保持正交，即： （4-6）这里，等效为，我们称公式（4-6）为偏移正交条件。根据偏移正交公式不难看出，如果和的频谱不存在交叠，则该条件得到满足。即当且仅当两个信号的频谱互不重叠时，它们是偏移正交的。以上结论说明，要想使不同用户的信号经过信道传输后依然保持正交，则用户发送信号的频谱必须占用不同的频带，即频谱互不重叠。也就是说，要采用频分方式获得正交信号。22.多载波UWB的多址针对不同用户采用不同的频带，最常用的一种方式是采用频分多址（FDMA）系统，它将频带资源树簇划分后分配给不同的用户。在超宽带系统中，我们希望利用尽可能宽的频谱实现多径分集，因此，在频率划分时，将不同用户的宽带信号进行交错分配（保证不相互重叠）。 的傅里叶变换频谱表示为，其带宽近似为1/。用表示每个用户特定的载波频率，则频谱成形脉冲设计为： （4-7）其中，满足条件，下标C表示“码片”含义，类似于DSCDMA中的概念。单周期脉冲，它限定了系统得频谱宽度。脉冲越窄，系统得频谱越宽。窗函数，决定了用户频谱组成的特征。在实际应用中，希望有效小的频谱旁瓣和快的衰落因子，以减少用户间的干扰。24.4.3 接收机设计由于用户信号经过多径信道传输后仍然保持正交，我们可采用基于相关器（或匹配滤波器）的单用户接收机结构，如图4-4所示。为了对第m用户符号的充分统计量进行检测，将接收信号输入到匹配滤波器，对滤波后的信号进行采用即获得充分的检测信息，不需要知道其他用户的信道状态信息。此接收机中假设第m用户的信道是已知的，因此，采用最佳接收时还需要进行信道估计。由于不同用户间采用的成形脉冲是类似的，所以上述接收机的结构是通用的。2图 4-4 单用户最佳接收机2第5章 UWB技术的标准化进程及其应用5.1 UWB信号的频谱管理5.1.1 规范UWB信号频谱的必要性从无线电的发明和发展过程看，无线通信是从超宽带通信开始的。自1870年，赫兹的放电实验就是UWB实验。1890年，莫尔斯根据这种放电无线装置发明了无线电报。但是早期的无线通信不能充分利用超宽带信号的能量，频率利用率极低。随着窄带通信的出现，各国的无线通信委员会把无线频段分成若干个窄信道，用于不同的无线通信设备，超宽带的无线装置一度被认为是非法的。20世纪90年代以后，为了利用超宽带传输的优点，科学家在评估了超宽带可行性的同时，重点研究了其与其他通信系统得共存性问题。这些问题包括如下方面：（1） UWB系统对其他无线系统的干扰包括对GPS的干扰，对导航系统的安全造成威胁；对利用来自宇宙的微弱电波进行观测的天文台的干扰；对调幅和调频广播的影响；对个人通信系统（PCS，如900/1800MHzGSM）的干扰；对无线局域网（IEEE802.11a、b等）的干扰等。（2） 传统无线系统对UWB的系统的干扰包括分布在其工作频谱上的各种相对窄带的无线系统的干扰。25.1.2 FCC关于UWB信号频谱的规范1998年9月，FCC就发布了对在FCCPART15规范（针对非故意发射体的规范）下应用超宽带产品的可能性进行调查的文件，就超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界的意见并委托相关机构进行评估。美国国家通信与信息委员会（NTIA）等团体对此大约提交了800多份意见书，在美国军方和航空界等发表了众多不同意见的情况下，FCC仍有条件地开放了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用许可，于2000年6月发布了修订PART15规范的建议，以便为UWB的应用铺平道路。在2000年5月11日，FCC发布了一个NPRM，准备修改Part15条例，以便允许UWB技术的应用。在2002年4月，FCC发布First Report and Order，在2002年8月20日，FCC正式修改了Part15，允许UWB以无许可证的方式使用很宽的一段频带。但FCC对可利用的带宽和信号发射功率附加了若干限制。具体而言，对使用UWB时的发送输出功率标准值按3个用途分别作出了规定。这3个用途分别是：（1） 成像系统（Imaging System）：如地质勘探及可穿透障碍物的传感器等，包括地面穿透雷达（GPR）、墙内、穿墙和医用成像、救生系统及监视系统等。（2） 车辆雷达系统（Vehicle Rader System）:如汽车防冲撞传感器等。（3） 通信与测量系统（Communications and Measurement System）: 如家电设备及便捷终端之间的无线数据通信等。2FCC对这些超宽带应用的有效各向同性发射功率（EIRP，Effective Isotropic Radiated Power）和频谱进行了严格规定。为了尽量减少与全球定位系统（GPS）所使用的1.5 GHz频带之间的干扰，与FCC关于同处这一频带辐射噪声的规定值（-41dBm/MHz）相比，FCC将UWB系统输出功率限制到了还要再低34dBm的数值上。对于这一限制，FCC的解释是：“UWB还是一项新技术，现在很多地方还不清楚会发生什么样的问题。因此规定了这样一个非常保守的标准值。FCC将在今后继续探讨UWB的完善技术，随着探讨的深入，经过更充分的测试和研究，有可能有条件地逐步放宽对超宽带设备应用的限制，从而会有更新的应用出现。25.1.3 超宽带与IEEE关于无线接入的标准可以大致分为下列3种。（1） 无线局域网（WLAN）典型的如IEEE 802.11，可以应用于家庭、工厂以及一些热点地区（例如集会场合、图书馆）。（2） 无线城域网（WMAN）典型的如IEEE 802.16 ，这是一种固定无线宽带接入系统，也经常成为“最后一公里”（Last Mile）接入，作为一种家庭用户进入互联网的方式，使有线方式（例如ADSL）的有力竞争方案。（3） 无线个域网（WPAN）IEEE 802.15 是一种无线短距离数据传输标准，支持个人数字终端间高速的数据传输业务。如图5-1 所示为IEEE 802.15工作组的关系图。2 图5-1 IEEE 802.15 的工作组2目前，IEEE关于WPAN的技术标准可分为两个层次：高速WPAN标准IEEE 802.15.1、IEEE 802.15.3和低速WPAN标准IEEE 802.15.4。其中，802.15.1采用蓝牙(Bluetooth)作为物理层传输技术，提供最高1 Mb/s的传输速率和10 m的传输距离，适用于中低速无线连接。802.15.3工作于2.4 GHz免授权频段，采用网格编码调制技术，提供最高55 Mb/s的传输速率，可支持高速视频流、大文件传输等应用。802.15.4采用ZigBee技术作为物理层传输技术，提供的最高传输速率为250 kb/s，通过降低传输速率可将通信距离延伸至30 m或更远。其优势在于价格和功耗，主要应用于遥控、传感器等低端产品。UWB技术凭借其自身的技术特点，在高、低速WPAN应用中都将成为有力的竞争者。45.2 UWB技术的应用UWB 技术已经在许多领域得到广泛应用, 如果能够正确地加以实现该技术,UWB系统可以和传统的无线系统共享频谱资源而不会产生有害干扰。由于超宽带技术是利用每秒数百万次的窄脉冲来传输信息或获取被测物的位置和距离, 因此在雷达跟踪、精确定位和无线通信等方面具有广阔的应用前景。现代微电子技术的迅速发展正使UWB 系统可用较好的性价比来实现。通常认为，短距离无线网络主要是指无线局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)。从网络覆盖半径区分，WLAN覆盖50100 m的范围，WPAN覆盖围绕个人空间10 m左右的地理范围。根据对超宽带(UWB)的容量分析可知：UWB的容量优势主要体现在10 m左右的覆盖区域。 45.2.1 UWB技术在高速无线个域网中的应用高速WPAN的主要目标是解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以实现信息的快速交换、处理、存储等，其应用场合包括办公室、家庭。个人空间内的设备类型非常丰富，大体分为三大类：电脑及其外围设备，包括个人PC、大容量移动硬盘、打印机、扫描仪、显示器、键盘、鼠标等；家用音视频娱乐设备包括DVD、CD播放机、数字电视机、数控音响等；便携式终端，包括笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、手机、摄像机、数码相机、MP3等。这些设备大部分对通信速率和实时性要求很高，当前他们之间主要通过通用串行总线(USB)、1394总线等高速总线进行连接，通信速率高达几十兆比特至几百兆比特每秒。采用UWB技术为这些设备提供高速无线连接将是比较理想的解决方案，配合上层协议灵活地改变网络拓扑，既可以实现点对点连接，也可以实现多个设备互连。下面给出几个应用实例：4(1)家庭多媒体应用随着技术的不断进步，家用电器的范畴不断扩大，家用电器向数字化、智能化、网络化的方向发展，其中音视频娱乐设备最为普及。利用UWB技术为这些设备提供高速无线连接，无需使用电缆即可建立家庭多媒体网络。各种设备在小范围内组成自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关接入英特网。图5-2所示是UWB的典型应用，包括机顶盒、DVD和数码摄像机与数字电视的无线连接，数码照相机与电视机、打印机之间的连接等。4图5-2 UWB技术用于家庭环境4(2)计算机桌面应用在计算机桌面上，汇聚了个人PC/手提电脑及键盘、显示器、扬声器、打印机、扫描仪、鼠标、移动硬盘等一系列外部设备。当前，电脑与各种外设之间通过错综复杂的线路相互连接。如果采用UWB技术将它们以无线的方式连接起来，则将改善线路连接情况。用户甚至没有必要将所有这些设备都放置在同一个桌面或房间内，每种设备可以被自由地移动位置。这类应用一般只需要支持24 m的传输距离，但速率要求可以从几万比特至几百兆比特每秒。(3)多媒体会议应用UWB技术还可应用于会议室等场所。参会人员坐在会议室中，能够利用自己的便携式电脑组建临时性的自组织网络。大家既可以自由地交换各种信息，也可以共享带有图像和音频的演示文档，还可以方便地共享投影仪、打印机等设备，如图5-3所示。4图5-3 UWB技术用于会议室4在IEEE802.15.3a的标准提案中，包括物理层的数据传输建议、信道模型、天线设计、电磁兼容等方面的建议。其中主要的物理层采用时频交织的正交频分复用技术（TFI-OFDM）方案。这种方案具有下面的主要优点：（1） 基于OFDM，频谱效率高，技术成熟 OFDM已经在非对称用户线ADSL、IEEE802.11a/gWLAN无线局域网、欧洲数组音频广播DAB、欧洲地面数字电视广播DVB以及IEEE802.16a/d/2004BWA宽带无线接入等系统得到了广泛使用。（2） OFDM在多径环境下具有良好的稳健性 由于使用循环前缀可以使各子载波的信号之间保持正交，有利于接受机更有效地俘获多径信号的能量。（3） OFDM能够有效地对抗频率选择性干扰可以有效地通过停止使用受到干扰的子载波，或者增加使用相应得纠错编码来恢复信息。IEEE802.15.3a工作组在2002年11月针对无线个域网的物理层建立了技术要求和选择标准，见表5-1。确定了高速数据传输的速率为：10m距离内速率达110Mbit/s，4m距离内速率达200 Mbit/s，2m距离内速率达480 Mbit/s。这些短距离高速传输方式可以支持包括图像和视频在内的多媒体传输。2表5-1 IEEE802.15.3a的技术要求和选择标准 2参数值数据速率110 Mbit/s、200 Mbit/s、和480 Mbit/s距离10m、4m及以下功耗100mW、250mW功率管理模式节电模式、休眠等可并存的微网络4个抗干扰性能对来自IEEE的系统的干扰应当稳健，长1024的分组的传输错误率8%电磁兼容能力对IEEE的系统的干扰应当稳健，干扰的平均功率应该低于非802.15.3a器件的最小能忍受水平的6dB以下成本类似于蓝牙设备位置感知位置信息传输到合适的管理实体灵活性可以适用于不同国家