超宽带 Rake接收机.doc

中文摘要3英文摘要4第一章 绪论61.1 UWB无线通信61.1.1 超宽带技术简介61.1.2 UWB无线通信的发展71.1.3 UWB无线通信的特点81.1.4 UWB无线通信的研究现状111.2 本论文研究的主要内容12第二章 IR-UWB信号调制技术132.1 基本PPM-TH调制技术132.2 基本PAM-TH调制技术162.3 本章小结19第三章 UWB的信道模型203.1 无线衰落信道的传播特性203.1.1 无线信道的大尺度衰落203.1.2 阴影衰落213.1.3无线信道的多径衰落213.1.4无线信道的时变性233.2 常用的UWB信道模型243.3 UWB无线信道特性243.4 UWB无线信道模型253.4.1 无多径AWGN信道253. 4. 2 IEEE802.15.3a信道模型283.5 本章小结29第四章超宽带接收机的基本原理及关键技术304.1 分集技术简介304.1.1 基本概念304.1.2 空间分集314.1.3 频率分集324.1.4 时间分集324.1.5 隐分集与 Rake 接收技术334.3 Rake接收机的基本原理344.4 本文采用的Rake 接收机方案设计354.5 仿真结果40第五章 结论47谢 辞48参考文献49摘要 ：超宽带(Ultra-Wideband, UWB)无线通信的独特优势吸引了来自无线网络、雷达、成像和定位系统等领域的关注，目前国内一些研究单位和大学亦开始对UWB通信进行研究。本论文主要研究脉冲无线电(Impulse Radio, IR) UWB无线通信系统中的Rake接收技术。本论文首先从IR-UWB信号调制技术入手研究了两种基本的调制技术：PPM-TH调制和PAM-TH调制，然后分析UWB的信道模型，着重研究本论文主要用到的IEEE802.15.3a信道模型，并且完成对信道的建模，最后重点研究Rake接收方案。在接受端，参考信号主要受两类加性噪声分量的污染，第一类是接收机天线和接收机电路产生的热噪声。第二类是由于系统中存在多个用户而产生的多用户干扰（MUI）。因此，接收机的设计问题最终归结于找到一种好的、尽可能是最佳的方式从接受信号中提取有用信号。为了有效接收信号，必须采用多径分集技术来提高接收信噪比。通过对基于多经信道下的五个Rake接收机的仿真和性能比较，最后得出选择性Rake接收机可以获得很好的结果。关键词： 超宽带 Rake接收机 多径 分集Abstract： Ultra broadband (Ultra-Wideband, UWB) wireless communications from the unique advantage to attract wireless networks, radar, imaging and positioning systems, and other areas of concern that the current number of research units and universities have begun to UWB communications research. The major research papers pulsating radio (Impulse Radio, IR) wireless systems, UWB Rake reception technology. The papers from the first study IR-UWB signal modulation technology with the top two basic technologies, thus UWB access models, and used to draw the main thesis of IEEE802.15.3a access models. Completion of the corridors modelling, we turned to study Rake reception programme. We know that in the receiving end of the spectrum, plus two of the main reference signal noise pollution weight, the first category is receiver antenna and receiver circuit heat generated noise. The second category is due to a number of users in the system arising from the existence of multi-user interference (MUI). Therefore, receiver design problems can be stated as follows : find a good, as is the best way to extract useful signals from the receiving signals. To be effective signal reception, multi-track sub-sets must use technology to improve reception Signal-to-Noise. Finally we need to draw the Rake receiver design. Keywords： Ultra-Wideband Rake reception the existence of multi-path第一章 绪论 自二十世纪九十年代以来，移动通信和计算机互联网得到了巨大的发展。无线网络作为移动通信技术和计算机互联网结合的产物，将成为人们实现随时随地自由传递信息的主要手段和信息社会赖以生存的必要条件之一。 无线网络的发展经历了两条不同的道路，一条是移动通信系统在无线接入的基础上采用互联网协议而发展成无线网络的道路，如采用全IP为目标的第三代移动通信广域网；另一条是互联网在IP的基础上采用无线接入技术而发展为无线网络的道路，如以IEEE 802.11a/b/g等标准为代表的无线局域网。在发展过程中，移动通信从提供单纯的语音业务逐渐过度到数据业务和多媒体业务，而互联网也从单纯的数据业务逐渐发展到提供语音和多媒体业务。因此，无线网络可以认为是综合了移动通信无线接入和互联网网络协议两方面优势的传输多媒体业务的信息传输网络。 相对于有限网络，无线网络最大的优点是可移动性，而付出的代价则是需要面对恶劣的无线信道环境和有限的频谱资源，因此，也面对更多、更大的挑战。在恶劣的无线通信环境中，随着人们对信息传输容量和质量需求的日益增长，如何利用有限的频谱资源传递更多的信息，即无线网络的频谱效率成为无线网络设计的核心问题之一。1.1 UWB无线通信1.1.1 超宽带技术简介 传统超宽带（UWB）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正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。一般认为10dB 相对带宽超过25，或10dB 绝对带宽超过1.5GHz就称为超宽带，后来美国联邦通信委员会（FCC）又将此带宽值修改为500 MHz。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Shannon公式可知，在信道容量一定的情况下，带宽与信噪比可以互补，UWB的带宽非常宽，目前FCC 开放的频段是3.110.6 GHz，故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于FCC 规定的电磁兼容背景噪声电平（41.3dBm/MHz），所以短距离 UWB无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，UWB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。1.1.2 UWB无线通信的发展 UWB(Ultra-Wideband)的历史可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB无线技术出现于二十世纪60年代，又称脉冲无线电（InpulseRadio)技术。当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。UWB技术在70年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统中，包括探地雷达系统。到80年代后期，该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989年首次使用了“超带宽”这一术语。为了研究 UWB在民用领域使用的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)对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意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC仍开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可，这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。 在 UWB技术的竞争发展过程中出现了两个提议，第一个提议为多频带OFDM联盟MBOA (MultiBand OFDM Alliance, MBOA)提出的，最大的优点在于可以简化无线电的结构并可以使用现有的 CMOS技术。第二个提议被称作直接排序 (Direct Sequencing, DS) UWB，是基于Motorola公司购买的Xtreme Spectrum公司的技术。DS-UWB使得多个 UWB设备互相连接更为容易，支持者认为比起 MBOA的提议，这种方式将会对现有的许可频带内的用户造成更少的干扰。但是IEEE在UWB标准方面仍然没有达成一致，标准之争仍在继续。1.1.3 UWB无线通信的特点 UWB通信与传统通信技术不同，是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒甚至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。 从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽 (信号带宽与中心频率之比)小于1%，相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。 从时域上讲，UWB系统也有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用时域脉冲 (纳秒级)直接实现调制。超宽带系统把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。 因为依靠极短基带脉冲传输信息，无需正弦载波，因此UWB通信系统没有中频处理过程，具有传统通信系统无法比拟的技术特点： 1) 系统结构的实现比较简单 当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。 2) 高速的数据传输 民用商品中，一般要求 UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。 3) 功耗低 UWB 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 0. 2ns1.5ns 之间，有很低的占空比，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的 UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的 1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的 1/ 20 左右。军用的 UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 4) 安全性高 作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于 UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 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一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 5) 多径分辨能力强 由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，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交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1030dB的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。 6) 定位精确： 冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而 GPS定位系统只能工作在 GPS 定位卫星的可视范围之内；与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 7) 工程简单造价便宜 在工程实现上，UWB 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，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。1.1.4 UWB无线通信的研究现状UWB是一种在雷达和遥感中被广泛应用的传输技术，近来作为通信应用在业界受到了巨大的关注。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、公共场合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。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。对于未来的理想无线通信系统，需要解决五个方面的需求，即大数据量、高数据数率、远通信距离、更快的通信速度、更大的网络用户数。然而对于实际的通信系统，是不可能同时实现以上五个方面的要求的，只能进行折中。最初的通信力求延长通信距离，而现在无线通信的发展趋势则是以牺牲通信距离为代价，最大限度地改善其他四个方面的性能，通过网络覆盖来达到通信距离的要求。超宽带技术以其诱人的优良特性，成为近年来无线通信领域的研究热点。本设计主要通过分析超宽带无线电的基本原理、调制、频谱特性和信道模型，着重研究不同调制方式下的超宽带接受技术。IR-UWB发射信号是由理想的、时间上互不重叠的脉冲串组成的。每个脉冲都被限定在某个具体的时间间隔之内并且脉冲本身的持续时间是有限的。在理想情况下，发射信号中完全没有ISI干扰，但是经过实际信道传输之后，情况就并不如此了。在实际信道中，由于多径的存在，脉冲可能会经历各种不同的时延，经过时延之后的脉冲可能引起ISI。而且，在多用户的情况下，来源于其他传输链路的脉冲可能与参考传输链路的脉冲产生碰撞，从而产生称为多用户干扰（MUI）的干扰噪声。1.2 本论文研究的主要内容在接受端，参考信号主要受两类加性噪声分量的污染，第一类是接收机天线和接收机电路产生的热噪声。第二类是由于系统中存在多个用户而产生的多用户干扰（MUI）。因此，接受机的设计问题可以陈述如下：找到一种好的、尽可能是最佳的方式从接收信号中提取有用信号。解决这种一般性的问题是一项很复杂的任务，得到的接收机结构也是很复杂的，同时解决这样的问题需要也需要对噪声分量进行很好的建模。热噪声通常可以用白高斯随机过程来很好的表示。 IR-UWB最佳接收机方案可以直接由传统统计接收理论推导出来。对于信道建模和多径衰弱分析。尽管在连续传输系统中，多径会引起接受信号包络的波动从而引起系统性能的严重下降，但是在IR-UWB情况下，由于多径表现为单个发射脉冲经时延和衰减之后的一脉冲序列，最终他们在接收端可以成功分离。通过合并多个脉冲，判决过程中使用的能量增加了，因此，在IR-UWB中，多径的存在提高了系统的性能。本文采用matlab程序设计语言进行仿真实验。建立UWB信道模型，分析Rake接收机的性能。通过对此课题的研究，提高自己独立思考的能力，激发自己的创新潜能和综合运用所学知识的能力。第二章 IR-UWB信号调制技术发射超宽带（UWB）信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”（Impulse Radio,简写为IR）。信号数据符号对脉冲进行调制，其调制方式可以有多种。脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）是最常用的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生的信号的频谱，还要用伪随机码或伪随机噪声（PN）对数据符号进行编码。一般是，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是所谓的跳时超宽带（TH-UWB，Time-Hopping UWB）。最近在美国，尤其是在IEEE 802.15.TG3a工作组的一些最新提案中，提到的多频带（MB）是除了DS-UWB外的另一种可供选择的UWB方式R，在这种方式中，整个有效带宽被分为500MHz的若干个子带。跳频扩谱可能也是一种有效的途径。这种方式现在之所以没有流行，是因为很难测量所有时刻上的带宽，也就是说不能停止频率扫描，因此就难以确认是否满足最小带宽要求。本章主要阐述了产生IR-UWB信号的两种常用的方法，强调了数据符号的编码方式跳变时间工作方式。2.1 基本PPM-TH调制技术TH-UWB是指由实现多址的PN码来决定脉冲的发射时刻，属于伪随机跳时多址方式。数据调制则可采用PAM或PPM。跳变时间工作方式，简称跳时（TH）方式。与跳频相似，跳时（TH，Time Hopping）是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号就由扩频序列去进行控制。可以把跳时理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了窄得很多的时片去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。跳时也可以看成是一种时分系统，所不同的地方在于它不是在一帧中所分的时片数。受到广泛关注的跳时脉冲位置调制是最典型的超宽带无线通信的调制方式，其信号波形如下： （2-1） 式中：上标 代表多用户系统中第个用户；为无调制情况下的脉冲重复周期（或时间帧）；是持续时间为的窄脉冲，；为第个用户伪随机跳时序列的第个码元，跳时序列周期为；是由跳时码控制的单位发射脉冲时延；表示由要传送的二进制符号控制的发射脉冲时延（有时称为时间调制指数），“”表示取整数运算，每个脉冲波形传送一个二进制符号，设为单脉冲的能量，则每比特的信号能量为；的绝对值表示了第个用户所发射的脉冲串中第个脉冲的起点时刻。脉冲带宽，每个信息比特的持续时间为，信息速率为。通常，选择，但若太小，在多址系统中不同用户可能产生冲突，若选取较大的和性能好的跳时序列，多址干扰可等效为高斯随机过程。跳时序列周期越长调制信号功率谱的平滑程度越好，抗检测性能越好；跳时序列的自相关性越好，不同用户跳时序列之间的互相关性越小，系统性能越好和在同一数量级，为了提高系统性能，应调整使与相关性最小。为保证多址通信系统性能，采用的窄脉冲应满足： （2-2）常用的脉冲有高斯脉冲及其微分后的脉冲波形。这里，假设发射信号为高斯脉冲，接收脉冲为其一阶微分。 TH-PPM是用个单周期脉冲波形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。根据以上分析，我们就可以仿真PPM-TH-UWB信号波形，参数设置如下：Stx：Pow30，fc50e9，numbits2，Ts3e9，Ns5，Tc1e9，Nh5，Tm0.5e9，tau0.25e9，dPPM0.5e9。图2.1 PPM-TH-UWB发射机产生的信号图2.2 PPM-TH-UWB信号的功率谱密度2.2 基本PAM-TH调制技术TH-PAM调制也是超宽带无线通信的一种典型调制方式，信号波形为： （2-3）式中：对于二进制系统，。其他有关符号的说明同TH-PPM调制方法，在这里不一一叙述。TH-PAM与TH-PPM的主要差别在于，前者用信息符号控制脉冲幅度，后者用信息符号控制发射信号的时延。重复编码器发送编码器脉冲形成器PAM调制器图2.3 产生PAM-TH-UWB信号的流程图 （2-4） 式（2-4）是一个含基本多脉冲的PAM波形，其中的傅氏变换由式（2-5）给出。对于这种波形，其功率谱密度可以很容易地推导出来。（五号字） （2-5）根据以上分析，我们就可以仿真PAM-TH-UWB信号波形，参数设置如下：Pow30；fc50e9；numbits3；Ts5e9；Ns5；Tc1e9；Nh5；Np5；Tm0.5e9；tau0.259；G1。图2.4 经PAM调制后的跳时超宽带信号图2.5 PAM-TH-UWB信号的功率谱密度2.3 本章小结本章主要针对IR-UWB，特别是TH-UWB和DS-UWB。因为TH-UWB和DS-UWB可以采用PPM和PAM之一进行数据调制（而目前典型的超宽带无限通信方式仍以TH-PPM和TH-PAM为主），所以本章主要研究了TH-PPM和TH-PAM两种基本的调制技术。并分析了他们发射机产生的信号和他们的信号功率谱密度波形，从而为我们后续的研究做好铺垫。第三章 UWB的信道模型UWB技术主要应用于室内短距离 (10米范围以内)的无线通信，决定了UWB的信道环境不同于一般的衰落信道。本论文主要对UWB的接收技术进行研究，接收机的性能与信道的传播特性密切相关，因此，本章将重点介绍UWB无线信道的特性，以及相应的UWB信道模型。3.1 无线衰落信道的传播特性与有线信道相比，无线信道的信号传输环境要复杂得多，其传输过程受到发送机和接收机间的地形、空气温湿度、移动物体等可变因素的影响，呈现许多不稳定的传输损耗。信号在无线信道中会遭受严重的衰落，具体可分为以下三种： 1) 自由空间的传播损耗，主要与传播距离相关，被称为大尺度衰落。 2)阴影衰落:主要是由于传播环境的地形起伏、建筑等障碍物对电波的阻塞或遮蔽作用引起的。 3)多径衰落:由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、折射等情况，使得实际到达接收机的信号为发射信号经过多个传播路径之后各分量叠加。不同路径分量的时延、幅度、相位各不相同，使得接收的叠加信号产生严重的失真。此外，由于移动台的运动，会产生多普勒频移，使得无线信道呈现时变性，移动台的运动速度越高，多普勒频移对接收信号的影响就越严重。3.1.1 无线信道的大尺度衰落无线电波在自由空间内传播，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，产生大尺度衰落。大尺度路径损耗的模型可以表示为： （3-1） 其中，为发射信号功率，为接收信号功率，为发射机与接收机之间的距离，路径损耗指数 (一般值为24), 为常数。 大尺度衰落使得无线信号的传播范围受到限制，通过合理的天线布局及蜂窝小区的划分可以消除其不利影响。因此，对于无线通信系统，大尺度衰落的影响一般不需要单独考虑。3.1.2 阴影衰落无线电波在空间传播受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起衰落，称作阴影衰落。与多径衰落相比，阴影衰落是一种宏观衰落，是以较大的空间尺度来衡量的，其衰落特性符合对数正态分布。其中接收信号的局部场强中值变化的幅度取决于信号频率和障碍物状况。频率较高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比高频信号具有更强的绕射能力。3.1.3无线信道的多径衰落无线信道的主要特征是多径传播，即接收机接收到的信号是发射信号经过不同的直射、反射、折射等路径后的叠加。同相叠加会使信号幅度增强，反相叠加会削弱信号幅度。这样，接收信号的幅度受多径传播的影响而发生急剧变化，产生衰落。图3.1 多径信道时间功率多径使得信道具有时间弥散性，如图3.1所示，其中为信道的最大时延扩展。表3.1列出了不同环境下的信道时延扩展。环境最大时延扩展最大到达路径差室内 室外表3.1 不同环境下的信道时延扩展从时域来看，时延扩展使接收信号中一个符号的波形扩展到其它符号当中，造成了符号间干扰 (ISI)。为了避免产生ISI，应该令发送信号的符号周期大于信道的最大时延扩展。 从频域来看，多径将导致频率选择性衰落，即信道对信号不同频率分量的衰落不一致，使信号波形发生畸变。在频域内，通常使用相关带宽这个概念来反映不同频率分量所经历的衰落的相互关系。在实际应用中，相干带宽可以用最大时延扩展的倒数来定义，即： （3-2） 当信号带宽大于相干带宽时，信号通过无线信道后各频率分量的衰落是不一致的，引起波形失真，造成ISI，产生了频率选择性衰落；反之，当信号带宽小于相干带宽时，可以认为信号通过无线信道后各频率分量经历相同的衰落，衰落波形不会失真，没有ISI，信号只经历了平坦衰落，即非频率选择性衰落。3.1.4无线信道的时变性当移动台在运动中进行通信时，接收信号的频率后发生变化，移动台向着靠近接收机方向运动，信号频率会变大，反之，信号频率减小，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应引起的频率偏移称为多普勒频偏，可以用下式表示： （3-3）其中，表示载波频率，表示光速，表示移动台运动速度，表示最大多普勒频移。可以看到，多普勒频移与载波频率和移动台运动速度成正比。无线信道的时变性在移动通信中的主要体现就是多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落信道之后会呈现为具有一定带宽和频率包络的信号，这又可称为信道的频率弥散性。从时域来看，与多普勒频移相关的概念称为相干时间，即： （3-4）相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。如果发送信号的符号宽度大于信道的相干时间，信号波形会发生畸变，产生时间选择性衰落，也称为快衰落；反之，如果发送信号的符号宽带小于相干时间，则认为信号经历的是非时间选择性衰落，即慢衰落。3.2 常用的UWB信道模型为UWB系统建立一个信道模型的目的不是提供一个为UWB设备工作的各种环境下适用的通用模型，而是提供一系列可用于评估不同实际信道下所提出的UWB物理层性能的工具，为测试与比较为信道提出的不同物理层方案，需要一信道模型，IEEE802.15己经征集路径损耗、衰落和干扰的不同提案。 对于UWB信道的建模问题，已有许多人进行研究并已发表了不少论文，提出了各种信道模型。如 Win-Cassioli模型、Ghassemzadeh-Greenstein模型、Pendergrass-Beeler模型、Ultrawaves室内路径损耗模型、S-V模型、-K模型以及Intel提出的信道模型等，但是，由于测量带宽的原因，其中的很多模型并能不能很好的表征UWB信道。甚至文献中提出的Win-Cassioli模型是基于对10ns的脉冲在1.5GHz带宽的的信道测量之上的。其中，Intel提出的信道模型作为UWB信道模型工作小组的总结和提交给IEEE802.15.3a规范的最终建议由于很好地表征了UWB信道的特性而在其后的很多文献中得到了广泛采用。3.3 UWB无线信道特性UWB技术主要应用于室内环境的短距离通信，这种通信环境决定了UWB信道不同于一般的无线衰落信道。首先，UWB信道是密集多径信道。接收波形的时延扩展较大，例如，在比较极端的情况下，一个脉冲宽度为2ns的信号通过UWB信道后接收波形可持续220ns。反映到频域上，则可以看到由于信号分量横跨了吉赫兹的频率范围，频率选择性衰落特征极为明显。其次，由于强烈的散射效应，UWB信道上的多径分量呈现出成组到达的特性。最后，UWB主要应用于室内的短距离通信，移动通信的情况很少出现，因此UWB信道通常可以认为是慢衰落信道。3.4 UWB无线信道模型3.4.1 无多径AWGN信道现在深入分析一下AWGN信道对IR信号的影响。假定接受机的有用信号为，它受到加性噪声的污染，那么接受到的信号可表示为： （3-5）其中通常是热噪声，一般假定其为随机高斯过程的一个实现，双边PSD为；为发射信号经时延和衰弱之后的信号,即： （3-6）式（3-7）中的信道增益及信道时延都取决于发射机和接受机之间的传播距离D。就来说，可以认为： （3-7）其中为功率衰减的指数，也就是路径损耗；是参考距离=1时获得参考增益的一个常数。在自由空间中，；在通常的非视线（NLOS）传播中，。注意，对于存在视线（LOS）的短距离多径信道，可能小于2。对于，必须注意在是有，从而： （3-8）时延可以写为： （3-9）其中，为真空中的光速。假定接受机和发射机完全同步，即接受机知道的值。在本节中始终假定该假设成立。众所周知,AWGN信道的最佳接受机由两部分组成：相关器和检测器。相关器的作用是将式（3-1）所示的接受信号变为一组判决变量，检测器的作用是根据观测值决定发送的是哪一个波形。假定发射机假定发射机以数字形式发送信息，使用了M个不同的波形在时间间隔（称为符号间隔）内，发送其中的一个波形，波形属于由个标准正交基函数构成的集合，因此可以写为： （3-10）其中： 。根据式（3-10），时间内的能量为：， （3-11）将式（3-10）代入式（3-5）和式（3-6），在时间内，与发射信号对应的接受信号可重写为： （3-12）对式（3-12）的相关接受机由个相关器组成，从而可以产生个判决变量： ， （3-13）其中： 检测根据集合估计发送的是哪个波形。可以证明，式（3-13）中的噪声分量是互不相关的高斯变量，且均值是0，方差为： (3-14)式（3-12）信号的最佳检测采用最大似然（ML）准则；它从个可能的发射波形中选择使条件概率最大的那个波形作为输出。这就是说，用一组与集合最为接近的系数来表征选择的波形，通过使用最大似然准则，下面的函数得到了最小化： = (3-15)式（3-15）表明，使条件概率最大的那个波形正是使相关度量（correlation metric）最大的那个波形： = （3-16）因此，最佳检测器选择输出的，应使达到最大。从式（3-16）也可以看出，最佳接收机工作过程如下：（1） 接收波形分别与个可能发射波形进行相互关，得到个互相关值；（2） 从每个互相关值中减去，得到个相关器的输出值；（3） 选择个输出值中最大的那个作为输出。（删掉）3. 4. 2 IEEE802.15.3a信道模型在本论文中，主要用到的信道模型是IEEE802.15.3a信道，前面己经分析了UWB无线信道特有的传播特性，在本节中，将针对这些特性介绍UWB所采用的信道模型。对于多径信道，通常用Rayleigh分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，但前提是每个分量可以视为多个(大于10个)同时到达的路径合成。然而，UWB可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，每个多径分量包含的路径数可能只有23条，显然不符合Rayleigh分布的假定。目前， UWB信道的建模最常采用的是时域下的离散延迟线模型，即： （3-17）其中，表示最大可分离的多径数， 、分别代表第条路径的延迟和幅度衰落系数。 根据对测量数据的分析，研究人员得出以下统计特性： 1)室内信道的均方根 （RMS） 时延扩展为 2030ns，无视距分量情况下会更高。 2)最大时延扩展小于250ns，多径强度谱满足指数衰减特性。3)幅度衰落系数满足对数正态分布（标准差为35dB）。研究表明，随着测试脉冲宽带的增加（在3ns左右），多径分辨率随之降低，的分布将从对数正态分布逐步演变为Nakagami分布。 4)多径到达时间满足泊松分布，具有多径分量成组到达的特性。上述统计特性与S-V (Saleh- Valenzuela)室内信道模型的统计特性非常相似，除了满足对数正态分布，而S-V信道模型中满足Rayleigh分布。 针对典型的室内信道CM1-CM4, IEEE802.15.3a根据实测数据给出了相应的信道模型参数，如表3.2所示：StatModelCM1(04m LOS)CM2(04m NLOS)CM3(04m NLOS)CM4(Reeally Bad)Mean excess delay(ns)5.27379.818815.70522.198 RMS delay(ns)5.56918.294614.79219.835NP(85% Energy)24.71034.98062.46099.86表3.2 IEEE802.15.3a信道模型参数信道的频率范围为28GHz，采样间隔为0.167ns3.5 本章小结本章主要介绍了UWB的信道模型，分析了信道的传播特性，以及常用的UWB信道模型和信道特性以此衍生出本论文的主要研究对象AWGN信道和IEEE802.15.3a信道模型，其中又以IEEE802.15.3a信道模型最为主要。因为本论文所采用的信道模型仿真就是用了IEEE802.15.3a这个信道模型。研究IEEE802.15.3a信道模型对我们下面的实验有很重要的帮助作用。第四章超宽带接收机的基本原理及关键技术在这一章，我们主要介绍IR-UWB通信中的Rake接收技术。超宽带系统是功率受限的无线通信系统。为了有效接收信号，必采用多径分集技术来提高接收信噪比。首先，我们先研究TH-PP和TH-PAM的多径性能，带出分集技术，最后介绍Rake接收的基本原理和设计方案，最终给出实验结果。4.1 分集技术简介4.1.1 基本概念分集技术是一项主要的抗衰落技术，它可以显著地提高多径衰落信道下无线通信系统的可靠性。在移动通信中，特别是数字式移动通信和第三代移动通信中，分集技术有了广泛的应用：在移动通信的上行链路中，基站广泛采用二重空间分集接收，在 IS-95 的 CDMA 小区软切换中也利用 Rake 进行二重空间接收，在第三代移动通信系统中不论是WCDMA还是CDMA2000都采用发端分集技术。分集接收技术是指接收端对它接收到的多个衰落特性互相独立（携带同一个信息数据流）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。分集的含义有两点：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息数据流的衰落信号：二是集中合并处理，接收机把收到的多个独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。“分”与“集”是一对矛盾。从一开始研究如何将客观的多径衰落信道分散的信号能量有效的收集起来的措施，到今天如何主动的利用信号设计技术，能将信号能量主动地“分散开”并更为有效的收集起来，这些都是分集技术所要研究的内容。为了在接收端得到几乎互相独立的不同路径，可以通过空域、频域和时域的不同角度、不同的方法与措施来加以实现。其中最基本的有以下几种：空间分集、频率分集、时间分集。4.1.2 空间分集空间分集，也被称为天线分集，是无线通信中使用最多的一种分集形式。空间分集的基本结构为：发射端一副天线发送，接收端 N 部天线接收。如图 4.1所示。 图4.1 空间分集示意图接收天线之间距离为，根据测试结果，通常当天线间的距离大于半个波长时，从不同天线上受到的信号包络基本上是不相关的。通常分集天线数越大，分集效果愈好，但是不分集与分集差异较大，属于质变。分集增益正比于分集的数量，其改善是有限的，属于量变，且改善程度随分集数量的增加而逐步减小。在工程上，要在性能与复杂度之间作一折衷。一般取N = 2 4。空间分集还有两类变化形式：1) 极化分集：它利用在同一地点两个极化方向相互正交的天线发出的信号，可呈现出不相关的衰落特性进行分集接收，即在发送端天线上安装水平与垂直极化天线，就可以把得到的两路衰落特性不相关的信号进行集化分集。2) 角度分集：由于地形、地貌和建筑物等接收环境的不同，到达接收端的不同路径信号可能来自不同的方向，这样在接收端可采用方向性天线，分别指向不同的到达方向。而每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。4.1.3 频率分集频率分集的方式是在多于一个的载频上传送信号。这项技术的工作原理是基于在信道相干带宽之外的频率上出现的衰落是互不相关的，也就是说，在理论上，不相关信道产生相同衰落的概率是各自产生衰落概率的乘积。因此，频率分集要求载波之间的间距足够大，载波间隔大于信道的相干带宽。频率分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线与相应设备的数目，缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端可能需要采用多部发射机。4.1.4 时间分集对于一个随机衰落的信号，当取样时间间隔足够大时，两个取样点间的衰落是互不相关的，利用这一特性可以构成时间分集。将待发送的信号每隔一定时间间隔（大于时间相关区域）重复发送，在接收端可以得到条独立的分集支路。在时域上时间间隔应大于时域相关区间，即： （4-1）其中为多普勒频移的扩展区间。它与移动台的运动速度成正比。可见时间分集对处于静止状态的移动台是无用的。时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。4.1.5 隐分集与 Rake 接收技术 上面讨论的空间分集、频率分集、极化分集等均属于显分集，它们明显地采用多套设备在不同空间、不同频率、不问极化方向对信号进行接收合并，故称为显分集。 随着科学技术的发展，分集的实现方法也在不断更新。其中最有前途的一种是利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中，称之为隐分集。其中在移动通信中，最典型的是多径分集的Rake 接收技术以及信道交织与抗衰落纠错编码等。在此，本文仅介绍多径分集的Rake 接收技术。 在移动通信中，由于建筑物和地形地貌的影响，电波传播必然会出现不同路径和时延，使接收信号产生起伏和衰落，接收信号的短时起伏是由多径传播引起的，亦称为小范围的衰落。多径信号不同的传播路径长度产生不同的传播时延。按照多径信号到达接收机相位的不同，它们可能相加，也可能相互抵消。Rake接收技术利用扩频码良好的自相关和互相关性或是脉冲信号极高的占空比分离多径，并将各径之间的相位校准，使多径信号由原来的矢量相加变为代数相加，如图 4.2所示，实现多径能量的合并。图4.2 Rake 接收机多径合并原理图4.3 Rake接收机的基本原理超宽带通信采用很宽的带宽传输信息，这必然会带来严重的频率选择性衰落，在时域上则表示为密集的多径现象。根据Intel公司的测试，超宽带室内信道的多径至少在20条以上，并且各径之间幅度比较平均，因此，超宽带接收机必须尽可能多的收集到分散在各条多径上的发射功率。Rake 接收技术是CDMA系统中一种重要的抗衰落技术，它的理论基础是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可以看作是互不相关的。因此，Rake 接收机将多径信号看作是发射信号的一种时间分集，对各条多径分别解调后合并获得分集增益，这样就将本来使干扰信号的多径信号变成了可以利用的有用信号，可以想象，当一条无线传播路径中的信