tx096超宽带通信中典型调制、多址技术性能比较

目 录第一章 超宽带通信系统简介11.1、UWB的发展11.2、UWB的定义21.3、UWB信号21.4、UWB无线通信的基本原理31.5、UWB的特点51.6、UWB的应用6第二章 超宽带通信系统组成72.1、 超宽带通信系统的基本调制技术72.2、全双工UWB通信系统72.3、全双工UWB通信系统规范实现92.3.1 发射机92.3.2 接收机102.4、超宽带通信系统中的现存问题11第三章 超宽带通信系统的调制方式与多址接入133.1、超宽带通信系统的调制方式133.1.1、脉幅调制PAM133.1.2、跳时脉位调制THPPM133.1.3、跳时BPSK调制THBPSK143.1.4、直扩BPSK调制：DSBPSK153.2、超宽带通信系统的多址接入原理153.3、超宽带通信系统多址接入的方式153.3.1、直接序列扩频方式163.3.2、跳变频率扩频方式163.3.3、跳变时间扩频方式173.3.4、正交多项式173.4 多址干扰的抑制19第四章 超宽带通信系统的典型调制、多址方案分析214.1、 跳时超宽带通信系统(TH-PPM)的性能分析214.2、 直扩通信系统(DS-PSK)的性能分析254.3、误码率的仿真分析274.3.1 采用TH-PPM时的误码分析274.3.2 采用DS-PSK时的误码分析284.3.3 采用TH-PPM与采用DS-PSK的超宽带通信系统的性能比较31结束语34致谢35参考文献36附录37附录1 误差函数37附录2 误码率的Matlab仿真398第一章 超宽带通信系统简介由于数据业务的推动，短距离无线系统呈现出巨大的发展潜力，特别是近年来在短距离通信中提出了个人局域网(Personal Area Network，PAN) 的概念， 更使该领域的应用技术成为通信界关注的焦点。 PAN 的核心思想是用无线电波或红外线传输数据的方式取代传统的有线电缆模式，组建个人化的信息传输网络。目前实现PAN 的主要技术有：蓝牙(Bluetooth)、IrDA( Infrated Data Association)、Home RF 以及超宽带(Ultra-WideBand， UWB) 等4 种，其中具有高性能、低功耗和低成本无线数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术之一。UWB通信技术在上世纪60年代已被提出。1964年，Ross在博士论文中采用微波电路(包括宽带天线结构) 证实了发射与接收脉冲信号的可能性。1993年，美国南加州大学通信科学研究所的R A Scholtz 在国际军事通信会议(MILCOM93) 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UWB脉冲作为无线电通信信息载体的新途径。此后，美国、日本等许多研究机构、大学已相继投入对这一未来无线电技术的研究。在过去的很长时间，UWB技术一直应用于军事领域。由于UWB通信是速率高于IEEE 802.11a、IEEE802.11b和蓝牙的超高数据速率的无线连接，被认为是“有望取代蓝牙及无线LAN的无线通信技术”，所以民用化的呼声很高。在2002年2月24日，美国联邦通信委员会(FCC)批准了超宽带无线技术的民用许可，目前，国内外许多研究小组正在致力于UWB通信的民用化研究。1.1、UWB的发展UWB技术的最初发展要追溯到上个世纪50年代末,当时林肯实验室(Lincoln Laboratory)和斯佩里研究中心(Sperry Research Center)正在开发相控阵雷达系统,试验中使用了所谓的巴特勒混合相位矩阵(Butler Hybrid Phasing Matrix)。在了解天线网络的宽带特性时,参考了1/4波长横向电磁模式(TEM)的4端口互联特性,惊奇地发现该模式下各支路之间并无耦合存在。这一发现激起了极大的研究兴趣,接下来着手分析微波端口,即所谓的双共轭网络特性。与此同时,Schmidt和PWPKing也正在测量偶极子和共振环散射单元的脉冲响应,实验结果也说明了远场和驱动端口的响应近似于等间距的脉冲。这些发现和Hallan的研究有极大的相关性,Hallan曾发现,用扫频源测量此类散射单元时其频域幅度谱具有周期性。显而易见,这些微波网络时域和频域响应的一致性证明了测量结果是正确的。在HP的Dr. Barney Oliver的帮助下,该测量才得以完成。Dr. J .Lamar Allen将线性相反微波网络和天线的分析扩展到了铁氧体设备的研究,而后来的Dr .Harry Croson又将其推广到时域计量学。Rome Labs的AF、USArmy、Huntsville都非常支持该项工作。Drs. David Lamensdorf和Leon Suman几乎同时用时域技术分析天线。当具有脉冲特征和阶跃函数的脉冲源与天线刚刚被研制出来,Drs. C.Leonard Bennett和Joseph D .Delorenzo就开始直接在时域研究目标的脉冲响应。Dr. Delorenzo提出了时域散射距离的概念,这已成为分析目标散射特性和天线的有利工具。俄亥俄州立大学的研究者利用离散频率合成其幅度和相位,在计算机上也做了大量的工作。实际系统研制最后的障碍就是门限接收机的设计。70年代初期,用雪崩击穿式晶体管和隧道二极管检测短持续时间的信号(例如,100ps)。Dr .a. Murray Nicolson隧道二极管恒虚警接收机成功地解决了这一问题。此类的接收机至今还在使用。1970-1980年间,GeraldRoss与Dr. Nicolson结合利用窄带脉冲技术与FFT方法开发了测量微波吸收材料隐身特性的固定装置。1978年研究方向转移到信号的通信,几百英尺内的语音信号无需同步就可以清晰的传输。19841994年间,通信领域相当大的一部分工作由Dr .Orbert J .Fontana-MSSI现任主席负责,而ANRO则致力于UWB系统的反恐怖军事应用。从1960年到1999年,已有200多篇UWB论文在IEEE上发表,获得100多项专利。今天有越来越多的研究者投入到UWB领域,商界对此也抱有浓厚的兴趣,在军事需求和商业市场的推动下,UWB技术将进一步地发展成熟起来。1.2、UWB的定义超宽带无线电(ultra-wideband radio)是指具有很高带宽比(射频带宽与中心频率之比) 的无线电技术。由于通常采用超短脉冲(或冲激脉冲)产生超宽带信号，带宽比高于100 % , 因而又称为冲激无线电。众所周知，一般的通信技术是把欲传输的信息信号从基带调制到载波上, 所谓的宽带通信是指具有大的传输带宽或调制带宽和高的数据信息传输率。而UWB是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术是一项革命性的无线通信技术，它利用持续时间较短的电磁脉冲在较宽的频谱范围内低信噪比地传输数字数据信息，具有较高的频谱利用率，并解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题, 同时开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量(以每平方米每Hz位数衡量)的新无线信道。1.3、UWB信号 图 典型高斯单周期脉冲的时域和频域波形超宽带信号通常定义为: 信号的分数带宽(Fractional Band-Widths，FBW)大于0.25，即信号带宽高于中心频率的25。对于无载波的超宽带信号，分数带宽定义为: （1.1）式中，和由能量带宽()给出，是一频率范围，在这个频率范围内，信号能量占信号频谱总能量的90 %或95 % ，该频率范围的上限频率用表示，下限频率用表示。另一种UWB信号的分数带宽的定义为： （1.2）式中，为绝对带宽，为发射信号的载波或中心频率。图显示了广泛应用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域波形。单周期的高斯脉冲时域和频域数学描述为： （1.3） （1.4）此处是一个时间延迟长度，此处等于脉冲的持续时间(图中取0.510- 9 秒,即0.5ns) 。由图1.1可见，典型的高斯脉冲的带宽已经大于2GHz。在实际的通信中，通常会发送连续脉冲来传输信息, 当然有规则周期性的脉冲并不携带任何信息，相应地由于时域中信号的周期性，反而会使造成频谱的离散化, 使频谱中产生强烈的能量尖峰，这样会对传统的无线电设备和信号造成干扰。在UWB脉冲发送时，比较适合用于调制的参量是脉冲的位置，即采用脉冲位置调制(Pulse Position Modulation , PPM) 。1.4、UWB无线通信的基本原理图 UWB的PPM跳时模式图典型的脉冲位置调制(PPM)的跳时方式为： （1.5）式中发射脉冲波形，以发射机时钟为起始点；上标k 彼此独立的发射机的数量；脉冲重复时间，因此时间间隔为的脉冲串。为了避免因多址接入而产生的脉冲碰撞，每个用户使用一个特定的时跳模式，此时跳模式 为相互正交的伪随机序列或称为时跳码；可设定的延时时间。而时跳码是周期性的且周期为，则时跳码有如下特性 （1.6）假设为整数且 和，则表示在时间内允许进行时跳的时间比例。当的值小于1但接近于1时，碰撞发生的概率极小。由于时跳码的周期为，则周期为时，跳时码进一步平滑了功率谱密度。为第k个发射机发射的二进制符号信息。通常情况下系统采用过采样调制，即符号为0时，被调制的单脉冲没有附加时移，当符号为1时，被调制脉冲有的附加时移。数据调制同样平滑了随机时跳码调制后的功率谱密度。在时域无线通信系统中如有个用户，则接收到的信号可表示为 （1.7a）式中第k个用户信号经过信道传输至接收机的传输损耗：第k个用户信号经过传输路径后的时延：高斯白噪声。对于第k个用户来说，接收机接收到的信号可表示为 （1.7b）当系统完全同步时，接收机以时间间隔检测到序列，此序列包含有代表数据的信息，此时第k个接收机的检测问题是一个标准假设检验问题。当 （1.8）时，判决。这里为单脉冲的接收模板信号，且 （1.9）为比特周期相关器所采用的接收模板信号。接收机的原理图如图1.3 所示。需要指出的是，当系统不止一个信源时，接收所需信号的接收机模型不能简单的用(1.9) 式来表示，其处理方式要复杂得多。时域超宽带通信系统之所以具有良好的抗干扰能力，是因为该系统采用了伪随机编码，随机时间调制和相关接收等方法,使其具有很高的处理增益。处理增益为射频带宽和信息带宽之比。对CDMA ,一个8kHz 的信息带宽的信息被扩展为1125MHz 的信道带宽，其处理增益为156(22dB)，而时间调制超宽带系统发射8kHz 的信息则有2G的信道带宽，处理增益为250,000(54dB) 。图1.3 接收机原理图1.5、UWB的特点（1） 抗干扰性能强UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。（2） 传输速率高UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.11b。（3） 带宽极宽UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，如果可以做到和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰，这在频率资源日益紧张的今天，将开辟了一种新的时域无线电资源。（4） 消耗电能小通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗电能较大。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。（5） 保密性好UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能接收到发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。（6） 发送功率非常小UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mM的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这一特点大大扩展了UWB的应用面。1.6、UWB的应用通常把无线电技术应用分为军用和民用。在民用中，目前UWB的应用主要定位于短距离高速无线数据传输。UWB可用于数字电视、摄影机、摄录一体机、PC机、机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网（PAN, Personal Area Network）。总之，UWB定位于家用类设备和终端间的无线连接，家用类设备之多，决定了UWB的应用之广。UWB本来是为军事目的而开发的，而后的商机使FCC批准其民用，并将3.110.6GHz作为UWB频带。UWB被批准民用后，众多家电厂商和个人电脑厂商蜂拥而上进行产品开发。如英特尔公司在2002年就宣布成功试制出了采用宽带无线技术UWB的系统，系统最大数据速率为100Mbit/s，通信距离为2m；IEEE802委员会已将UWB作为个人局域网PAN的基础技术之一来研讨；新加坡新龙公司在2002年汉诺威CeBIT展览会上，演示了UWB技术。第二章 超宽带通信系统组成2.1、 超宽带通信系统的基本调制技术图2.1 单脉冲串时域波形及其频谱图2.2 脉冲位置调制及其频谱为了携带上传输信息和采用匹配滤波技术进行优化接收，发送脉冲串必须经过特殊的处理。除了上述的数据比特为0时无附加时移和为1 时有附加时移的调制方法外，时间调制超宽带通信系统也可以采用下述的脉冲位置调制方法。原理如图2.2 所示。以10Mpps 系统为例，无信息加载时，脉冲以间隔100ns 均匀出现，当传输信息时，数字比特1 比正常间隔早到100ps ，数字比特0 比正常间隔迟到100ps，这时，接收机同样可采用相关接收技术。2.2、全双工UWB通信系统与常规无线通信系统相比，超宽带通信系统具有宽频带、低平