tx094超宽带（UWB）系统的抗多径性能分析
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tx094超宽带（UWB）系统的抗多径性能分析,机械毕业设计
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超宽带无线系统 1. 研究小组 Project Leader: Prof. Robert Scholtz, Electrical Engineering Other Faculty: Prof. John Choma, Electrical Engineering Prof. Keith Chugg, Electrical Engineering Prof. Won Namgoong, Electrical Engineering Prof. Antonio Ortega, Electrical Engineering Prof. Aluizio Prata, Electrical Engineering Graduate Students: Yuyu Chang, Yiling Chao, Meng-Hsuan Chung, Carlos Corrada-Bravo, Orhan Coskun, Robert Jean-Marc Cramer, Phil Hilmes, Eric Homier, Wenqing Jiang, Joonyong Lee, Sangyoub Lee, Phoom Sagetong, Raghavendra Singh, Ali Taha, Robert Weaver, Robert Wilson, Jeffrey Yang Undergraduate Students: Phillip Hirz, Kenneth Newton Industrial Partner(s): Compaq, Time Domain Corporation 2. 问题的描述 本项目将 UWB （超宽带技术）应用于短距离通信和漫游系统。由于超宽带技术发展尚不成熟，因此我们正对一种特殊的超宽带系统的电路及系统设计问题进行研究。该系统采用瞬时脉冲电波方式进行通信，这种基带电波采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有数纳秒以下。 UWB 有如下的潜在特点： 1. 保密性好（相对于超大带宽，信号的功率谱密度显得微乎其微）。 2. 定位准确（准确度可达几厘米）。 3. 抗多径衰弱（采用调时序列）。由于等待着 FCC(美国联邦通信委员会 ) 批准 UWB 技术进入民用领域 规章的早日出台，且实际上该无线系统必须与同一带宽下的窄带系统和平共处，所以我们希望最初的应用仅限于短距离通信，并且在一定程度上依赖于扩频技术应对冲突问题。 我们对 UWB 技术的研究旨在弄清其系统层面上的性能，使这项具有潜力的技术的应用具有竞争力。 在无线电通信的层面上，就是要要理解传播的问题以及它们是如何nts影响无线电设计的，同时还需找出 UWB 技术中的关键成分，算出连接和电量预算等等。我们希望 UWB 系统能与其它大多数的无线系统并行不悖，因而当前最紧迫的任务就是要找出在如此关系中是否暗含着严重的问题。 我 们最终的目的是：第一，演示完全移动状态下的室内 UWB 无线通信将适应移动图象专家组压缩格式的视频速度；第二，将 UWB 通信形式与其他的通信形式一起作为无线多点接入网络的一部份 ;第三，展示户内漫游和位置定位（粗略可精确到公分）。在电磁的良性环境里，各公司通过固定短距离连接展示了该技术的一些性能。我们致力于在广泛而多样的环境中使这些连接更具鲁棒性和适应性。 自从多媒体数据成为一种主要的数据传输类型以后，我们正在研发一种针对图像和视频的编码策略，在信道条件不佳的条件下，它将显现出鲁棒性。我们正在研究基于 MDC 的图像 / 视频压缩策略。为了增加耗损信道的鲁棒性，在压缩过程中我们引入了一些冗余。 . 3. 背景和相关研究 在最近的报告中我们提名了以下几家积极研发 UWB 产品的公司：天空电信公司 (为 UWB 的漫游功能设计了直接序列扩频电路，由 DARPA 赞助 ,) ， Lawrence Livermore 中心 (短距离雷达应用 ,:80/lasers/idp/mir/mir.html) ， Multi-Spectral Solutions公 司 (无线通信系统， DoD ,), Time Domain公司 (无线通信系统 ,) ，陆军研究中心 (战场雷达 ) ， Power Spectra公司 (地面敏锐雷达 ) ， OC 技术组织 (雷达应用和无线通信研究 ) ，和诰石公司 (图钉探测器 ) ，爱国者科技公司 (地面敏锐雷达， /radar/index.html) 。从那时起， OC 技术组织启动了一项被命名 Xtreme 光谱的研究 (,个人通信网络 )，保罗艾伦开始了对 Fantasma 网络的研究 (, UWB 网络 )。这些工作大多是专有的或机密的。 以上公司不断坚持试图促使联邦通讯委员会发出对 UWB 系统的质询通知 (NOI) 。 质询程序现正在进行， FCC 也已发布了提议规则制定（ NPRM ）的通告， FCC 需要有关 UWB 技术的进一步的数据和意见。虽然现在还不允许使用 UWB 系统，但我们希望它能于明年实现。 nts UWB 系统占据的频带很大的程度上依赖于他们的应用。地面敏锐雷达频率相对较低 (举例来说 ., 地面穿透的频带在 10 100 兆赫兹 ),而 UWB 通信系统工作 AM,FM,以及电视频段以上，避免了过度冲突 (举例来说 ., UWB 系统建立并工作在 1G 3G的带宽内 ,处于 1G 6G范围 ).以上系统工作频率范围的界定仰赖于各种不同的因素 ,举例来说 ., 费用，落实技术，物 质穿透问题 ,等等。 各研究团体对 UWB 技术产生了浓厚的兴趣。 ONR 在 UC Berkeley 无线电研究中心建立了 UWB 工作室； 2000 年十二月，欧洲工业组织创建了 UWB 工作室；现在， IEEE 正致力于创建 UWB 协会。国防部亦将 UWB 无线通信作为今年 MURI 的主题之一 ,且 UWB 的进一步的研究将有非常好的前景。 海军研究处赞助包括联诚集成电路公司在内的研究机构进行对 UWB 的研究。 应用于无线系统的压缩技术的背景和相关研究作为报告的一部分，其标题为 用于强健和可升级的媒体 通信中的新型压缩技术。 4. 基本原理研究方法 我们对 UWB 无线技术的研究方法如下所示： 他们将继续发展不同环境中的传播模型。 经考虑，我们将扩大 UWB 模型技术的多样性，确定它们在具体任务中的相对优势 (举例来说，漫游，定位，通信，成像 ,射频标签等等 ) 。 我们将发展一种信号处理算法，通过提高信号的多样性以及对变化信道和环境的适应性，来提高 UWB 无线连接的鲁棒性。 我们将研究多种天线的 UWB 辐射性能，以确定它们在不同 UWB 短距离通信中的特性。 . 我们将会建立和其他的大学和公司的联系 ，提供对该方向有用的技术，特别是在与天线和射频电路硬件相关的方面。我们的终极目标是实现对多种无线电波特征的硬件示范，在我们看来，这是非常必要的。 nts我们将研究 UWB 无线信号工作在极高的频率范围点到点通信中的可能性，点到点的通信不需要显著的物质渗透能力。这项研究将确实提高连接性能。 我们会极尽可能将测量得出的的数据提交 FCC 的规则制定者。 当多数人可能认为通信是一个确定的性能时 ,我们试图通过新出现的 UWB 技术去证明那些改良技术的潜力。 一种方法是实现 MIE 与 UWB 之间的无线接口 UWB. 虽然这是一个长期目标 ,但要使用于此目的 UWB 器件通常可得（直到 FCC 通过 UWB 传播技术规则）以及仅仅进行最简单的论证还是有可能实现的。而要实现 UWB 电波无线多点接入的硬件演示是一个更加遥远的目标，所以我们必须等待，直至硬件价格下降。 在视频研究方面上 ,我们对 MDC 的研究正在 Lucent 和 AT&T 的研究所以及一些大学进行着 . 主要的不同是我们考虑使用预编码的方法 ,而其他的团体则把重心集中在独立编码 (举例来说 ., 转换编码 ,分级量化 )。最终我们计划使用前者作为视频编码，因为动态预报 对于获得较好的编码性能是十分必需的。另外一种不同是我们正致力于提供 MDC 功能，且仍然使用高效率的编码。举例来说 ., 我们发明了比特分配技术，该技术使我们能够使用最新颖的 SPIHT 编码（动态编码）作为 MDC 图像压缩方法的基础 5. 对工程科学的贡献摘要 在过去的一年里，我们发表的文章主要如下所示： 我们对一种形式的 UWB 干扰进行了测试，该项干扰能影响 GSP 接收端的信噪比。其结果发表于 1 ，并送 FCC 我们研究出一种分析技术，该技术能对 UWB 的连接性能进行评估，评估综合考虑 了 UWB 的天线性能，干扰以及可能出现的调节参数。该技术相对独立于具体的模型，相关论点发表在 1 中，并送 FCC 征询。 Jean-Marc Cramer发表了一篇有关传输数据的还原和办公楼信道模型的论文，该文具有里nts程碑意义。此外，我们还建立起一组信道模型传送数据（包含到达时间，信号强度，到达角度）的统计描述。 我们对 UWB漫游技术进行了初探，揭示多径下的多点接入通信。不久，这些问题的研究将更趋明朗。 我们引入了一种针对 MDC 的基于模型的比特分配技术，该项技术使信号在空中的冗余与编码和发送端的冗 余相一致，从而降低了编码和发送端计算的复杂度。 6. IMSC交互和视频研究成果 我们拥有一个 UWB 的连接，一方面用来做实验，另一方面用来做演示。运用它可以通过无线的方式传输具体的信息，还可以使主机无线上网。两年前，我们使 MIE( 移动边缘因特网 ) 支持无线网络的努力获得了成功。但除非 UWB 的硬件易于实现，否则我们是不会将 UWB 加入 MIE 的。如果没有 FCC 的批准，一切购买，普遍使用 UWB 系统的做法都是违法的。我们期望明年能获得 FCC 的批准。 我们对视频的研究目标是在各种不可靠的环境中 实现可靠的视频传输。我们将注意力集中在Ultra Labs 里的特定无线技术的同时，我们正计划在其他环境中测试我们的想法，尤其是在因特网上测试视频的传送。 7. 成果和意见 我们正进行一项旨在确定 UWB 信号在 GPS接收端产生影响的测试。该实验使用新型 GPS接收机，接收机天线从下往上看是圆极化，且可在接收端测量出可识别的信噪比。 UWB 脉冲发生器配有一根垂直极化的零极点天线，从天线处不断发出干扰信号，我们就可以由此估计和测量出信噪比的恶化情况。该实验的难点在于很难仔细的刻画天线系统和当时环境的特点，且由于天线 的脉冲修正特性，因此在实验过程中天线是不能忽略的。该项成果已发表在 1 上，并提交给 FCC 。 超宽带无线通信实验室将每四年才颁发一次的实验室许可证颁发给了我们， 1999 年 11 月，我们进行了最初 UWB 对全球定位系统的干扰测试。该实验的目的是在洛杉矶范围内进行 ntsUWB 功率限制实验。 业余无线电传播联盟与 Ultra Labs接洽，进行了一项类似的 UWB 的干扰实验，实验尽量遵守指定的实验程序，不同的是该实验采用弱信号接收端，工作频率为 1.2G。 我们用在 Ultra中心使用过的一根零极点天 线测出了可能影响 UWB 电波的无线电干扰水平（洛杉矶一所办公楼的第五层）。在上述的环境，给定比特率和距离的前提下，干扰对 UWB 通信所需功率的消耗较低。我们起草了一份 UWB 信号的传输规则，并意图知道在此规则下， UWB 通信是否被允许，以及多大的数据率才是可行的。这项实验是以实验中使用的天线和系统为基础，而独立于 UWB 传输的模型结构，并且还基于必需的工作范围，接收机的噪声功率以及接收的比特能量，。据我们所知，最早发表的该理论便向 FCC 的法规制定者和商业公司提出了挑战，因为相关干扰的调度决非易 事。 在搜集了大量办公楼室内信号传播参数的基础上，我们运用 CLEAN算法研究信道特性，并建立了一种新的且相对完整的室内传播的统计模型。该模型基于“群”理论，该理论将在近似时间，来自相似方位，且服从粗略相似传播路径的一组信号成为一“群”。在一群中且相对该群最先到达的信号，到达角度的分布趋于拉普拉斯分布（双阻尼），群内信号强度变化服从瑞利分布。 每群中最早到达路径的特性非常依赖于信号的大致传播路径。即使数据接收机得到确切的信号，识别群的过程仍未能实现自动化。 总之 , 连同多径解决一起，准确的定位是 UWB 系 统已明确的主要应用之一，我们开始对射频标签的研究将可能成为 UWB 系统的一项应用。以 UWB 无线电为主题，我们进入了比赛且嬴得国防部颁发的 MURI 奖。参与该研究的学校还包括 UC Berkeley(Brodersen 和 Tse) ，马萨诸塞州 (Pozar ， Schaubert 和 Goeckel) 和联诚集成电路公司 (Scholtz ， Chugg,Namgoong),教授 Scholtz 是研究负责人 .研究团队的组成引入了拥有电路设计专长的 Berkeley 和拥有天线设计专长的 UMass. 该申请的最初动机是研究射频标签系统的位置定位能力。 在 NFESC ，港口 Hueneme ，加州我们和 Steve Gunderson 进行了联络 , 并在 Curtiss 的空货舱里完成了四项不同的初步传播实验，其中，射频识别用于自动显示货物和货物定位 (见图 1). 货舱里信号的传播方式与办公室内的传播方式大不相同，信号在船金属内的反射能力是在典型户内环境中的十倍以上。从微型电话，甲板雷达上 ,以及通信系统这些环境中测出的干扰值 . 我们希望在货舱里载满货物时重新测一次干扰值。 nts 我们对视线延 迟的最佳算法进行了理论上的研究，使得在密集多径环境下获得准确的漫游。该算法的初衷是试图找寻密集多径环境中的冲击响应函数。该算法的早期测试在一些方面尤为突出 3. 增加被测连接的冲击响应函数数据库应进一步从实验的部份着手。 多径环境中多点接入的表现是许多具有潜力的 UWB 应用的关键问题。基于多径过程的天然模型上我们得出了一个初步的结果 4. 依照预期，这些显示使用者的性能相对于理想无多径的情况存在着显著的下降。我们将精炼该模型，以便更加可靠的估计使用者的性能。 我们认为天线是 UWB 无线系统中一 个非常重要的部分。我们的研究因为缺乏高质量的实验设备而受到阻碍。二年前我们从国家科学基金会获得了为建立射频消音实验室而筹备的部分资金。2000年夏天， Silverman 院长将建实验室的空地交给我们，保罗艾伦捐赠的 $200,000 用于购买实验设备。直到这时，设备的设计和制造才真正开始。我们将许多的测量过程的自动实现作为学生的项目作业。 我们开始了一项新的研究，探讨处于 45-60 十亿赫兹频带内的信号传播情况 ,以及描述在此范围内的宽带和 UWB 信道的特征。在某种程度上该项研究使我们可以确定信号畸变 的种类，并将此作为环境特性的一项参数 . 这项研究包括建立一个用于测量的无线电系统，该系统将测出长为几公里的连接的传递函数（放大功率和相位变化）。该项研究将会支持短距离无线通信，极高的数据率，指令 ,和可视距离连接的设计 . 该研究缘于人们对高性能通信迫切要求。潜在的问题是 : 当信号的传播移至更高的频段，干扰的减少是否能补偿连路的衰落和畸变 ? 该应用在高频范围内所使用的仪器与在较低频率内使用的廉价仪器也相当不同。 在信源编码方面，我们早先的论文 5 引入了一项针对 MDC 的技术，该技术将一幅图象分割为若 干区域，每一区域被发送多次，且具体情况有不同水平的解决方案。 重组图象就是用可得的高分辨率版本 (i.e., 不有被遗失 )聚集装配每个区域。早期我们致力于比特分配问题的研究，确定理想信道下的冗余水平，并将结果用于先进的基于微波的图像编码器 ,该编码器采用 SPIHT 算法。在nts过去的一年里，我们通过定义了一种理论模型来拓展研究。该模型使 MDC 编码的图像更有效率 ,同时以更低的复杂度适应不断变化的信道状态。我们的解决方案也可适应用于 ROI 的图象编码。在编码之前将不同的因素进行编码，通过区分微波系数，为每个区域 提供不同水平的解决方案。 这些刻度因素在随后的接收器中得以加强。我们解决刻度因素问题的最佳选择便是使用 Mallats 模型的近似值。我们将展示最佳刻度因素的选择在本质上与最佳经验数据的获得相一致 ,有着较小的复杂度。我们的结果发表在论文 6 中，进一步的详细资料在 用于鲁棒和可升级媒体通信的新型压缩技术 .一节中。 8. 成员公司的收益 我们正开始对赞助商康柏公司所提出的问题进行研究 ,他们希望确定校园范围内 UWB 网络的用户性能。发表的论文 1 和 4 直接涉及这一具体问题，我们已向康柏公司提交了 预先打印的论文 1, 只要论文一经完成（仅完成了摘要部分）我们就将向其提供相似的论文 4 。我们希望该问题在未来几个月内，无论是理论还是实验都会有重大进展。 我们已促成了与一家日本无线公司 NTT Co Mo 以及小公司合伙人 Time Domain公司的联系。我们希望出现新的 IMSC 合伙人。 我们的学生就职于专注 UWB 无线系统的公司。 2000夏天， Joonyong 李在 Time Domain公司 (一个特别的合伙人 ) 实习，罗勃特 Wilson 在 Fantasma 网络公司实习。 Orhan Coskun修完了博士学位以后任职于 Fantasma 网络公司。 9. 五年计划 在以前评论和报告中， UWB 技术的未来很大程度上掌握在 FCC 的手中。此外，在过去的一年里，我们致力于搜集 UWB 技术的资料，以供 FCC 参考。 我们将继续该项工作直到 FCC 出台 UWB无线传输规则。因为费用的限制 ,示范接入 MIE 的 UWB无线系统仍须几年时间。这种技术仍未商业化。因此，我们没有越过多点接入技术去从事 UWB 网络问题的研究。 nts我们也已不再重视高数据率的 UWB技术的研究。 Time Domain 公司以及此类 公司已经实现了这一性能。我们将继续在理论上评估调制方法以提高数据率 , 解决 UWB 系统中的棘手问题。例如，迅速获得，多径漫游中的直径追踪，真实的环境性能预测等 . 除此之外， Ultra中心正在进行包括不同传输方式的测试 , UWB 和其他的无线系统间的干扰，端到端等测试。 2002 2004 2006 用于无线电或天线测试中的 无响应性能 特殊环境和应用中 UWB技术的前景预测 特殊环境高速率 UWB模型设计 软件视频的真实时间控制 可携带 UWB天线实验 完成 45-60G赫兹范围的 UWB无线传播实验的仪器 制造 研制出低功率 UWB无线系统的关键部分 使用检测设备对接到 MIE且传送的多媒体通路的无线系统进行硬件多点接入示范 用 UWB无线系统实现图象的收发分置 UWB射频标签的硬件演示 10.参考文献 1 R. A. Scholtz, R. Weaver, E. Homier, J. Lee, P. Hilmes, A. Taha, and R. Wilson, “UWB Radio Deployment Challenges” (invited), Personal Indo
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