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tx097 宽带 信号 最佳 接收 问题 分析

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读书报告这次我毕业设计的内容是关于超宽带（UWB）信号方面的，在着手之前，我先对UWB通信的基础知识作了一定的了解。UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。 虽然超宽带的描述并不详细，它确实有UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会（FCC）所定义比中心频率高25或者是大于1.5G赫兹。很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率（RF）载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。 UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的：用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。 与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所喜爱，而且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。在短距离无线通讯上，UWB技术有着许多突出的特点： 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IEEE 802.11a、IEEE 802.11b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IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。 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，并且可以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，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，要消耗一定电能。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解出发射数据；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1mW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。这样，UWB的应用面就广。 在对超宽带通信有了基本的了解之后，我开始找一些有关UWB通信系统的资料来进一步去认识UWB技术原理。 超宽带（UWB）通信就是通过发射和接收具有纳秒（ps,10-9s）量级的脉冲信号，它以每秒数十兆的速率发射和接收脉宽小于1ns的窄脉冲信号，信息通过脉冲定位调（PPM,Pulse Position Modulation）或脉冲键控调制（On Off Key）等方式调制到精确定时的脉冲串中去。图2-1是UWB的系统框图。 图2-1 UWB系统框图发射时，通过可编程延时器对系统时钟进行精确的延时，输出触发信号来触发脉冲源。脉冲源产生一定脉宽和功率的极窄脉冲信号，当脉冲功率达到一定值时直接激励超宽带天线发射出去。接收时，接收信号经由天线进入相关器输入端。相关器根据来自编程延时器的触发脉冲产生模板脉冲，与接收信号进行模拟相关，输出的直流电压信号经A/D变换后送数字基带处理进行数字相关和判决处理。有了这方面的知识，我们就可以进入课题的主要内容多径环境中超宽带（UWB）信号的模板设计与分析。超宽带通信在接收信号时，接收信号经由天线进入相关器输入端。在高斯白噪声背景下，脉冲时跳调制信号的最优接收方式是相关接收机相关器根据来自编程延时器的触发脉冲产生模板脉冲，与接收信号进行模拟相关，输出的直流电压信号经A/D变换后送数字基带处理进行数字相关和判决处理。这里引出了模板脉冲的问题，使用一个合适的模板波形来匹配接收到的信号可以有效地从接收信号中获取能量。而在多径的环境下，这种效率对于超宽带（UWB）脉冲电磁波开始变得重要起来。多径环境中每条通路经历的信道各不相同，由于各种各样的因素，比如不同频率上不同程度的衰减，就会在接收到的脉冲类型上引起失真。根据这样的情况，设计一个理想的信号作为摸板，就能使模板波形和接收信号不匹配而产生的消极影响得到减弱。在这里我们考虑的信道环境为多径条件下的室内环境，因为这种信道所产生的效果是以某种方式嵌在接收信号里的，于是我们能够基于接收信号计算出最优模板波形。我们引入了最优化问题的数学模型从理论上来验证我们前面的设想是否可行。这里根据在接收端的具体要求分成两种情况，对应于每一种情况我们都要建立不同的目标函数。一种是最优一次相关长尾模板，另一种是多相关的短尾模板。我们显示了怎样在多径存在的条件下，根据用次数最少的相关从接收信号中获取最大数量的能量来设计最优模板波形。一些数据证实了我们的复杂算法的健壮性和精确性。把我们的算法应用在从测量结果中得到的真实数据上，我们注意到在需要估计最优模板波形类型的多径问题中，这中算法在处理其中主通道方面的能力要比许多传统的模板有0.9dB的提高。这是一种通用的算法，不仅能用于脉冲波，而且能够用于任何通信系统。不过，根据脉冲波非常出色的多径处理能力，我们还可以使用次最优算法，它在算法中用一个线性的复杂模板来代替了穷极搜索。在我推导算法的过程，需要一定的数学知识的支持，我通过