《超宽带无线电基础》ppt课件

1、超宽带无线电根底超宽带无线电根底武汉理工大学信息工程学院胡君萍章节安排章节安排l 第一章概述l 第二章超宽带实现技术l 第三章超宽带系统与其它通讯系统的共存性讨论l 第四章超宽带脉冲波形研讨l 超宽带信道模型l 超宽带天线 l 认知超宽带第一章第一章 概述概述l 超宽带无线电开展历史l 超宽带定义l 超宽带技术的特点l 超宽带研讨现状1.1 超宽带无线电开展历史超宽带无线电开展历史l 超宽带Ultra WideBand，简写为UWB是利用超宽频带的电波进展高速无线通讯的技术。l 超宽带技术可以追溯到十九世纪。在十九世纪后期由马可尼研制的火花间隙无线电被用于传送莫尔斯电码，到1924年，由于火花

2、间隙无线电的射频辐射无法调理，其在大多数的运用中被制止。从此以后，基于载波的无线电技术占了统治位置。l 到了二十世纪六十年代，随着采样示波器、雪崩晶体管、隧道二极管的发明以及亚纳秒级脉冲发生技术的开发，可以产生近似的冲激脉冲鼓励，从而微波网的冲激呼应可以直接进展察看和丈量。冲激呼应丈量方面的研讨导致了基于脉冲的传输被运用于雷达和通讯中仅限于军事、灾祸救援搜索雷达定位及测距等方面。到80 年代后期， 该技术开场被称为“无载波无线电，或脉冲无线电。l 美国国防部在1989 年初次运用了“超带宽这一术语表示脉冲无线电。l 随着2002年美国联邦通讯委员会FCC开放超宽带技术的民用，超宽带技术遭到注重

3、，大批机构涌入研讨，出现了新的超宽带实现技术，比如直接序列扩频、多带正交频分复用，超宽带技术的定义也随之进展了调整。 1.2 超宽带定义超宽带定义 如今的超宽带己经不局限于早期的脉冲方式的无线电，任何无线电系统，只需它满足下面的条件之一就称为超宽带系统FCC的定义： (1) (2) fH、fL是信号功率谱密度在-10dB处丈量的值。 也就是说，只需无线通讯系统的相对带宽不低于20%或绝对带宽不低于500 MHz，就是超宽带无线通讯系统。 %20)(2LHLHffffMHZffLH500 窄带的相对带宽 小于1% ，宽带的相对带宽在1% 到20% 之间。功率普密度fLfHf0f(Hz)窄带窄带宽

4、带-10dBl 为了防止民用的超宽带系统对已有的无线通讯系统GPS、航空系统、802.11n产生干扰， FCC在2002年4月发布了针对超宽带的报告和规范，规范根据三类用途的超宽带通讯系统能够产生的干扰，对它们的频谱运用范围和功率辐射进展了严厉和详细规定。l 三类用途的超宽带通讯系统为l 包括探地雷达GPR、穿墙雷达的成像系统、监视器以及医疗成像设备；l 车载雷达系统；l 通讯和丈量系统FCC对不同用途的超宽带设备频对不同用途的超宽带设备频谱运用范围的规定谱运用范围的规定l 探地雷达与墙壁成像系统：低于960 MHz或3.110.6GHzl 墙壁穿透成像系统：低于960 MHz或1.9910.

5、6GHzl 监视系统：1.9910.6GHzl 医疗系统、通讯和丈量系统：3.110.6GHzl 车载雷达：2229GHz，另外，中心频率和最高辐射电平点的频率必需大于24.075GHz。FCC对超宽带设备的功率辐射限制对超宽带设备的功率辐射限制l FCC对超宽带设备的功率辐射限制以EIRPEffective Isotropic Radiated Power目的给出。所谓EIRP，即有效全向辐射功率，是一个天线的输入功率与某个指定方向天线增益的乘积相对全向天线的值。 频率（频率（MHz)室内室内EIRP（dBm）手持手持EIRP（dBm）成像成像EIRP（dBm）车载雷达车载雷达EIRP （d

6、Bm）低于960Section 15.209Section 15.209Section 15.209Section 15.2099601610-75.3-75.3-53.3-75.316101990-53.3-63.3-51.3-63.319903100-51.3-61.3-41.3-63.3310010600-41.3-41.3-41.3-63.31060022000-51.3-61.3-41.3-41.32200029000-51.3-61.3-51.3-41.3UWB 辐射限制辐射限制 GPRs and 墙壁成像系统墙壁成像系统UWB 排放限制排放限制车载雷达系统车载雷达系统UWB 排放

7、限制排放限制 室内通讯系统室内通讯系统UWB 排放限制排放限制 室外室外 (手持手持) 通讯系统通讯系统1.3 超宽带技术的特点超宽带技术的特点 超宽带有很大的绝对带宽，根据香农定理C=Blog2(1S/N) 其中C是可得到的链路速度 ，超宽带具有以下特点：小的干扰，共享频谱资源 信息被扩展到很宽的频谱上，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-41.3dBmFCC Part15，所以对其他通讯系统的干扰小，可以与其他无线通讯系统共享频谱资源。Frequency GHzpower spectral densityUWB的带宽和功率普密度表示图3.110

8、.6dBm/MHz噪音程度UWB802.11a-41.35.725-5.825l 固有的严密性。固有的严密性。l 由于功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干由于功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，具有隐蔽性好、低截获率、严密性好等优点。扰和噪声中，具有隐蔽性好、低截获率、严密性好等优点。l 地理定位才干好。地理定位才干好。 l 在严重的多径环境下，定位精度大约为在严重的多径环境下，定位精度大约为C/B，C是光是光速，速，B是信号带宽。是信号带宽。l 高的数据传输速度。高的数据传输速度。l UWB的传输速率可达几十的传输速率可达几十Mbps几几Gbpsl 其单位区域内通讯容量高

9、，可超越每平方米其单位区域内通讯容量高，可超越每平方米1000Kbps。l IEEE802.11b仅为每平方米仅为每平方米1Kbps，蓝牙技术为每，蓝牙技术为每平方米平方米30Kbps，IEEE802.11a也只为每平方米也只为每平方米83Kbps。l 低功耗低功耗l 超宽带技术在实现同样传输速率时，功率耗费仅有超宽带技术在实现同样传输速率时，功率耗费仅有传统技术的传统技术的1/101/100。 脉冲方式的超宽带系统还具有以下特点：低本钱。脉冲无线电超宽带系统是无载波的通讯系统，构造相对简单，实现本钱低。具有穿墙/穿楼层才干极窄脉冲信号占有很宽的带宽，包含有低频信号，低频信号具有穿透才干技术类

10、型距离发射功率容量蓝牙10m1mW30kbps/m2802.11b100m50mW1kbps/m2802.11g100m50mW5kbps/m2802.11a50m200mW55kbps/m2超宽带10m200uW1.4Mbps/m2l 抗多径衰落才干强l 采用基带脉冲方式的UWB信号，与采用正弦载波的传统无线通讯信号的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波，在自在空间的衰减与间隔的平方成正比，在密集多径环境中，衰减与间隔的34次方成正比。而UWB信号采用极窄脉冲信号，能量非常集中，瞬时功率很高，在密集多径环境中各径信号重叠抵消的几率很低，具有很好的分集效果。 1.4超宽带的运用前景超宽带的运用前

11、景l UWB在无线个域网中的运用l 目前超宽带比较抢手的运用是无线个域网WPAN，经过UWB将PC机与其周边设备、挪动设备与固定设备之间建立高速无线衔接 。l WiMedia联盟的多媒体无线超平台见图1-3是一个很好的基于UWB的短间隔无线多媒体构架或运用方案，以UWB为物理层技术构成无线超平台，再加上相应的协议顺应层，使得各种数字设备以USB、4、蓝牙协议进展无线衔接或接入IP网。 PAL：Protocol Adaptation Layer 协议顺应层WiNET:无线以太网WiMedia UWB Radio PlatformPALPALWiNETPALIPMAC & Policies

12、UWB PHY (MB-OFDM)WiMedia的基于UWB的通用无线平台lUWB在智能交通讯息中的运用l利用超宽带的定位和搜索才干，我们可以制造防碰和防妨碍物的汽车雷达 l利用UWB我们可以建立智能交通管理系统，这种系统应该由假设干个站台安装和一些车载安装组成无线通讯网，两种安装之间经过UWB进展通讯完成各种功能。例照实现不停车的自动收费，汽车方的随时定位丈量、道路信息和行驶建议的随时获取，站台方对挪动汽车的定位搜索和速度丈量等等。lUWB 的成像运用l由于UWB具有好的穿透墙和楼层的才干，UWB可以运用于成像系统。l利用UWB技术，我们可以制造穿墙雷达和穿地雷达。穿墙雷达可以用在战场上和警

13、察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人。地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜索幸存者。基于UWB的成像系统也可以用于不期望运用X射线的医学系统。 l UWB在智能标识中的运用l UWB技术可以被用作一种射频识别技术。将存储信息的RAM和UWB芯片集成制造为智能标签，附到各种物品上，再将UWB芯片集成到带CPU的阅读器或搜索器上，就可以对各种物品进展智能识别、管理了。l UWB在军事领域中的运用l 由于UWB具有低截获率，最早运用于军事领域，如雷达、战场上给士兵定位无线传感网。1.5 UWB的研讨现状的研讨现状l 由于超宽带显著的优点，超宽带一经在民用领域开放，就有很多的公司、研讨机

14、构对其进展开发研讨，出现了多种技术方案，为了使未来的超宽带产品可以互联互通，必需建立国际上一致的超宽带规范，IEEE802.15.3a任务组专门就UWB制定高速个域网规范。冲激无线电IR的根本专利大部分被几家小公司所占有。后来由于许多大的通讯和IT厂商的参与，物理层规范逐渐分化为两大阵营，即多频带正交频分复用MB-OFDM和直接序列超宽带DS-UWB，这两大阵营的背后分别是多频带正交频分复用联盟MBOA，现合并到WiMedia联盟和超宽带论坛UWB Forum两大产业联盟。由于自2003年以来，IEEE802.15.3a UWB任务组无法在MB- OFDM和DS-UWB两项方案的表决上，达成7

15、5%的多数赞同，于2006年1月宣布解散。UWB规范交由市场决议。 l 虽然UWB的规范化任务不断堕入僵局并被迫停顿，但UWB的研发和产业化进程却从来没有停顿过，而是以日新月异的速度在开展变化。l 2005年5月， Pulse-Link公司公布了本人的UWB架构及芯片，该公司称其物理层支持2Gb/s操作，称为C-WAVE方案。这阐明，除了两大联盟以外，其他的研讨机构、公司并没有放弃对新的UWB物理层技术的研讨。l 2005年7月和2005年8月基于DS-UWB和基于MB-OFDM的UWB芯片分别得到美国FCC的认证。l 2005年10月，美国飞思卡尔半导体Freescale Semicondu

16、ctor，Inc.和Open Interface北美公司日前试制出了经过在物理层运用UWB，将最大数据传输速度提高至100Mbit/秒的蓝牙系统。其目的是实现方案2006年完成规范化作业的下一代蓝牙规格“Bluetooth Version 3.0。 l UWB在高速无线个域网运用的详细实现就是无线USB，基于DS-UWB的“无线USB产品将在2006 年9月面市，而基于MB-OFDM的“Certified Wireless USB将在2006 年底推向市场，“Certified Wireless USB和“无线USB产品不能相互通讯。l 在无线通讯领域，另一个新兴的通讯技术是认知无线电，超宽带

17、技术的一个研讨方向就是将超宽带技术与认知无线电相结合。国内研讨现状国内研讨现状l 我国在2001年9月初发布的“十五国家863方案通讯技术主题研讨工程中，初次将“超宽带无线通讯关键技术及其共存与兼容技术作为无线通讯共性技术与创新技术的研讨内容，鼓励国内学者加强这方面的研讨任务 。l 相关报道：l 2005年12月23日，由国家863方案资助，东南大学超宽带课题组担任的我国第一套高速超宽带Ultra-Wideband， UWB无线通讯实验系统经过验收。该系统采用自主设计的双载波正交频分复用Dual Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexin

18、g， DC-OFDM方案，无线传输速率到达110 Mbps，传输间隔超越10米，可用来同时传输4路高清度电视节目或未紧缩视频图像，也可用于高速无线数据传输。 2006年1月，北京邮电大学主持的“超宽带无线通讯技术及其电磁兼容的研讨工程曾经经过教育部科技研讨重点工程验收。该工程对超宽带(UWB)无线通讯的新技术及其电磁兼容进展了广泛深化的研讨，在超宽带无线通讯系统的脉冲构成、调制解调、多址接入、同步技术以及电磁兼容等方面，获得了一系列具有创新性的研讨成果。 2006年4月27日，由中国科大和清华大学共同承当的国家863方案艰苦工程“基于脉冲体制的超宽带无线通讯关键技术研讨与系统演示顺利经过863

19、方案通讯技术主题专家组的验收。 同时，国家自然基金对超宽带技术的研讨给予资助。 我国从事超宽带技术研讨的机构还较少，主要是高等院校，在超宽带实际方面的研讨处以跟踪国外的形状，运用研讨与国外有一定差距。第二章第二章 超宽带实现技术超宽带实现技术l IR-UWB l 传统的超宽带实现技术l DS-UWB l FCC发布了民用超宽带的辐射限制后，IR-UWB方案的改良版。l MB-UWB l 非脉冲调制技术，运用正交频分复用技术，即载波调制，信号带宽大于500MHz。2.1 IR-UWB IR-UWBImpulse Radio UWB为UWB通讯的传统方式。2.1.1脉冲调制方式 IR-UWB 的关

20、键技术 脉冲调制方式从携带的信息来看，可以分为数据信息调制和多址调制。 根本的数据信息调制方式： 脉冲幅度调制PAM, Pulse Amplitude Modulation 开关键控OOK，On Off Keying 二进制相位调制Biphase Modelation 脉冲位置调制PPM，Pulse Position Modulation 数字脉冲间隔调制DPIM，Digtal Pulse Interval Modulation 脉冲波形调制PSM，Pulse Shape Modulation 多维双正交键控M-BOK，Multiple Bi-Orthogonal keying 脉冲幅度调制脉

21、冲幅度调制PAM 信息调制在脉冲幅度上。 ()kfks ta p tkT当调制信息为ia0,1,2,i ，调制信号为：fT( )p t其中，是根本的脉冲信号；是脉冲周期。假设发送序列 ia是独立同分布的随机变量，那么可以推导得到PAM的功率密度函数如下：22222( )( )()()aaffffkkS fP fPfTTTTa2a ia2( )P f其中和分别是调制信号的均值和方差，是根本脉冲信号的功率谱密度。 当采用二进制PAM设调制信息为：12,a a时，在AWGN信道下的二进制PAM相关接纳的误码率性能为：221220()()2()beaaaaEPQN开关键控OOK 当调制数据是“1的时候

22、，发送脉冲信号；当调制信号为“0的时候，不发送脉冲。 ( )()kfks tb p tkTOOK调制可以看作是PAM的一个特例12(,0)aA a222,4aaAA22222( )( )()()44kffffAAkkS fP fPfTTTT0()beEPQN0,1kb BPSK l UWB中的BPSK也叫二进制相位调制Bi-Phase Modulation，或者二进制极性调制Bi-Pole Modulation，类似于传统窄带通讯中的BPSK，故这样命名。它也可以看作是脉冲幅度调制PAM的一个特例。 ()kfks tb p tkT1, 1kb kb1当调制信息等概出现，并且调制信号幅度为“A时

23、， 220,aaA22( )( )fAs fP fT02()beEPQN没有离散谱线 比OOK有3dB的优势 脉冲位置调制脉冲位置调制PPM l 典型的2-PPM：当调制数据为“0的时候，脉冲位置不变，脉冲间隔依然是脉冲周期；当调制数据为“1的时候，出现一个偏移。 ()fkpks tp tkTb222211( )( ) (1 cos(2)() (1 cos() ()22ppkfffffkkkS fP ffPfTTTTT 0()beEPQN既有延续谱线，又有离散谱线 PPM调制的优点：信号的正交性容易得到保证，很适宜于多址和多进制调制。 PPM调制的缺陷：符号间干扰ISI比较严重 系统在AWGN

24、信道下的误码率性能不是最好的PPM的实现比较复杂 脉冲间隔调制脉冲间隔调制DPIM l 脉冲间隔调制DPIM和PPM类似，都是经过改动脉冲在时间上的位置来传输信息的。但是DPIM和PPM又是不同的，PPM改动的是脉冲在一个周期里的绝对位置来调制信息的，而DPIM是经过改动相邻脉冲之间的间隔来调制信息的，也即脉冲周期在DPIM中是变化的。 l N-PPM将脉冲反复周期N等分为N个时隙，在每个脉冲反复周期内发一个脉冲，由待传信息am决议该脉冲在脉冲反复周期的哪个时隙上发送， am=3，那么该脉冲在脉冲反复周期的第3个时隙上发送。am0,1,N-1l 在N-DPIM中，第m个脉冲与前一脉冲的间隔为a

25、m+1，am为待传信息。l 相对于 PPM，DPIM的传输速率更高。脉冲波形调制脉冲波形调制PSM, Pulse Shape Modulation 脉冲外形也可以用于超宽带调制，普通运用正交的不同脉冲来实现调制。 01( )( )(1) ( )iiS ta s ta s t,0()be PSMEPQNPSM的误码率低于BPSK，脉冲外形的改动对PSM的影响很大，实践运用中要求发射和接受电路的线性要好，实现起来有一定的难度。M进制双正交键控进制双正交键控M-BOK，Multiple Bi-Orthogonal Keying 运用多个脉冲组成的正交脉冲串来传输信息，和PSM类似，这也是一种正交调制

26、方式，但不同的是它运用正交脉冲串来调制数据，类似于传统的时频调制。,1,21,1,22( )(1)(21)( )(12)( )iiiiS taaC taaC t,1,2,0,1iiaa1( )C t2( )C t、分别为正交脉冲串 Input data:L=4 CodesL=2 Codes000110111,0,0,00,0,1,0-1,0,0,00,0,-1,01, 00, 1-1, 00, -1,2,1iia a1( )C t2( )C t1( )C t2( )C t4-BOK：不同组的正交脉冲串可以对应不同的用户(多址)发射参考调制发射参考调制 l 每次发两个脉冲，一个参考脉冲，一个信号

27、脉冲，根据信号脉冲相对参考脉冲的差别确定信号是0还是1。l 发射参考调制的优点是可以使接纳机省去信道估计，其误码率实际上可以和BPM的一样低，但在多径环境下，参考脉冲和数据脉冲同时遭到干扰，会使判决准确率严重降低 数据调制技术讨论数据调制技术讨论l 现有的脉冲调制技术不止这些。可以组合和创新。l 调制技术的好坏主要调查l 调制效率，符号携带的数据比特。M进制调制中，M越大，那么调制效率越高。l 误码率。目前BPSK或称BPM、2-PAM的误码率最低l 实现难易程度。l BPSK是目前的首选。l 对于超宽带还要调查调制信号的功率谱密度能否容易满足FCC的辐射限制。所运用的调制技术应尽量消除离散谱

28、。l 数据调制通常与扩频调制相结合进展，所以两者通常一同研讨设计。多址调制多址调制 l IR-UWB的多址方式是和扩频技术相结合，多制技术就是扩频技术。l IR-UWB现有的扩频方式l 跳时扩频TH，Time Hoppingl 直接序列扩频DS，Direct Sequence Spread 补充：扩频技术补充：扩频技术l 扩频通讯技术：有三种方法可以实现扩频通讯，分别是跳频扩频FHSSfrequency hopping spread spectrum)、直接序列扩频DSSS (Directive Sequence)、跳时扩频TH-SS (Timing Hopping)。信道编码扩频调制PN序列

29、传输数据扩频数字通讯模型l 扩频调制假设是载波调制，分为相移键控PSK和频移键控FSK。相移键控对应的扩频即是直接序列扩频；频移键控对应的即是跳频扩频。l 扩频调制假设是脉冲调制，采用脉位调制PPM的即是跳时扩频，采用二相调制BPM的即是直接序列扩频。BPSK直接序列扩频系统：信道编码PN码载波数据输出采用模2加法信道编码PN码载波数据输出采用乘法信息比特101扩频码010传送比特（模2加）101010101 假设采用脉冲调制，就是一连串的脉冲发送出去，正极性脉冲代表0，负极性脉冲代表1。 假设采用3比特的码片，在扩频通讯中，每个信息比特与码片模2加或相乘，然后传送出去。采用码片010传送信息

30、比特101，三个信息比特就变成了9个延续比特，如下表所示。补充内容补充内容关于跳频扩频将可用的信道带宽分为大量邻接的频槽。在每个传号时间内发送信号占一个或几个频槽。频槽载波频率的选择由扩频序列决议。调制可以采用二进制或M进制频移键控。只需匹配的接纳机知道扩频序列，可以正确接纳信号。跳频根据时间长短可以分为快跳和慢跳。当跳频速率大于音讯速率时称为快跳；反之，称为慢跳。频率时间1T 2T 3T 4T 5T6T频槽编码FSKPN码频率合成信道数据时同步编码FSKPN码频率合成输出信道补充内容补充内容关于跳时扩频使当前发送的脉冲位置根据码序列的变化而变化数据调制可以是PPM或PAM关于扩频码关于扩频码

31、l 扩频码有多种。l 扩频码要求随机性好相互关性低、易于实现l 扩频码越长，系统的严密性越好，系统发射信号的功率谱越像白噪声，但系统的有效传输速率随之降低。DS-UWB方案中采用变长度的扩频码。研讨点：变长度扩频码如何实现IR-UWB系统构造系统构造 l IR-UWB中典型的TH-SS PPM超宽带系统的发射部分原理如下图 d a b 重 复 编 码 器 发 送 编 码 器（ 跳 时 扩 频 ） P P M 调 制 器 脉 冲 形 成 器 s ( t ) jjcjdc Ta( )()sjcjjs tp tjTc Ta去掉反复编码器为反复码的1sN ，分组编码器 ，使得每位比特信息最后被反复调制

32、发射了NS次，这样接纳机容易检测，最终使设备可以有效降低脉冲的发射功率，降低对其它通讯系统的干扰。 PPM调制的频谱包括延续谱和离散谱，延续谱由脉冲波形的频谱决议，离散谱是由脉冲周期出现引起，离散谱线位于基波1sT及其谐波处。离散谱线叠加到延续谱上，会使UWB信号的功率谱密度很难满足FCC规定的民用UWB的辐射限制。跳时扩频模块运用的扩频码是伪随机码，使脉冲出现时辰随机化。不过，扩频码是周期运用的，不会完全随机化，但它将离散谱的能量分散到扩频周期的每个脉冲上，可以有效降低离散谱线。所以，运用伪随机码的跳时扩频平滑了UWB脉冲信号的频谱。运用伪随机码的跳频扩频还提供多址接入才干和提供一定的严密性

33、。 跳时扩频模块：反复编码器：去掉脉冲构成器脉冲构成器l 最后一个模块是脉冲构成过滤器，其冲激呼应为 ，即使设备发射的脉冲波形为 。脉冲外形由该模块决议。 p t p t去掉IR-UWB系统实现框图系统实现框图扩频码脉冲构成器延迟器调制延时扩频码信源相关器脉冲构成器延迟器时基基带信号处置信宿时基TH-SS PPM系统框图 扩频码脉冲构成器扩频码信源相关器脉冲构成器时基基带信号处置信宿时基DS-SS BPM系统框图 相关解调相关解调最正确接纳机由相关器和检测器组成，相关器担任将接纳信号与M个 Z Z能够发射波形进展相互关，变为一组判决变量，检测器那么根据判决的值估计发送的是哪个信号波形。 变量Z

34、0选择最大值估计符号ZM-10st1MstsTdtsTdt相关解调方便用数字的方式实现。当系统采用了反复编码时，每个比特具有多个脉冲，接纳机将sN个脉冲构成的信号看作一个单独的多脉冲信号，相应的相关掩模是脉冲串，而不是单个脉冲。 计算可得，在一样信道条件下，反复编码时判决误码率是非反复编码时的1sN计算过程参考。极窄脉冲发生器不思索脉冲极窄脉冲发生器不思索脉冲外形外形l 脉冲发生器在超宽带无线通讯系统中占据着极其重要的位置，是UWB系统中独特的关键部件之一l 可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、阶跃恢复二极管、雪崩晶体管等器件。其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间

35、可以到达几十到几百皮秒，但其幅度较小，普通为几百毫伏的量级。而雪崩晶体管产生的脉冲，上升时间可以达12皮秒，输出脉冲幅度可以到达几十伏。l 如今有提出用FPGA产生一脉冲再与一延时脉冲相“与来获得极窄脉冲，可行性？IR-UWB的特点的特点 l 宽带高速、低本钱、低功耗 。l 抗多径干扰才干强。由于发射的是极窄脉冲，从不同途径到达目的地时，脉冲重合的几率极小。 l IR-UWB信号有穿透性。IR-UWB信号频谱宽，含有低频成分，低频成分具有穿透性。其它UWB系统不具有这一特性 l IR-UWB信号定位精度高。信号脉冲宽度越窄，定位精度越高 l IR-UWB的缺陷是在高速通讯时不能满足FCC的功率

36、辐射限制。任何一个窄脉冲，只需在频域未进展频移，一定含有大量的低频分量，难以满足FCC针对高速通讯的辐射限制。这一点后面详细讨论2.2 DS-CDMA/DS-UWBl DS-CDMA方案方案l DS-CDMA (直接序列码分多址直接序列码分多址)方式由冲激无线电方式由冲激无线电方案中的直接序列扩频的脉冲相位调制方式开展而方案中的直接序列扩频的脉冲相位调制方式开展而来，运用了载波调制。来，运用了载波调制。l 频带的运用：频带的运用：l 为了满足为了满足FCC的频谱屏蔽规定，将的频谱屏蔽规定，将7.5GHz的频谱分的频谱分成了两个频带，成了两个频带， 3.1GHz-5.15GHz(低频段低频段)和

37、和5.825GHz-l0.6GHz(高频段高频段),一个频带在一个频带在802.11a频频带的上面，一个在带的上面，一个在802.11a频带下面。频带下面。 UWB信号可信号可以在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传以在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传输输.两个频段之间的部分没有利用，是为了防止与美两个频段之间的部分没有利用，是为了防止与美国非特许的国家信息根底设备国非特许的国家信息根底设备(UN)频段和频段和IEEE802.11a系统的干扰。系统的干扰。 l 与普通的与普通的DS-CDMA扩频通讯系统相比，扩频通讯系统相比，DS-CDMA UWB通讯系统占用频段较宽通讯系统占用频

38、段较宽DS-CDMAl Original design from:l Communications Research Lab (CRL)l ParthusCeval Xtreme Spectruml Baseband pulse shapingl Each symbol is a series of wavelet pulsesDS-CDMA SpectraDS-CDMAl Baseband modulation l MBOK = M-ary Binary Orthogonal KeyingM双正交键控l 1, 2, 3 bits/symbol using 2, 4, 8 BOKl 6 bit

39、s/symbol using 64-BOKl CDMA via low cross correlation ternary codes三进制代码l Data rates derived by different length spreading codes: 1 24 pulsesDS-CDMA Low Band Modes星座,构象900相位差DS-CDMA High Band Modesl 在DS-CDMA UWB系统的接纳机中，普通采用Rake接纳和判决反响平衡DFE等技术以提高系统性能。 l DS-CDMA方案中，可以经过运用不同的伪随机PN码集合划分不同的悄然网Piconet。经过运

40、用4组码集合和高、低两个频段，可以同时支持8个悄然网。2 DS-UWB方案方案l 不久，Motorola和CRL对DS-CDMA做了重新设计，改良了的DS-CDMA称为DS-UWB直接序列超宽带。在DS-UWB系统中MBOK调制被去掉，系统的数据传输速率将根据通讯间隔进展调整，而通讯间隔根据信号强度丈量得到。另外，加进来一个公共的信令方式以允许设备可以在DS-UWB的物理层和MB-UWB的物理层之间交流。详细内容见DS-UWB.pptDS-UWB Operating Bandsl Each piconet operates in one of two bandsl Low band (belo

41、w U-NII, 3.1 to 4.9 GHz) Required to implementl High band (optional, above U-NII, 6.2 to 9.7 GHz) Optionall Each band supports up to 6 different piconets345678910 11Low Band345678910 11High BandGHzGHzDS-UWB baseband pulse shaping and modulationlThe baseband reference pulse is a root raised cosine lo

42、w pass filter with 30% excess bandwidth. lBiPhase pulse modulationlEach symbol is a series of pulseslData rates derived by different length spreading codes: 1 24 pulsesDS-UWB data rate vs rangeDS-UWB Spectral Mask屏屏蔽蔽DS-UWB系统框图系统框图扰频器过失控制编码扩频脉冲成形fcfc调制映射数据与传统DSSS系统的不同处过失控制编码首先会被卷积编码，由于卷积编码对突发性干扰敏感，第

43、二步即进展交错，第三步是打孔Puncturing，去掉某些比特后再输出出去，接纳端解码时会插入这些比特，这样可以添加编码效率。 扰频使其在每个时段都有足够多的“1，以便接纳端可以完成载波/时钟恢复扰码器的作用是在发送数据中参与一个伪随机序列，破坏传送数据中能够出现的全1、全0或某种信号周期反复的规律性，可以减少相邻信号的串扰和定时信号的误判。不同的用户，伪随机序列不同，用以区分用户。l 调制映射模块实现信息的调制。l 假设是BPSK调制，该模块将输入属于0,1的数据映射成属于-1,1的数据输出；l 假设是4-BOK调制，该模块将每二位数据构成一组，然后映射成两种编码和两种极性，比如将00 01

44、 11 10映射成1,0 0,1 -1,0 0,-1，这样从调制模块输出的是双极性数据。l 扩频模块将调制映射模块输出的双极性数据与伪随机扩频码进展模二加或相乘，输出的依然是双极性数据。这里的扩频码是变长度的，根据通讯间隔自动改动 l 脉冲成形模块是脉冲成形滤波器，其冲激呼应为升余弦脉冲的开方。该模块的输入应该是双极性的单位冲激脉冲，输出就是双极性的根号升余弦脉冲 DS-UWB与其它直扩系统的比较与其它直扩系统的比较l DS-UWB与DS-SS BPM系统相比，不同点是添加了频移。l 而与传统的直接序列扩频通讯系统相比，不同点是输出的脉冲不同。l 传统的直接序列扩频通讯DS-SS的脉冲宽度就等

45、于脉冲间隔，而DS-UWB的脉冲宽度远远小于脉冲间隔，所以可以获得超宽的频带。l DS-UWB虽然运用了载波进展频移，依然看成是脉冲方式的超宽带系统，由于它是经过窄脉冲来获得超宽的频带。-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.60.81Time domainTime sAmplitude VDS-SS BPM系统发射的信号系统发射的信号-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.60.81Time domainTime sAmplitude V-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.6-0.4-0.

46、0.81Time domainTime sAmplitude V-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.6-0.4-0.60.81Time domainTime sAmplitude V-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.6-0.4-0.60.81Time domainTime sAmplitude V上图中的信号经过频移上图中的信号经过频移6.85GHz后得到的后得到的DS-UWB信号信号-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.6-0.4-0.60

47、.81Time domainTime sAmplitude V-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.60.81Time domainTime sAmplitude V-2-1.5-1-0.500.511.52x 10-9-0.60.81Time domainTime sAmplitude Vtt00 DS-UWB特点特点 l DS-UWB依然可以看作是脉冲方式的超宽带，具有脉冲方式超宽带的低功耗、实现简单相对MB-UWB而言、传输速度高、抗多径干扰才干强等一系列优点。l 由于DS-UWB系统发射的脉冲信号是经过频移了的，不存在低频分

48、量，容易满足FCC的频谱限制，与其它无线通讯系统共存性较好。l DS-UWB方案为了防止与802.11a等窄带通讯系统产生相互关扰，特别取3.1GHz10.6GHz频谱范围的3.1GHz-4.9GHz低频段和6.2GHz-9.7GHz高频段作为任务频段，避开了802.11a的任务频带，进一步提高了与其它无线通讯系统共存性。l 综合上述分析，可以得到这样的结论，DS-UWB保管了IR-UWB的优点，抑制了IR-UWB难以满足FCC功率辐射限制的缺陷，可以很好地与现有的通讯系统共存。DS-UWB的研讨点的研讨点l 重点为“脉冲成形，即脉冲波形的设计及对应脉冲波形的产生。l 调制技术，如何保证高速，

49、如M-BOK和变长度的扩频码。l 同步技术。2.3 MB-UWBl MB-UWB是运用正交频分复用OFDM技术构成528MHz带宽的信号，满足FCC的绝对带宽大于500MHz的条件，也属于超宽带技术，但完全不同于前述的IR-UWB、DS-UWB。 OFDM技术技术 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用，是多载波调制技术运用于无线传播环境中的典型代表。其根本思想是将信号流划分成多路子数据流，再去并行调制多路载波。其子载波的频谱虽然重叠但坚持了良好的正交性，故称其为正交频分复用。它是频谱利用率最高的一种频分复用方式。OFDM

50、技术由于其抗时延弥散和抗多径衰落的技术优势和简单构造的易实现性而成为新一代无线接入方式中的佼佼者。一、一、OFDM技术的演进技术的演进l FDM技术l 频分复用FDM技术是将多个低速率的信号分别调制在不同的载波频率上进展传输，在接纳端再运用一组带通滤波器来分别出各个信号。l 为了在接纳端可以比较容易地将不同载波上的信号区分开来，各个载波频率之间必需有足够的间隔，来保证信号频谱不会相互交叠。l 这种技术简单、直接，但不同载波之间要留有频带间隔，所以频谱利用率很低。频分复用多载波调制正交频分复用l多载波调制技术l多载波MultiCarrier Modulation，MCM调制技术是运用不同频率的载

51、波来传送单个高速率的信号的不同比特，而不是分别传输不同的信号。也就是说，将信号并行传输。lMCM技术的根本思想是把数据流串并变换为N 路速率较低的子数据流，用它们分别去调制N 路子载波后并行传输。l由于子数据流的速率是原来的1/N ,即符号周期扩展为原来的N 倍，远大于信道的最大延迟扩展Smax，这样MCM就把一个宽带频率选择性信道划分成了N个窄带平坦衰落信道，使平衡变得简单，且具有很强的抗无线信道多径衰落和抗脉冲干扰的才干，特别适宜于高速无线数据传输。但同FDM类似的是，传统的多载波通讯系统中，整个系统频带被划分为假设干个相互分别的子信道。各载波之间有一定的维护间隔，接纳端经过滤波器把各个子

52、信道分别之后接纳所需信息。这样虽然可以防止不同信道间的相互关扰，但频带利用率依然很低。而且当子信道数量很大的时候，设置大量用于分别各子信道信号的滤波器几乎是不能够实现的。l正交频分复用技术lOFDM是多载波调制技术的一种。它的子载波在时域相互正交，在频域相互混叠，因此它除了具有上述MCM的优势外，还具有更高的频谱利用率。lOFDM系统将要传输的数据经过串并变换分配到假设干正交的子载波上，每个子载波在一个符号时间内有整数个载波周期，且每个子载波的频谱零点都和相邻载波的零点重叠，子载波间的相互关扰很小见后图，而且信道衰落引起的突发误码被分散到不相关的子信道上，成为随机性误码，有效地降低了码间干扰带

53、来的影响。对每个子载波完成调制以后，为了添加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，OFDM系统采用了HomePlug处置技术，对一切将要发送的信号载波合并，把各单个信号合并成一个独立的传输信号进展发送。解调输出d(1)d(0)D(t)d(N-1)ej1tej0tej(N-1)td(1)d(0)SP+高速串行数据信道e-j0te-j1te-j(N-1)td(N-1)PSOFDM的原理框图二、二、OFDM原理分析原理分析l 在发送端，高速串行码元序列先进展串并变换，然后N路子码元d(0)，d(1)，.，d(N-1)，分别被调制在正交的N个频率分别为f(0)，f(1)，.，f(N-1)的子载波上图中k=

54、2fkt ，最后将N路调制信号相加发送出去。l 在接纳端，首先对接纳信号进展采样，然后用N个一样的子载波进展N路解调，再将这N路解调信号经过并串变换输出，恢复出发送的原始信号。l N个正交子载波频率f(k)=f(0)+k/Tb，k=0,1,.,N-1 ,其中f(0)为实践发射载波频率，Tb为符号周期，而1/Tb为子载波间隔。 1/Tb 是两个载波正交的最小间隔假设载波的单元信号为： 那么有： 可以看出子载波是相互正交的。其他 , 00 ,2 cos)(bkKTttftP nmnmTdttPtPbTmnb 0 0调制后的合成传输信号 D(t) 为： NnKjNnKTNTnjbendendKTDb

55、b/ 210 2)()(1 - N k 0 )( ndIDFTN , 0 10 2 bNnnttndtDtfje设f(0)=0，对信号进展抽样t=kTb代入上式有：由于信号进展N路的串并变换之后，单个子载波信号的符号周期为NTb，子载波间隔为1/(NTb)， f(n)=f(0)+n/NTbl 可以看到D(k)是d(n)的IDFT(傅立叶逆变换)，接纳端在理想情况下d(n)是D(k)的DFT(傅立叶变换)。l 按照OFDM技术的调制原理，要用N个正交的子载波分别调制N路子信道码元序列，但实践运用中要独立产生N个正交的子载波是相当有难度的，也正由于如此OFDM技术在出现早期并没有遭到人们的注重。1

56、 N 0 )( )( )(10/ 2kkDDFTekDndNnNknjl 但根据以上分析可以得出结论，采用DFT算法可以替代多载波的调制和解调。而且运用DFT算法实现OFDM时N个子载波自然正交，防止了采用本振产生各子载波调制和解调时的子载波频偏。当子载波数目比较多的时候，采用DFT算法也不会添加系统的复杂度。l 另外采用DFT算法实现OFDM还有一个显著的优点，就是DFT算法可以用FFT实现，有效地提高了OFDM调制解调的速度。而且随着数字信号处置技术不断开展，FFT的硬件实现越来越容易，这使得OFDM调制解调的实现变得更简单，也更适用。l 所以虽然还是频分复用，但比起过去的FDM曾经有了相

57、当大的技术突破，不再是经过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处置。这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。三、OFDM技术性能 由于信号独特的产活力制，OFDM技术有着许多单载波和传统多载波系统没有的优点。抗干扰才干强 OFDM技术可以有效地消除符号间干扰。当用于无线通讯时，它可以有效地抑制由多径效应导致的信道时延扩展对数据的影响，因此其特别适用于高速无线通讯。OFDM技术采用多个并行子载波传输数据，利用了信道的频率分集特性。因此，OFDM系统经过子载波间的信道编码可以有效地抑制频率选择性衰落或单频干扰对系统的影响。w频带利用率高w在OFDM系统中，各个子载波的频谱是重叠的，其频谱是sinc

58、函数，在频域上可以很好的保证不同的子载波信号的正交性如图2-10所示，而没有信道间干扰(ICI)的发生，同时提高了系统的频带利用率。w可以灵敏地运用频带资源wOFDM系统可以在各个子载波间进展灵敏的传输速率和功率分配，从而可以更好的利用信道资源。wOFDM系统构造简单，容易实现w OFDM系统的调制解调可以经过IFFT和FFT来实现，而且具有优良的抗多径干扰性能和直观的信道估计方法，所以不需求像单载波系一致样设计复杂的平衡器，大大简化了系统。l但OFDM系统同样存在本身难以处理的缺陷：l信号呈现很大的峰均功率比PAPR，比单载波系统需求更宽的线性范围。l由于采用 DFT算法实现调制和解调，所以

59、对载波频率偏移、相位噪声和非线性放大非常敏感。假设要防止信号失真和频谱扩展，就需求动态范围很大的线性放大器。如何降低信号的峰均功率比是OFDM技术中的一个难点。lOFDM的子载波必需满足正交性，假设正交性恶化，那么整个系统的性能会严重下降，就会产生OFDM特有的子载波间串扰。l在实践任务中由于无线衰落信道的时变性，往往会呵斥频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载波频率正交性。如何实现子载波的准确同步是OFDM技术中的另一个难点。四、四、OFDM的实现的实现输入串/并变换星座 映射IFFTD/ALPF上变频输出OFDM信号产生原理图阐明：OFDM一种正交频分复用技术，只需结合了调制技术才干将信

60、号发射出去。 由于IFFT是数字处置技术，调制采用星座映射实现。OFDM每个子载波所运用的调制方法可以不同。输出并/串变换解星座 映射FFTA/DLPF下变频输入OFDM信号接纳原理图 由于OFDM调制可以用IFFT实现，OFDM解调可以用FFT实现，只需能实现IFFT/FFT算法都能实现OFDM。OFDM的实现主要有以下三种方法：实现IFFT/ FFT的公用途置器FPGA 现场可编程门阵列实现DSP实现The radix-24 structure of FFT processor12345248161234524816NNNNnnnnnnkkkkkk1654321111111234512345248160000