通信新技术(改良版)

通信新技术毛兴鹏2011.081哈尔滨工业大学（威海）通信工程系主要内容0.通信技术概述1.移动通信概述2.CDMA技术3.UWB技术4.3G/4G新技术OFDMMIMOIDMA5.光通信技术6.物联网技术2哈尔滨工业大学（威海）通信工程系0.通信技术概述什么是通信发展简史通信的分类通信和雷达的区别51和52的区别通信研究的热点：无线、光通信研究的难点：高速、高效、特殊条件通信（水下、深空等）3哈尔滨工业大学（威海）通信工程系0.通信技术概述我们能做什么？科研：考研、考博、出国留学企业：运营商、制造商、相关企业专业不相关是不是白学了？相关的技术通信原理、计算机技术、信号处理技术该怎么做听课、扩展知识面、找工作或考研、毕业设计4哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述无线通信的发展历史60年代中年代中,Bell,IMTS(Improved Mobile Telecommunication Service):FM调制,2530kHz带宽传输一路话音。60年代末年代末70年代年代,蜂窝蜂窝(cellular)电话电话:将一个大区域划分为几个小区(cell),美国：AMPS(AdvanceMobilePhoneSystem)系统欧洲：TACS(TotalAccessCommunicationSystem)系统等可向用户提供商业服务的模拟系统。频率资源有限是移动通信频率资源有限是移动通信所面临的最大的问题所面临的最大的问题。5哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述无线通信的发展历史cont.90年代第二代初蜂窝移动通信系统DAMPS,GSM,IS-95,CDMA系统3G：WCDMA,CDMA2000,TDS-CDMA4G:?6哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述无线通信的多址技术频分多址时分多址码分多址空分多址7哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述多径效应反射波或散射波在接受地点形成干涉场使信号产生深度快速的衰落8哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述阴影效应障碍物遮挡直射波引起接收信号的变化，表现为慢衰落。移动台不断移动，电波传播路径上的地形、地物不断变化，造成信号的变化，这种变化比多径效应的衰落慢的多。衰落储备衰落储备9哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述对抗快衰落-分集技术空间分集：空间分集：多天线独立接收，合并输出（CCIR建议：天线间距大于0.6，最好为0.25的奇数倍）时间分集：时间分集：频率分集：频率分集：用多个频率传同一信号极化分集极化分集:EX/EY分量分集衰落的表现：衰落的表现：空间上一定区域信号有强有弱，空间上一定区域信号有强有弱，频率上选择性衰落。频率上选择性衰落。分集技术：将多个相关性很差分集技术：将多个相关性很差的信号按照一定方式合并。的信号按照一定方式合并。空间分集针对衰落在空间上的表现，频率空间分集针对衰落在空间上的表现，频率分集针对衰落在频率上的表现。分集针对衰落在频率上的表现。10哈尔滨工业大学（威海）通信工程系Question：在室内用收音机听广播，为了接受更好的效果需要移动收音机，调整天线方向和天线长度，分别是为什么？Answer：在室内，障碍物多增强了多径的影响，移动收音机找到信号增强的点，调整天线方向与广播发射时的极化方向相同，调整天线长度使其与特定波长的广播相匹配。11哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述跳频技术发射机发射的频率不断跳变，使包含字码部分的所有突发脉冲在两个完全独立(相距1MHz)的频率上传输由于不同频率的信号遭受衰落的影响不同，消除衰落对信号的影响，提高系统的抗干扰能力跳频的同时，实现了频分复用。跳频的同时，实现了频分复用。12哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述远近效应产生：假定每个移动台发射功率相同，则距基站近的移动台信号会淹没距离远的移动台信号（信号强度差3070dB）解决：使距离基站远的移动台信号强，距离基站近的移动台信号弱范围：CDMA系统（同频）影响大 对于对于GSM等系统几乎不产生影响的原因是，这些系统多是采用等系统几乎不产生影响的原因是，这些系统多是采用FDMA和和TDMA，在时间上或者频率上就可以区分信号，但是对于，在时间上或者频率上就可以区分信号，但是对于CDMA系统，其在系统，其在时间和频率上无法区分，因此受到的影响很大。时间和频率上无法区分，因此受到的影响很大。13哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述多普勒效应多普勒频移：fi=v/cosii是返回的信号与移动台运动方向之间的夹角。V为车速，为波长。最大多普勒频移：？（对于深空通信影响很大）（对于深空通信影响很大）由于多普勒效应的存在，使得接收机的中心频率不可能很固定，由于多普勒效应的存在，使得接收机的中心频率不可能很固定，必须要能够容忍一定的频率范围。必须要能够容忍一定的频率范围。14哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述蜂窝技术1969年，Bell实验室实验室把整个大范围的无线服务区划分成彼此相邻的正六边形小区，每个小区设置基站。每个基站使用多个无多个无线电频率线电频率作为通信信道，各相邻基站使用不同的无线电频率。（革命性的作用）（革命性的作用）15哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述越区切换位置更新移动台在同一个基站控制下的不同小区间切换移动台在两个基站之间进行移动移动台在两个交换局之间进行移动越区切换过程：移动台离基站较远时，传输质量急剧下降，移动台通过语音信道向BSS发送自己信号强弱信息，以及一些信令信息，BSC根据这些信息对移动台进行定位，并比较相邻基站的信号，决定是否进行切换。16哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述越区切换软切换硬切换设置一个窗口比较器，设置一个窗口比较器，避免频繁切换。避免频繁切换。17哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述频率分配GSM系统采用TDMA技术，每个载频可分为8个信道,即:1个频道包含8个信道频道号n(1124);信道号m(1992)18哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述频率分配-GSM1800MHz工作频段17101785MHz移动台发射、基站接收18051880MHz移动台接收、基站发射双工间隔95MHz，频带带宽75MHz，相邻频道间隔200KHz。频道序号n:512885（移动：512559前10MHZ；联通：687736后10MHZ）Fl(n)=1710.2+（n512）*0.2(MHZ)Fh(n)=1805.2+（n512）*0.2(MHZ)双工通信，用户本身的收发相互干扰大，因此双工间隔很大。而邻道干扰发生在两用双工通信，用户本身的收发相互干扰大，因此双工间隔很大。而邻道干扰发生在两用户之间，互相干扰相对较小，因此邻道间隔也较小。户之间，互相干扰相对较小，因此邻道间隔也较小。19哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述频率分配-CDMA上行：825835MHz下行：870880MHz频道间隔：1.25MHz双工间隔：45MHz20哈尔滨工业大学（威海）通信工程系1.移动通信概述频率分配-3GFDD工作方式：上行：19201980MHz下行：21102170MHz补充工作频段:17551785MHz/18501880MHzTDD工作方式：上行：18801920MHz下行：20102025MHz补充工作频段:23002400MHz21哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术两项核心技术两项核心技术码分多址技术：码分多址技术：为每一个用户分配唯一的序列码(地址码)该地址码有很强的自相关性和互相关性。扩频技术：扩频技术：在发送端，用一高速伪随机码与数字信号相乘，扩展了传输带宽，在接收端解扩。多址技术多址技术区分用户区分用户CDMA是实现扩频通信的方法之一是实现扩频通信的方法之一22哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术码分多址技术基本原理发端：利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加）进行地址调制后输出收端：以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对收到的信号进行相关检测，提取与本地地址码一致的信号PN码：产生容易，数量很多码：产生容易，数量很多积分结束时采样积分结束时采样T积分不总为零积分不总为零23哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术例：设系统有4个用户（n=4），各用户的地址码分别为W1=1，1，1，1、W2=1，-1，1，-1、W3=1，1，-1，-1、W4=1，-1，-1，1；在某一时刻用户信息数据分别为d1=1、d2=-1、d3=1、d4=-1。经过地址调制后输出信号为S1 S4；接 收 端 用 户2解 调 信 号 为J1 J4积分电路的实质是低通滤波器，起到平滑的作用，有效抑制噪声。积分电路的实质是低通滤波器，起到平滑的作用，有效抑制噪声。典型的典型的RC电路中，电路中，C不宜过大不宜过大保持时间短，也不宜过小保持时间短，也不宜过小保持时间太短。保持时间太短。24哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术1个数据个数据N个码长个码长扩频扩频N倍倍“同步同步”问题问题MAI（多址干扰）：基站接收手机信号时（多址干扰）：基站接收手机信号时为了解决为了解决MAI，设想让所有的，设想让所有的Wk都同步：都同步：下行链路，让所有下行链路，让所有WK都同步，是可以做到的；都同步，是可以做到的；上行链路，发送时间和距离无法控制，因此不能实现。上行链路，发送时间和距离无法控制，因此不能实现。25哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术系统要求有足够多的地址码有足够多的地址码，地址码间有良好的自相关特性和互相关特性各接收端必须产生与发送端一致的本地地址码本地地址码，且在相位上完全同步同步 网内所有用户使用同一载波、相同带宽同时收网内所有用户使用同一载波、相同带宽同时收发信号发信号，使系统成为一个自干扰系统，为把各用户间的相互干扰降到最低，码分系统必须和扩频技术扩频技术相结合相结合，为接收端的信号分离作准备26哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术扩频通信系统的概念一种信息传输方式，其系统占用的频带宽度远大于要传输的原始信号的带宽（或信息比特率），且与原始信号带宽无关在发送端发送端，频带的展宽是通过编码及调制（即扩频）来实现的；在接收端接收端用与发送端完全相同的扩频码进行相关解调（即解扩）来恢复信息扩频技术的作用提高通信的抗干扰能力，即使系统在强干扰条件下也能安全可靠地通信调频不是扩频调频不是扩频PS:通信时要做到信号与信道匹配（如上变频、调制解调）通信时要做到信号与信道匹配（如上变频、调制解调）一种不需要调制的系统：音频广播系统一种不需要调制的系统：音频广播系统27哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术香农定理:C=W*log2(1+S/N)Bit/sC表示信道容量(最大传输速率）W为系统带宽系统处理增益Gp系统占用带宽W与所传送信息的带宽B之值。即：Gp=W/BGp在100以上是扩频通信Gp在50以上为宽带通信Gp在12为窄带通信28哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术基本原理扩频：用一个带宽比信息带宽宽得多的伪随机码（PN码）对信息数据进行调制解扩：将接收到的扩展频谱信号与一个和发端PN完全相同的本地码相关检测收到的信号与本地PN相匹配时，信号恢复到其扩展前的原始带宽不匹配的输入信号被扩展到本地码的带宽或更宽频带29哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术频谱变换在扩频过程中由于信号的相关性，使其在扩频过程中由于信号的相关性，使其汇聚，同时因为噪声的不相关性，其不汇聚，同时因为噪声的不相关性，其不会累加。而扩频对噪声不起作用。会累加。而扩频对噪声不起作用。扩频作用：提高信噪比，抑制窄带干扩频作用：提高信噪比，抑制窄带干扰，抑制同类扩频系统。扰，抑制同类扩频系统。两个扩频系统：码相关两个扩频系统：码相关减少干扰，减少干扰，码不相关码不相关再次扩频。再次扩频。30哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术扩频通信原理框图尽可能大的输出尽可能大的输出功率，阻抗匹配功率，阻抗匹配低噪声功率放大低噪声功率放大同步同步分段实验分段实验 粗同步：以脉冲宽度为单位移动粗同步：以脉冲宽度为单位移动 (完成位同步完成位同步)细同步：以采样点为单位移动细同步：以采样点为单位移动 （完成码片同步）（完成码片同步）31哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术性能指标处理增益GpGp=W/B扩频通信系统信噪比改善程度扩频通信系统的抗干扰性能和处理增益成正抗干扰性能和处理增益成正比比：处理增益增大，系统接收端解扩后，在单位带宽内干扰信号的功率与有用信号的功率值差值增大，抗干扰能力就增强32哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术干扰容限干扰容限Mj=Gp-(Ls+(S/N)0)在保证系统正常工作的条件下（即保证输出端有一定的信噪比），接收机输入端能承受的干扰信号比有用信号高出的分贝数反映了扩频系统接收机允许的极限干扰强度接收机允许的极限干扰强度扩频目的：让原来不能接受信号的系统可以接收信号扩频目的：让原来不能接受信号的系统可以接收信号CDMA系统允许信号功率比噪声功率低系统允许信号功率比噪声功率低 原因：得到的原因：得到的S/R（Bit）=S/R(Chip)+GP 以以dB为单位为单位 AGC（自动增益控制）（自动增益控制）电路可以实现在不同时刻，取不同增益来同时接受功率不电路可以实现在不同时刻，取不同增益来同时接受功率不同的信号，即将大小不同的输入转换成恒定输出。若接收信号功率相差过大，则同的信号，即将大小不同的输入转换成恒定输出。若接收信号功率相差过大，则不能再利用不能再利用AGC，原因是，原因是AGC可能造成小信号被大信号淹没，或者大信号使放大可能造成小信号被大信号淹没，或者大信号使放大器处于饱和状态而失去放大能力，此时应采用器处于饱和状态而失去放大能力，此时应采用对数放大器对数放大器。当然可以利用这个特。当然可以利用这个特点完成点完成脉冲增益饱和攻击脉冲增益饱和攻击。对数：将大范围压缩到小范围对数：将大范围压缩到小范围由来：人对声音的感觉。由来：人对声音的感觉。对数放大器对数放大器有对数功能的器件有对数功能的器件利用二极管伏安特性曲线（指数形式求逆）利用二极管伏安特性曲线（指数形式求逆）33哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术扩频通信系统的特点：扩频通信系统的特点：抗干扰能力强抗干扰能力强扩展频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力越强保密性好保密性好有用信号被扩展在很宽的频带上，单位频带内的功率很小，淹没在噪声里，非法用户很难检测出信号可以实现码分多址可以实现码分多址可利用扩频码的优良的自相关和互相关特性实现码分多址，提高频率利用两点通信考虑的因素：当两点通信考虑的因素：当P发发、接收机灵敏度一定时，为了实现通信可以采用定向、接收机灵敏度一定时，为了实现通信可以采用定向天线，增大天线尺寸，加功率放大器。如果仍然不行，可考虑扩频技术，以及更天线，增大天线尺寸，加功率放大器。如果仍然不行，可考虑扩频技术，以及更换发送机和接收机。换发送机和接收机。计算通信距离时，至少留有计算通信距离时，至少留有5-8dB的的余量来对抗多径、镜像、以及天气等余量来对抗多径、镜像、以及天气等带来的影响。带来的影响。34哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术扩频通信系统的特点扩频通信系统的特点cont.：抗多径干扰抗多径干扰接收端用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多径信号合成，变害为利，提高接收信噪比能精确定时和测距能精确定时和测距利用电磁波的传播特性和伪随机码的相关性，可以比较正确地测出两个物体间的距离多径中的延迟一般由环境决定，为了能够分开接受多径信号，希望脉宽越窄越好。而多径中的延迟一般由环境决定，为了能够分开接受多径信号，希望脉宽越窄越好。而CDMA依靠码片天然具有抗片外多径的能力，但是无法抗片内多径干扰。依靠码片天然具有抗片外多径的能力，但是无法抗片内多径干扰。定时和测距的准确性取决于脉冲的宽度定时和测距的准确性取决于脉冲的宽度越窄越好，可使定时误差减小，测距更准，越窄越好，可使定时误差减小，测距更准，物体形状更清晰。但存在问题：脉宽越小，能量不够，也会导致探测不准确。物体形状更清晰。但存在问题：脉宽越小，能量不够，也会导致探测不准确。卷积的由来卷积的由来测距时，物体形状带来的效果。测距时，物体形状带来的效果。目前普遍采用的授时系统：目前普遍采用的授时系统：GPS提供标准信号源。提供标准信号源。35哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术扩频通信的种类：扩频通信的种类：直接序列直接序列(DS)系统：系统：用一高速伪随机序列与信息数据相乘，由于伪随机序列的带宽远大于信息带宽，扩展发射信号的频谱（DC-CDMA系统）跳频跳频(FH)系统：系统：在一伪随机序列的控制下在一伪随机序列的控制下，发射频率在一组预先指定的频率上按规定顺序离散地跳变，扩展发射信号的频谱脉冲线性调频脉冲线性调频(Chirp)系统：系统：系统载频在一给定的脉冲间隔内线性扫过一个宽频带，扩展发射信号频谱跳时跳时(TH)系统：系统：与跳频系统类似，区别在于该系统是用一伪随机序列控制发射时间和总发射时间的长短混合系统混合系统（DS+FH）在民用方面可以减少对其它系统的干扰在民用方面可以减少对其它系统的干扰扩频系统特点：将一个扩频系统特点：将一个数据分成数据分成N个伪随机码对个伪随机码对应的数据进行传送，提应的数据进行传送，提高系统的容量。高系统的容量。改善系统容量的实质：使信改善系统容量的实质：使信号具有更多白噪声的特点，号具有更多白噪声的特点，这样系统容量才能更加接近这样系统容量才能更加接近香农定理所提出的理论值。香农定理所提出的理论值。目前，目前，4G系统中有天然的技系统中有天然的技术术IDMA（交织多址）使信（交织多址）使信号具有白噪声的一些特点。号具有白噪声的一些特点。ft应用应用:测速雷达（频率差测速雷达（频率差混频；两次混频；两次Fourior变换，一阶得到距离，二阶得到速度）变换，一阶得到距离，二阶得到速度）电子狗（专门探测测速雷达信号）电子狗（专门探测测速雷达信号）36哈尔滨工业大学（威海）通信工程系直接序列扩频通信系统DSSS即直扩系统DS、伪噪声扩频系统带宽由带宽由PN码确定码确定跳频跳频扫频：用扫频：用B大的脉大的脉冲扫，速度快；冲扫，速度快；B小则速小则速度慢。当只让信号的功率度慢。当只让信号的功率略高于噪声功率时，若略高于噪声功率时，若B大，则信噪比下降，无法大，则信噪比下降，无法检测信号。最好是用的脉检测信号。最好是用的脉冲冲B与有用信号相当。与有用信号相当。核潜艇通信：超长波核潜艇通信：超长波-浮球浮球（延时发送）（延时发送）-采用混合系采用混合系统，使中心频率跳变，隐统，使中心频率跳变，隐蔽性增强蔽性增强-突发（压缩、打突发（压缩、打包，高速通信）包，高速通信）潜艇采用激光通信的前提潜艇采用激光通信的前提是航母舰队。是航母舰队。37哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术实际作用的地址码与扩频码理想的地址码和扩频码不存在Walsh码是正交码，具有良好的自相关性和处处为零的互相关性，但由于码组内各码所占频谱带宽不同等原因，不能作扩频码使用（在CDMA系统中用作地址码）常作扩频码的是伪随机序列真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生用一种周期性的脉冲信号近似随机噪声的性能vPN具有类似白噪声的特性被用作扩频码vPN准正交会使系统性能受到一定的影响常用的PN：m序列和Gold序列38哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术移动通信系统中存在的不确定因素：收发信机间的距离距离引起的传播延迟产生的相位相位差差收发信机时钟时钟频率的相对不稳定不稳定引起的频差收发信机相对运动引起的多普勒频率偏移多普勒频率偏移多径效应引起的频率和相位的变化等扩频通信系统中的同步载波同步、位同步、帧同步伪码同步：实现本地PN与接收信号中的PN的同步，即频率上相同，相位上一致频率频率稳频系统，实现载频同步；相位稳频系统，实现载频同步；相位需要时间同步。需要时间同步。帧帧 比特（比特（bit）码片（码片（chip）载波载波：要完成四个级别上的分别同步：要完成四个级别上的分别同步 帧：电视机帧：电视机PAL奇偶场、隔奇偶场、隔行扫描行扫描逐行扫描，清晰度更逐行扫描，清晰度更好（好（DSP等技术的完善）等技术的完善）39哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术同步过程第一阶段是捕获阶段搜索对方的发送信号，把对方发来的PN与本地PN在相位上纳入可保持同步的范围内(即在一个PN码元内)第二阶段是跟踪阶段收发两端PN的频率和相位发生较小偏移时，同步系统都能自动调整，使收、发双方的PN保持精确同步系统一般按照“载频捕获伪码捕获伪码跟踪载频跟踪”的顺序来建立同步分为两个阶段的目的：解决同步时间和精度的矛盾。分为两个阶段的目的：解决同步时间和精度的矛盾。这种思想可以应该在一些扫描的场合下。这种思想可以应该在一些扫描的场合下。40哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术DS系统：系统：IS-95CDMA通信原理通信原理发送端：模拟话音经A/D变成9.6kbit/s的二进制数据，通过1.2288Mc/s高速率的PN扩频调制（信道中传输信号的带宽远远大于原始信号本身的带宽）接收端：接收机利用本地伪随机序列进行相关解扩，还原原始窄带信号，通过窄带滤波器，恢复话音数据，再通过D/A转换，恢复为原始话音系统主要由调制、扩频、解扩、解调等构成保证相关检测，接收端:载波同步+地址码同步地址码正交性要好，码数量要多41哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术下行链路先合路，在调频：实现发先合路，在调频：实现发送端多路信号的同步。送端多路信号的同步。在接收端易于实现所有在接收端易于实现所有PN码的同步，使伪随机性最大程码的同步，使伪随机性最大程度体现，自己的接受和对别人的抑制都达到最好。度体现，自己的接受和对别人的抑制都达到最好。42哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术功率控制功率控制自干扰系统，通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小C=W*log2(1+S/N)Bit/sMS信号功率太低，误比特率太大，无法保证通信质量MS信号功率太高，会对其它MS增加干扰，导致整个系统的通信质量恶化、容量减小CDMA蜂窝系统中，为了解决远近效应问题，同时避免对其它用户过大的干扰，必须采用严格的功率控制类型：类型：反向开环功率控制、反向闭环功率控制、正向链路功率控制适合功率变化较慢的情况，即对实时性要求不高的系统。适合功率变化较慢的情况，即对实时性要求不高的系统。在实际的应用系统中，大多在实际的应用系统中，大多满足功率变化慢的要求；并满足功率变化慢的要求；并且无线通信允许出现一定的且无线通信允许出现一定的掉话情况，因此在目前的系掉话情况，因此在目前的系统中采用了功率控制。统中采用了功率控制。43哈尔滨工业大学（威海）通信工程系2.CDMA技术CDMA通信的优点系统容量大：GSM系统45倍软容量：以误码为代价，增大系统容量。软切换：先接通后切断可进行多址通信、安全保密性好抗干扰能力强、抗多径干扰高通话质量和低发射功率：功率控制技术话音激活技术：不讲话时降低数据速率44哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术References:J.H.Reed.AnIntroductiontoUltraWidebandCommunicationSystems.由来由来解决频率资源有限的问题：解决频率资源有限的问题：认知无线电（有空就用）：频谱感知，寻找频谱空穴认知无线电（有空就用）：频谱感知，寻找频谱空穴-建立工作频点进行通信建立工作频点进行通信-同时同时检测其他信号，此频点一旦被使用（有许可的系统），立即转向其他空闲频点。检测其他信号，此频点一旦被使用（有许可的系统），立即转向其他空闲频点。UWB（超宽带技术）：加入的系统不会对其它系统造成影响（超宽带技术）：加入的系统不会对其它系统造成影响-使能量尽可能低，与使能量尽可能低，与噪声相匹配噪声相匹配-要求带宽非常宽（更接近白噪声），于是单位频带能量很低要求带宽非常宽（更接近白噪声），于是单位频带能量很低-时域脉宽很时域脉宽很窄的系统。窄的系统。UWB特点及应用：雷达特点及应用：雷达具有穿透能力具有穿透能力 WUSB认知无线电：认知无线电：Cognitive Radio超宽带：超宽带：Ultra Wideband45哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.1Introduction3.1.1OverviewWhatisUWB?canbebroadlyclassifiedasanycommunicationsystemwhoseinstantaneousbandwidthismanytimesgreaterthantheminimumrequiredtodeliverparticularinformation.Development:ThefirstUWB:MarconiSparkGapEmitterAlltheusersefficientlysharethecommonspectralresourcecarrier-basedcommunicationOperateunlicensedUWBsystemsconcurrentwithexistingnarrowbandsignals2002,FCC(FederalCommunicationsCommission)“火花火花”就是就是UWB信号信号汽车发动机相当于超宽带信号汽车发动机相当于超宽带信号源源46哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术DifferencebetweenUWBandNarrowBand(NB)systems1.Largeinstantaneousbandwidthenablefinetimeresolutionfornetworktimedistribution,precisionlocationcapability,oruseasaradar2.Shortdurationpulsesareabletoproviderobustperformanceindensemultipathenvironmentsbyexploitingmoreresolvablepaths.3.LowpowerspectraldensityallowscoexistencewithexistingusersandhasaLowProbabilityofIntercept(LPI).4.Dataratemaybetradedforpowerspectraldensityandmultipathperformance.窄脉宽有利于时间分集窄脉宽有利于时间分集多径效应强多径效应强降低数据率降低数据率拉伸脉冲之间的间隔，减小多径影响拉伸脉冲之间的间隔，减小多径影响47哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术LargeRelative(andAbsolute)BandwidthNarrowband(30kHz)WidebandCDMA(5MHz)UWB(SeveralGHz)FrequencyPart15Limit RF energy is spread over gigahertz of spectrumRF energy is spread over gigahertz of spectrum Wider than any narrowband system by orders of magnitudeWider than any narrowband system by orders of magnitude Power seen by a narrowband system is a fraction of the totalPower seen by a narrowband system is a fraction of the total Designed to look like imperceptible random noise to Designed to look like imperceptible random noise to conventional radiosconventional radios48哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术FCCdefinesUWBasasignalwitheitherafractionalbandwidthof20%2(fH-fL)/(fH+fL)ofthecenterfrequencyor500MHz(whenthecenterfrequencyisabove6GHz).Twomainproblemsfaced:Howdoesaparticularuserrecoveraparticulardatastream?Howdoaretheusersefficientlysharethecommonspectralresource?CanaUWBsystembebuiltwithasufficientperformanceorcostadvantageoverconventionalapproachestojustifytheeffortandinvestment?“相对带宽相对带宽”49哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.1.2BriefHistoryThemodernerastartedintheearly1960s(Harmuth);Amajorbreakthroughoccurredin1960s(TektronixandHewlett-Packard,samplingoscilloscope);Thefirstground-penetratingradarcommercializedin1974(Morey);NomenclatureUWBiscreatedaround1989(theDepartmentofDefense);AmultipleaccesstechniqueforUWBcommunicationsystemin1993(RobertScholtz,UniversityofSouthernCalifornia)FirstFCCcertifiedcommercialsystemwasinstalledin2003,andthefirstFCC-compliantcommercialUWBchipsetwereannounced.50哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.1.3TypesofUWBsignalsImpulseUWB(I-UWB)Nocarrier,thetransmitsignalisaseriesofbasebandpulses.Fig.1.1ComparisonoftheBandwidthofNBandUWBsystemsUWB单脉冲信号很难产生，要求单脉冲信号很难产生，要求t非常窄非常窄用高斯脉冲近似（有波形误差）用高斯脉冲近似（有波形误差）利用充放电产生利用充放电产生为了提为了提高速度，就要降低电压，这高速度，就要降低电压，这样就会造成能量很低样就会造成能量很低用高斯脉冲原因：其一阶、二阶微分都很好求。用高斯脉冲原因：其一阶、二阶微分都很好求。天线一般不具备超宽带特性，天线一般不具备超宽带特性，UWB信号信号通过天线相当于进行一次微分。通过天线相当于进行一次微分。51哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术MulticarrierUWB(MC-UWB)OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)正交：一组波形达到最大值，其它波形为零正交：一组波形达到最大值，其它波形为零在最大处取值在最大处取值存在问题：采样点准确性存在问题：采样点准确性定时准、频率准（多普勒频移定时准、频率准（多普勒频移适合低速平移物体）适合低速平移物体）更容易实现与窄带系统的兼容更容易实现与窄带系统的兼容52哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术RelativeMeritsofImpulseVersusMulticarrierSpreadspectrum(SS)canbeappliedtoreducetheimpactofinterferenceonUWBsystemforbothformsofUWB.MC-UWBiswell-suitedforavoidinginterferencetoorfromNBsystems;MC-UWBprovidesmoreflexibilityandscalability.ImplementingaMC-UWBcanbechallenging,continuousvariationsinpower,high-speedFFTprocessing.53哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术RelativeMeritsofImpulseVersusMulticarrier(continued)I-UWBsignalsrequirefastswitchingtimesforthetransmitterandreceiverandhighlyprecisesynchronization.HighinstantaneouspowerduringthebriefintervalofthepulsehelpstoovercomeinterferencebutincreasesthepossibilityofinterferencefromUWBtoNBsystems.RFfront-endmayresembleadigitalcircuit,problemsassociatedwithmixed-signalintegratedcircuits.SimpleI-UWBsystemscanbeveryinexpensivetoconstruct.54哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术5classesofdevicesDifferentlimitsforeach:ImagingSystems1.Groundpenetratingradars(GPR探地雷达),wallimaging,medicalimaging2.Thru-wallImaging&SurveillanceSystemsCommunicationandMeasurementSystems3.IndoorSystems4.OutdoorHand-heldSystemsVehicularRadarSystems（车载雷达系统）5.collisionavoidance,improvedairbagactivation,suspensionsystems,etc.55哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术ApplicationFrequency Band for Operation at Part 15 LimitsUser RestrictionsImaging3.1to10.6GHz(GPR960MHz)YesThrough-wallandSurveillance1.99to10.6GHzYesCommunications(indoor&outdoor)*3.1to10.6GHzNoVehicular24to29GHzNo频率高，波长短频率高，波长短分辨率高；频率低，波长长分辨率高；频率低，波长长穿透力强。穿透力强。波长在波长在mm量级量级毫米波防撞雷达毫米波防撞雷达中波电台广播：中波电台广播：565-1605kHzWLAN：f太高，绕射能力差；太高，绕射能力差；f太低，带宽不容易做宽，通太低，带宽不容易做宽，通信速度慢信速度慢广播电视频段（黄金频段）广播电视频段（黄金频段）WiMax56哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术UWB Emission Limit for Indoor SystemsUWB频谱不是一样高的频谱不是一样高的此处有易受此处有易受影响的系统影响的系统此处没有易受影响的系统此处没有易受影响的系统有两个台阶有两个台阶旁瓣作用旁瓣作用室外系统系统发射功率需要更低室外系统系统发射功率需要更低保证保证GPS系统不受影响系统不受影响57哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.2WhatmakesUWBunique?3.2.1TimedomaindesignFrequencydependantpulsedistortionimpartedbyRFcomponentsorthewirelesschannelTimejittergeneratedbynon-idealoscillators3.2.2ImpactoftheantennaCovermulti-octavebandwidthsinordertotransmitpulsesontheorderofananosecondindurationwithminimaldistortion频率选择性衰落频率选择性衰落时延抖动时延抖动58哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.2.3PropagationandchannelmodelsThesignalmaybeoverlaidontopofinterference(andSIR0)TheintroductionoflargenumbersofmultipathsignalsthatwerenotresolvableinNBsystem.3.2.4TransmitterandreceiverdesignTheextremelywidebandwidth(BW)Veryhighpeak-toaveragepowerratioCoexistenceofUWBandexistingNBsystemsMostreceivertechniquesrequirehighlyaccuratesynchronizationwiththetransmitter59哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.2.5DifficultiesinusingDSPtechnologyVeryhighdataratesandADC(AnalogtoDigitalConverters)samplerate3.2.6NetworkingissuesWirelessPersonalAreaNetwork(WPAN)(10mradius):self-organized,dynamic,adhocnetworkNetworksecurity(lowprobabilityofintercept)Variablemodesofoperation(long-range,lowdatarateorshort-range,highspeedconnection)UniquechallengesforMediumAccessControl(MAC)解决宽带信号解决宽带信号信道化接信道化接受（认为将很宽的频带分割受（认为将很宽的频带分割成若干窄带，分开处理，最成若干窄带，分开处理，最后再合并在一起）后再合并在一起）混频混频+LPFUWB用用N个个Pulses代表代表1bit，实质是扩频通信。，实质是扩频通信。脉冲多，传输速率慢脉冲多，传输速率慢可可以工作在更恶劣的环境下。以工作在更恶劣的环境下。UWB系统为了保证一定的信噪比，可以系统为了保证一定的信噪比，可以通过调整脉冲个数通过调整脉冲个数N实现低速长距离通信实现低速长距离通信和高速短距离通信的转换。和高速短距离通信的转换。跨层设计：将不同层放在一起进行综合设计。跨层设计：将不同层放在一起进行综合设计。60哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.2.7FutureDirectionsPotentialinterferenceofUWBemissionstoGPSandairtrafficcontrolsignals.HelptoconservevaluablebatterylifeinsensornetworkensureasecurenetworkApplicationinthefieldofmedicine61哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.3I-UWBSystemModel3.3.1overviewoftheI-UWBsystemAnunmodulatedI-UWBpulsetrain:62哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.3.2PulseShapes(Gaussianpulseanditsderivatives)I.GaussianpulseII.AUWBantennamaydifferentiatethegeneratedpulse(assumedtobeGaussian)withrespecttotime.63哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术64哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术III.FCCrulesmakeUWBtransmissionmostpracticalinthe3.1-10.6GHzband.Gaussianmodulatedsinusoidalpulseismorepractical.65哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.3.3ModulationSchemesI.PulseAmplitudeModulation(PAM)II.PulsePositionModulation(PPM)Time-Hopping(TH)简单的简单的0、1调制产生问题：发射机发调制产生问题：发射机发送多个送多个0时，造成接收机定时不准，时，造成接收机定时不准，使得接受到的信号发生错误。使得接受到的信号发生错误。解决方案：修改协议，发射端在一定解决方案：修改协议，发射端在一定数量数量0后，自动插入后，自动插入1；接收端接受相；接收端接受相同数量同数量0后，自动删除下一个后，自动删除下一个1.解决不了接收机定时的问题，转而去解决解决不了接收机定时的问题，转而去解决发射机发送连续发射机发送连续0的问题。的问题。要求定时比较准确要求定时比较准确66哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术在接收端不用单独产生同步脉冲，而是用发射脉冲生成同步脉冲。在接收端不用单独产生同步脉冲，而是用发射脉冲生成同步脉冲。把把0变变-1再加上整流器再加上整流器具体实现：用模板信号与具体实现：用模板信号与接收信号相乘，再经过积接收信号相乘，再经过积分，在适当的点采样（正分，在适当的点采样（正max-1，负，负max-0）积分作用：平滑，低通滤波积分作用：平滑，低通滤波器作用器作用信号传输会由于信号传输会由于噪声而使波形发生变化。噪声而使波形发生变化。模板要求：与接收到的信号一模板要求：与接收到的信号一样样考虑到信道的影响考虑到信道的影响信道估计信道估计h(t)超宽带超宽带h(t,f)发送参考信号（发送参考信号（2个：间隔很个：间隔很小，可认为小，可认为h(t)基本不变）基本不变）用第一个信号做模板，第二用第一个信号做模板，第二个信号与第一个信号进行个信号与第一个信号进行匹配匹配滤波滤波67哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术68哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术Duetothelowpowerspectraldensity(PSD),multiplepulseswillbeassociatedwithasinglesymbol.i.e.,thepulserateisoftenhigherthanthedatarate.ThereceivedsignalismodeledasThechannelismodeledas多径信道模型多径信道模型69哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.3.4MultipleAccessSchemes3.3.5ReceiverDecisionStatisticIndiversitysystem70哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.4ChannelMeasurementandsimulation3.4.1IntroductionExperimentalandsimulationtechniquesTheadvantageofexperimentalmethods:allsystemandchannelparametersaffectingthepropagationofUWBsignalsareaccountedforwithoutpreasumptions.disadvantage:expensive,timeconsuming,andlimitedbythecharacteristicsofavailableequipment,suchassensitivity,bandwidth,dispersion,andtheattenuationoftheconnectingcables.71哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术Simulationarefreefromthelimitationsofexperimentalapproaches,costeffective,andlesstimeconsuming.Theaccuracyofsimulationresultsdependsontheamountofdetailsincludedinthesimulationmodel.Moredetailsleadtomorecomplexcomputerprograms,andrequiremorecomputationaltime.72哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术NarrowbandwirelesscommunicationsystemandUWBInNBsystems,theinformationsignalmodulatesaveryhighfrequencysinusoidalcarrier;thus,alongeachpropagationpaththesignalsuffersverylittledistortionbecausethesystemelementssuchasantennas,reflectingwalls,diffractingobjectsinthechannel,andsoon,haveessentiallyconstantelectromagneticoverthenarrowbandwidthoftheradiatedsignal.Theonlysignaldegradationiscausedbymultipathcomponents.73哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术InUWBsystems,thesignalmaysuffersignificantdistortionduetothetransmitting/receivingantennasnotmeetingthenecessarybandwidthrequirements,andalsoduetothedispersivebehaviorofbuildingmaterialsinthepropagationchannel.MultipathcomponentsarealsopresentinUWBchannels.ButUWBdonotsufferfadingduetothedestructiveinterferenceofmultipathcomponents.多径在多径在UWB系统中影响不是系统中影响不是很大很大UWB信号脉宽很窄信号脉宽很窄74哈尔滨工业大学（威海）通信工程系3.UWB技术3.4.2MeasurementTechniquesTimeDomain&Frequ