浅析超宽带调制技术研究及其应用毕业设计

黑龙江信息技术职业学院毕业设计（论文）任务书题目：浅析超宽带调制技术研究及其应用一、原始依据：UWB(UltraWideBand)是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。FCC规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6 GHz，最小工作频宽为500MHz。超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面。一个是传输带宽，另一个是采用不采用载波方式。从传输带宽看，按照美国联邦通信委员会FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25%的为超宽带。超宽带传输技术直接使用基带传输。其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数10亿个脉冲。然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz数GHz。由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB相对于传统的无线电波而言，相当于噪声，对传统的无线电波影响相当小。UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。二、参考文献1 Theodore S. Rappaport. Wireless Communications Principles and Practice M.北京:电子工业出版社.1998,9 2 祁玉生,邵世祥.现代移动通信系统M.北京:人民邮电出版社.1999,10 3 张贤达,保铮.通信信号处理M.北京:国防工业出版社.2000,12 4 祝宇辰,钱水春.无线电通信抗干扰技术M.南京:解放军通信工程学院.1983,105 K. Simon, J. K. Omura, R. A. Scholtz and B. K. Levitt. Spread SpectrumCommunicationsHandbookM.北京:人民邮电出版社.2002,8 6 A. S. Tanenbaum著,熊贵喜,王小虎等译.计算机网络（第3版）M.北京:清华大学出版社.1998,7 7 Ivan Stojmenovic. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing M.New York:John Wiley & Sons, Inc., 2002 8 吕海寰,蔡剑铭,甘仲民等.卫星通信系统M.北京:人民邮电出版社. 1994,4 一、 设计（研究）内容和要求1掌握超宽带技术的基本内容2掌握超宽带的特点3了解超宽带与其它无线短距离通信的不同点4了解几种传输技术5了解超宽带传输技术的应用指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日黑龙江信息技术职业学院毕业设计（论文）开题报告课题名称浅析超宽带调制技术研究及其应用院系名称通信工程系专业名称通信技术学生姓名李春雪指导教师王丽娜一 课题来源及意义 UWB系统结构实现比较简单，UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，不需要中频处理。高速数据传输时，民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，其传输速率可达到500Mbit/s以上。UWB系统使用间隙的脉冲来发送数据，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低。在高速通信时，系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话功率的1/100左右，是蓝牙设备功率的1/20左右。安全性方面，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中难以检测出脉冲信号。UWB比其它无线技术要简单得多，只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，可实现全数字化，大大降低了设备的成本。UWB还具有多径分辨能力强、定位精确等特点。二 本课题研究的目标和内容本文综合论述了超宽带UWB脉冲调制技术介绍UWB脉冲调制技术介绍，UWB的技术优势及不足，与其他技术的比较及UWB脉冲的应用。最后介绍超宽带技术具有广阔应用前景和发展方向三 课题研究方法：调查法、理论分析法四 课题进度安排：2008年11月10日之前完成开题报告；2008.11.1015： 整理材料，编写大纲2008.11.1518： 编写论文，与导师交流2008.11.1518： 编写论文，与导师交流2008.11.1820： 让导师审批论文，改写论文2008.12月论文定稿五 参考文献1 Theodore S. Rappaport. Wireless Communications Principles and Practice M.北京:电子工业出版社.1998,9 2 祁玉生,邵世祥.现代移动通信系统M.北京:人民邮电出版社.1999,10 3 张贤达,保铮.通信信号处理M.北京:国防工业出版社.2000,12 4 祝宇辰,钱水春.无线电通信抗干扰技术M.南京:解放军通信工程学院.1983,105 A. S. Tanenbaum著,熊贵喜,王小虎等译.计算机网络M.北京:清华大学出版社.1998,7 6 Ivan Stojmenovic. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing M. New York:John Wiley & Sons, Inc., 2002 7 吕海寰,蔡剑铭,甘仲民等.卫星通信系统M.北京:人民邮电出版社. 1994,4 8 石昌贤,徐大雄,杜军.FATMA时频多址协议及其性能分析J.通信学报. 1996，6选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字）年 月 日毕业论文指导教师评阅书指导教师评语成 绩： 指导教师签字： 年 月 日摘 要超宽带（UWB）原先是为美国军方开发的技术，它是一个无需特殊权限即可使用的通信系统，主管信息通信领域的联邦通信委员会（FCC）已经准许其进入民用。一般说来，由于无线频率资源是有限的，可用的频率波段是根据无线电法分配给相应的无线系统的。与之相对照的是，UWB使用超宽频率范围（3.1 GHz - 10.6 GHz），可以使用与周围通信系统相同的频率，因为每个单位频率的输出水平都降低到了-41.3 dBm/MHz，相当于消费电子产品的辐射噪音水平，对于原有无线系统来说，这是一个超低的水平。自从可用频率范围扩展到GHz以来，通过认证的无线 USB被寄予达到非常快的传输速度。上世纪60年代已经出现了有关UWB的发射机和接收机的设计技术，同时UWB在通信和雷达中也得到了应用。此后，UWB技术不断得到发展，到70年代，有关UWB在通信和雷达应用中的全部体系概念都已经建立起来，但对UWB这个名称的真正引入还是在上世纪80年代。后来，到了90年代，因设备制造技术的进步，出现了第一个UWB商用系统，目前所做的工作都是对这一系统的具体实现，使得UWB的基本构成和具体细节及实现方法等都取得了一定的进展，进一步促进了UWB的实用化进程.关键词：UWB；脉冲通信；无线通信；多址接入目 录第一章 绪论11.1超宽带的定义及特点11.2超宽带通信的发展历史及现状51.3问题的提出7第二章 超宽带技术UWB脉冲调制技术的实现92.1 超宽带技术实现92.2 超宽带调制技术92.3 与其他技术的比较11第三章 超宽带技术的应用123.1技术优势123.2 不足之处123.3 UWB在家庭中的应用133.4 无绳USB14第四章 结论154.1总结154.2下一步工作15参考文献17致 谢18第一章 绪论当今社会，半导体技术与网络技术的不断发展，为无线通信的应用开辟了广阔的前景，诸如无线因特网、无线局域网、无线个人区域网（ WPAN）等的广泛应用，都在潜移默化的改变着人们的工作与生活，推动者信息技术的进步。近年来，随着Internet、多媒体和无线通信技术的发展，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需要越来越迫切，而WPAlI越来越受到人们的重视。实现WPAN)的技术有蓝牙（ Bluetooth）技术、IrDA （Infrared Data Association ）, Home RF以及超宽带技术。其中，超宽带以其高传输速率和低成本、低功耗等特点受到业界瞩目，可以有效的解决企业、家庭公共场所等高速Internet接入的需求和越来越拥挤的频率资源分配的矛盾，因此，各国竞相开展了对超宽带技术的研究工作。超宽带（Ultra Wide Band, UWB)通信，亦称为“脉冲无线电”，或“无载波、直接用基带信号传输的无线电”，是使用超带宽通过微弱的脉冲信号进行通信。UWB与现有的无线技术有着显著的区别，它使用时域信号处理方式，不需要使用载波，而是利用纳秒或微秒，甚至是皮秒级的非正弦窄脉冲在极宽的频带范围内传输信号，速率可达每秒数十兆。1.1超宽带的定义及特点一 超宽带的定义“超宽带”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。从时域上讲， 超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB 是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行， 而且以这一过程中所持续的时间， 来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB 发射功率受限， 进而限制了其传输距离， 据资料表明，UWB 信号的有效传输距离在10m 以内， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。从频域来看， 超宽带有别于传统的窄带和宽带， 它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1% ， 相对带宽在1% 到25% 之间的被称为宽带， 相对带宽大于25% ， 而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。二 超宽带的特点由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。(2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传 。(3)功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 (4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。 (7)工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。如前所述，现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术， 又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术， 出现于1960年代， 当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过Harmuth 、Ross 和Robbins 等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展， 其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到80 年代后期， 该技术开始被称为无载波无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989 年首次使用了超带宽这一术语。为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起， 美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见， 在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。2003年12月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关UWB标准的大讨论。那时关于UWB技术有两种相互竞争的标准，一方是以Intel与德州仪器为首支持的MBOA标准，一方是以摩托罗位为首的DS-UWB标准，双方在这场讨论中各不相让，两者的分歧体现在UWB技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已有了追随者，三星在今年国际消费电子展上展示了全球第一套可同时播放三个不同的HSDTV视频流的无线广播系统，就采用了摩托罗拉公司的XtremeSpectrum芯片，该芯片组是摩托罗拉的第二代产品，目前已有样片提供，其数据传输速度最高可达114Mbps，而功耗不超过200mw。在另一阵营中，Intel公司近期在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用90nm技术工艺处理的UWB芯片；同时，该公司还首次展示多家公司联合支持的、采用UWB芯片的、应用范围超过10M的480Mbps无线USB技术。在今年5月中旬由IEEE802.15.3a工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举UWB标准，MBOA获得60%的支持，DS-UWB获取40%的支持，两者都没有达到成为标准必须达到75%选票的要求。因此标准之争还要持续下去。美国在UWB的积极投入，引起欧盟和日本的重视，也纷纷开展研究计划。由Wisair、Philips等六家公司和团体，成立了Ultrawaves组织，研究家庭内，UWB在AV设备高速传输的可行性研究。位于以色列的Wisair多次发表所开发的UWB芯片组。STMicro、Thales集团和摩托罗拉等10家公司和团体则成立了UCAN组织，利用UWB达成PWAN的技术，包括实体层、MAC层、路由与硬件技术等。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英国的Philips研究组织等45家以上的研究团体组成，研究UWB的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在2003年元月成立了UWB研究开发协会，计有40家以上的业者和大学参加，并在同年3月构筑UWB通信试验设备。多个研究机构可在不经过核准的情况下，先行从事研究。我国在2001年9月初发布的十五国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。 1.2超宽带通信的发展历史及现状一 超宽带的发展历史超宽带其实有着悠久的发展历史，这方面的研究可以追溯到20世纪40年代，当时主要是集中在各种脉冲通信的研究。而UWB技术最早出现在上世纪60年代时域电磁学的研究中，用于通过冲激响应完整地描述某一类微波网络地瞬时现象。随后，这种技术被用于带宽辐射天线振子的设计和短脉冲雷达通信系统的开发。1972年，一种高灵敏的短脉冲接收设备研制成功，进一步加速了UWB技术的研究进展。这时这项技术被称为基带无载波调制或冲击无线电技术。Ross博士于1973年4月17日申请到的美国专利(专利号3728632)是UWB通信的里程碑式的专利。1978年，B ennet和Ross总结了所有知道的产生脉冲的方法，从那时起在各种会议上就有很多关于UWB的会议。到了80年代后期(1989年)，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并初步进行了定义。超宽带的发展现状及应用现代的超宽带通信的应用开始于1993年美国南加州大学的Scholzt教授将码分多址的概念和方法引入超宽带通信领域。1994年之前，有关超宽带无线通信领域的研究主要限于美国政府和军方项目的研究，1994年之后，随着保密限制的逐渐解除，也由于网络接入和宽带信息的用户需求，人们开始关注超宽带无线通信，从而大大加快了这方面的研究。1998年起，美国FCC就超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其电磁兼容问题开始广泛征求业界意见，于2002年2月批准了这项无线技术用于民用通信，并规定了之前所讲的超宽带定义，这是超宽带技术发展的一个重要里程碑。从此，超宽带技术、特别是超宽带无线通信开始受到比较广泛的关注。2001年5月，美国南加州大学、伯克利大学、麻省大学联合集中研究短距离的UWB通信系统;美国Rutgers大学wlNLAB实验室的uwB项目中，主要研究UWB系统原型设计，传播模型，调制解调，定时算法等;斯坦福大学的研究人员建立了UWB试验装置，测试他对CPS的干扰。在英、法、德等一些欧盟国家德积极推动下，欧洲邮政电信协会(CEPT)在欧洲标准化组织(EPO)的支持下也在审查UWB技术，以形成欧洲标准;同时ETSI31进UWB技术在欧盟国家的应用;欧洲委员会成立的IST启动了基于UWB无线接入的开放移动接入网络项目，研究可伸缩UWB多用户无线接入的可行性，及商用化途径等，而参加研究的大学有德国Dresdne技术大学、意大利Roma大学、Peruj is大学等。世界上除了各所大学的研究工作外，一些公司也开展了对UWB的研究。美国TimeDomain公司是该技术领域的前沿，它已经研制出UWB通信原型样机，并建立了几个原型系统;在欧洲，ST微电子公司曾与若干欧洲伙伴一起运营了一个UWB研发计划，并开发一个完整的UWB系统，据称，这是欧洲有关UWB的最大研究项目之一。由于UWB是一种关键的通信技术，特别是为多媒体系统所需，日本的消费电子公司及数字视频芯片公司也都对它抱有极大的兴趣。目前我国关于UWB的研究主要围绕于光导开关脉冲源以及它在大功率辐射中的应用研究。随着UWB通信技术的发展，人们对UWB特性的认识逐渐完善，人们已开始意识到，UWB信号在通信、雷达、定位、导航、电子对抗等领域将有及其广泛的应用。超宽带无线通信技术的应用主要是民用和军用两方面。军用超宽带无线通信技术的研究和开发主要动因是利用超宽带信号的隐蔽性、抗干扰性能、高数据传输速率和系统的多功能集成等，其用途主要是战术电台和移动无线网络。而由于超宽带雷达的强透视能力、反侦察能力和较强的分辨能力，各国的军界都对它产生了浓厚的兴趣，并投入了较大的研究力度。除了在军用方面有较大的应用外，超宽带无线通信在民用领域也具有巨大的市场。目前研究得比较热的方面就是UWB通信技术在移动通信领域的应用。由于UWB系统具有耗能低特点，若将其应用到移动通信领域中，很直接的一点就是它将大大提高我们mbolle的待机时间。为了满足低廉的宽带Internet无线接入和宽带多媒体业务增长的需要，另一个主要的研究方向是建立短距离的高速连接和高速无线个域网(WPAN)。同时由于UWB系统的功率较低，从而可以避免干扰现象的发生，且对人体无害。1.3问题的提出UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，随着通信技术的提高，高效的无线局域网（WLAN）和无线个域网（ WPAN）逐渐走入人们的生活，而具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的UWB技术就很适合家庭无线通信的需要。它可以在l Om的范围内，支持高达百兆以上的数据传输速率，而且不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成各种音频、视频等数据的处理。在UWB系统中，影响系统性能的因素有很多。在发射方面，脉冲信号的形状，脉冲宽度，以及调制方式，都会影响到最后发出信号的品质;在传输过程中，由于是无线通信信道，信号的传播方式就会复杂多样，因此会产生多种衰落，而最为突出的就是多径衰落。在接收方面，采用什么样的接收机，还有接收机的热噪声，都会对信号的接收性能产生一定的影响。一个通信系统一般都是基于采用多用户接入方式的，系统中存在多个用户，这样就存在着多个信号，为了对各个信号进行区别，还要选择适当的多址方式。而由于各个用户之间的位置，发射时间，时延等因素的不同，且具有随机性，那么对于参考信号来说，其他信号的存在势必对它产生一定的干扰。为了减少多用户之间的干扰，就要对多用户系统中的多用户干扰（ MUI）进行分析，找出影响接收机处误码率的各种因素，从而提高系统的性能。第二章 超宽带技术UWB脉冲调制技术的实现2.1 超宽带技术实现UWB系统结构实现比较简单，UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，不需要中频处理。高速数据传输时，民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，其传输速率可达到500Mbit/s以上。UWB系统使用间隙的脉冲来发送数据，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低。在高速通信时，系统的耗电量仅为几百W几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话功率的1/100左右，是蓝牙设备功率的1/20左右。安全性方面，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中难以检测出脉冲信号。UWB比其它无线技术要简单得多，只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，可实现全数字化，大大降低了设备的成本。UWB还具有多径分辨能力强、定位精确等特点。图2-1，示出超宽带无线通信系统的基本结构。图2-1超宽带无线通信系统基本结构2.2 超宽带调制技术 目前，用于UWB的满足特定频谱要求的脉冲波形，根据频谱特性可分成基带脉冲和特殊脉冲两类。经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。包含从低频到GHz频率的连续带宽。常见的如矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲和瑞利单脉冲等。但矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，只适用于学术研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用极短的高斯函数的各阶导数作为发射脉冲，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的频带范围很宽，可达到几GHz。设 H、 L和 C分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率，B为相对带宽，MB为绝对带宽，则在B为-10dB点处应有：(1)或MB500MHz在信号调制时，可以采用单个脉冲传递不同的信息，即单脉冲调制;也可以用多个脉冲传递相同的信息，即多脉冲调制。在实际中，为了降低单个脉冲的幅度，提高系统的抗干扰性，超宽带脉冲无线通信系统往往用多脉冲调制。在多脉冲调制中，传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲。因此，多脉冲调制的过程可以分成两步：第一步是进行每组脉冲内对单个脉冲的调制。通常采用脉冲相位调制(PPM)或二相调制(BPM)。PPM称为跳时扩谱(SpreadSpectrum)(THSS)，每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置。BPM称为直接序列(DirectSequence)扩谱(SpreadSpectrum)(DSSS)，其每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。第二步为每组脉冲作为整体被调制，通常采用脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PPM)或二相调制(BPM)。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM同时改变每组脉冲的幅度，PPM同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变每组脉冲的极性。将第一步和第二步组合起来可形成多种调制技术：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。综合考虑可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的组合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的区别是采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS.BPM的性能要优于TH SS PPM。而对TH BPM和DS-BPM而言，在速率低时，由于THSS对远近效应的敏感程度没有DSSS那么高，所以，此时应选择TH.BPM;而在速率高时则优先考虑DS.BPM。在采用最小均方误差准IJ(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大;但在速率比较高时，TH/DS.BPM的性能则比TH.PPM系统好。而利用不同SS序列之间的正交性，通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率的码分复用(Code Divison Multiplexing，CDM)技术也被用于UWB。2.3 与其他技术的比较表2-1给出UWB与其他短距离无线通信的简单比较。从表中可见，除了在通信距离上UWB比其他三种短距离无线通信方式受限外，在传输速率、发射功率、空间容量、应用范围等方面，UWB都占有较大优势。表2-1 UWB与其它短距离无线通信的比较第三章 超宽带技术的应用3.1技术优势(1)传输速率高理论上，一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带宽，因此，UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很低，仍可实现高达100Mbit/s-500Mbit/s的传输速率。在民用方面，UWB脉冲宽度一般为纳秒级。如果一个脉冲代表一个数位，那么，理论上UWB可达1Gbit/s的速率，这样在实际中实现100Mbit/s以上的速率是完全可能的。(2)发射功率低，功耗小因为不使用载波，UWB仅在发射窄脉冲时消耗少量能量。从而省略了发射连续载波的大量功耗。这使得UWB在通过缩小脉冲宽度的同时提高带宽。并且不增加功耗。这就打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽成正比的定律。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常低于1mw(这也是FCC为了避免对其它设备造成干扰而对UWB做出的技术指标要求)。虽然现在实际上使用芯片实现后的整体电路能耗在300mw左右，但随着技术的不断成熟和进步，这项指标随之会降下来。(3)UWB通信的保密性强UWB系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应用前景。(4)UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎实现了全数字化，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是人们所期望的理想无线通信方式。3.2 不足之处当然，UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很高，UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统，因此，UWB系统的频率许可问题一直在争论之中;另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是，由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。尽管如此，学术界的种种争论并不影响UWB的开发和应用。2002年2月美国通信协会(FCC)批准了UWB用于短距离无线通信的申请。3.3 UWB在家庭中的应用虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用，但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络的无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法，如果要提高通信速率，必须要提高数字信号处理器的处理速度，这势必要增加系统的成本和功耗，高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先，为了满足无线数字视频的要求，家庭无线互连产品需要更高的通信速率，以无线高清晰数字电视(WHDTV)为例，如果采用MPFG2HD数据格式，则视频数据流的速率高达25Mbit/s;其次，让家庭无线通信产品走向千家万户，系统成本必须很低。市场调查表明，如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出30%，将很难被众多的消费者所接受。其次，家庭无线通信产品中用到的嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电，因此，降低功耗就是一个突出的问题。即家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点。传统的无线电设计方案无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。UWB适用于两类家庭消费电子的应用。一类是房间内应用，例如机顶盒和DVD播放机到数字电视的无线连接，这一类应用需要至少2028Mbit/s的传输速率，如要实现画中画功能则需要56Mbit/s的传输速率，另外，还需要710米的距离实现多个通道的传输。另一类是桌面的应用，如PDA、手机和数码相机与PC机的同步，PC机实现视频编辑等。这一类应用一般只需要支持24m的传输距离，但对传输速率的要求非常高，有时需要高至480Mbit/s的传输速率。UWB有望满足家庭消费者的其它重要需求。有线与卫星供应商正推出越来越多的高清电视广播，通常需要标清信号五倍左右的带宽。UWB具有110Mbit/s的数据传输速率及10m的传输距离，因此，只有它才能在住宅的几乎所有空间内实现从机顶盒向电视显示器无线传输高分辨率视频流的功能。这使得消费者无须为每台电视机都添置新的机顶盒，即可使家里多台电视机都接收到高清节目源。3.4 无绳USB无绳USB(WirelessUSB)是一种无线接口标准，目标是以无线取代目前的USB连线。无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术UWB。目标传送速度为USB2.0的最大通信速度480Mbit/s。可望UWB无线技术将取代USB，成为PC的外设接口。无绳USB可以实现数字家庭的打印机共享、无线鼠标、键盘连接，扫描仪的数据传输，移动硬盘的无线接入，DV数据传送等应用，是数字家庭标准外设接入的接口。通过UWB无绳USB连接，组成了以计算机为中心，USB标准外设作为从设备的互联互通小网络。这个小型网络能够完成系统协同工作，由软件控制可智能完成用户的特定任务。例如，用户可以直接从数码相机中浏览，选定自己喜欢的照片，通过无绳USB技术传送到电脑，接着，电脑可以把它输出到无线连接的便携打印机，用户就能及时打印出选出的照片。这样，随时随地无任何连接限制地体现出数字家庭设备互联互通人性化的特点。图3-1无线USB应用场景第四章 结论4.1总结本文从整个通信系统的发射、传输、接收三个方面对超宽带系统的性能特点进行了分析，对各个部分的特性都进行了研究仿真，了解影响各部分性能的因素，最终得到影响UWB系统多用户干扰的各个因素。首先，影响多用户干扰的主要因素就是用户数量，用户数量越多，接收机处的误码率越高，而且用户越多，随着信噪比的改变误码率的变化并不明显，因此，在一个多用户的UWB系统中，多用户干扰起主要的作用。当改变发射信号时，脉冲形成因子并不是影响误码率的主要因素，而每信号的脉冲数则对系统性能影响较大。另一方面来讲，组成每个信号的脉冲数越多，发射信号速率越高，而接收机处的误码率越低，这说明信号速率是影响系统性能的主要因素之一。信号传播的过程中存在多径现象，通过对AWGN信道和多径信道下系统误码率的比较，很明显，多径效应也是影响系统性能的主要因素之一。以上的分析都是建立在一定假设的基础上的，对信号、信道、接收机都有一定的限制，但在不同的情况下，由这些假设得出的结果是不一定准确的。而在分析多用户干扰时，讯一UWB系统是在标准高斯近似(sGA)的假设下进行的，这种假设只是近似有效，这种有效性随着干扰用户的增多而提高，且对比特速率较高和重复频率高的系统而言，由SGA假设的有效性也会比较高。对于THMA-UWB系统来说，在系统能够实现理想功率控制的情况下，在SGA假设下得出的结果也会比较乐观。本文的各部分仿真分析，由于设备和计算时间上的限制，有一些发射信号的比特速率没有设置的特别高，这样使结果看上去不是特别理想，但结果的总体趋势是正确的。4.2下一步工作接下来的工作，可以由以下几方面展开:首先可以采用不同波形的脉冲信号，考察其系统的性能，寻找一种更加有效的脉冲波形。然后可以对超宽带系统采用不同脉冲调制方式情况下的各部分性能进行研究分析，如PAM，DS一55(直接序列扩频)，OFDM等方式下的UWB系统，找出最优的调制方式。文中接收机处的判决采用的是软判决，接下来可以对在硬判决的情况下系统的性能及其干扰情况进行仿真，以便选择合适的判决方式。最后，由于超宽带系统占用的是现有通信系统的频段，在研究超宽带冲激无线电抗干扰性能的技术上，可研究它对其他系统的干扰性，及其他系统对它的干扰，使其具有更好的共存性。 参考文献1 Theodore S. Rappaport. Wireless Communications Principles and Practice M.北京:电子工业出版社.1998,9 2 祁玉生,邵世祥.现代移动通信系统M.北京:人民邮电出版社.1999,10 3 张贤达,保铮.通信信号处理M.北京:国防工业出版社.2000,12 4 祝宇辰,钱水春.无线电通信抗干扰技术M.南京:解放军通信工程学院.1983,105 K. Simon, J. K. Omura, R. A. Scholtz and B. K. Levitt. Spread SpectrumCommunicationsHandbookM.北京:人民邮电出版社.2002,8 6 A. S. Tanenbaum著,熊贵喜,王小虎等译.计算机网络（第3版）M.北京:清华大学出版社.1998,7 7 Ivan Stojmenovic. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing M. New York:John Wiley & Sons, Inc., 2002 8 吕海寰,蔡剑铭,甘仲民等.卫星通信系统M.北京:人民邮电出版社（第2版）. 1994,4 9 石昌贤,徐大雄,杜军.FATMA时频多址协议及其性能分析J.通信学报. 1996，6致 谢 在论文完成之际，我想对在我大学期间给予我关心和帮助的所有人表示衷心的感谢。 这篇论文是在我的导师王丽娜的悉心指导下完成的，王丽娜老师渊博的学识、严谨求实的治学态度、严密的思维方式、循循善诱的教学风范都是我学习的榜样，令我受益终生。感谢王丽娜老师在这年的学习中给予我的鼓励和无私帮助! 我还要深深地感谢我的家人，感谢他们对我学习和生活无微不至的关心、支持和鼓励，他们的鼓励和支持使我顺利地完成学业。感谢徐彬、宁迪、谷焱在我论文完成期间给予我的支持和帮助，和你们一起度过的时光带给我无穷的快乐。 最后感谢我所有的朋友，所有关心和帮助过我的人，以及我所拜读过文章的各位研究学者。18