超宽带无线通信技术与应用

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1、. . . . . 毕业设计（论文） 专 业 无线电技术 班 次 11613 姓 名 曾麒麟 指导老师 杨新明 成 都工业学院 二0一 四 年 学习参考超宽带无线通信技术及主要应用摘要：相对有线通信，无线通信最大的优点在于其可移动性。但是，却要面对恶劣的无线通信环境和有限的频谱资源的挑战。与此同时，人们对无线通信系统的要求在不断地提高，希望其能提供更高的数据传输速率。在这样的背景下，超宽带技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点。超宽带的核心是冲激无线电技术，其带宽大于目前所有通信技术的带宽，且抗干扰性能强、传输速率高、系统容量大、功耗低等优点，满足10m之内的无线个人局

2、域网。本文介绍了超宽带无线通信技术（UWB）的发展背景，并对脉冲信号波形的产生、调制技术进行了分析讨论，以及对UWB接收机技术、多址技术等方面进行了论述。本文仅对UWB技术在无线个人局域网和军用中的应用进行了论述，以及提出了UWB技术的不足之处和解决方案，最后对UWB技术的开发和发展前景作了展望。关键词 超宽带无线通信技术；无线个人局域网；多址技术；脉冲调制学习参考目 录前 言1第1章 绪论2第2章 UWB技术简介42.1 超宽带无线技术的背景42.2 超宽带无线技术的概念52.3 超宽带无线技术的主要特点52.4 超宽带与其他近距离无线通信技术的比较62.5 超宽带系统对其它系统的干扰7第3

3、章 超宽带技术的关键技术93.1 超快带系统的基本模型93.2 脉冲成形技术93.2.1 超宽带系统对脉冲波形的要求103.2.2 高斯脉冲的时域波形103.2.3 高斯脉冲的频谱特性123.2.4 形成因子对高斯脉冲的影响143.3超宽带脉冲调制技术153.3.1 脉冲位置调制（PPM）153.3.2 脉冲幅度调制（PAM）153.3.3 多频带脉冲调制163.4超宽带系统多址技术173.4.1 TH-PPM多址方式173.4.2 DS-CDMA多址方式183.4.3 PCTH超宽带多址技术193.4.4 几种多址技术的比较20第4章 超宽带接收机关键技术214.1 RAKE接收机214.2

4、 多径分集接收策略和多径合并策略224.2.1 多径分集接收策略224.2.2 多径合并策略234.3 定时同步技术234.4 信道估计技术24第5章 UWB技术的标准化进程及其应用255.1 UWB信号的频谱管理255.1.1 规范UWB信号频谱的必要性255.1.2 FCC关于UWB信号频谱的规范255.2 超宽带技术的应用265.2.1 超宽带技术在高速无线网络中的应用275.2.2 超宽带技术在军事方面的应用275.3 超宽带技术的不足与改进286.1 超宽带天线的发展296.2 超宽带芯片设计296.3 超宽带商用产品的开发306.4 超宽带技术的发展与应用前景30结 语32致 谢3

5、3参考文献34学习参考前 言 超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其他系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其他系统干扰的优点。 由于UWB系统发射功率频谱密度非常低，因而被截获的概率很小，被检测的概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。UWB发出的脉冲电波直接按照0或1发送出去，由于只在需要时发送脉冲电波，因而大大减小了耗电量。 UWB技术之所以成为无线通信领域关注的热点之一，是由

6、于用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的。在基于脉冲的UWB系统中，采用RAKE接收机合并多径信号能量并进行相干检测；信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度；多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信，这一点必须做到，并且必须保证不导致系统性能的降低。最常见的TH-PPM多址技术和DS-CDMA多址技术等，是进行用户分离的最佳多址技术。 UWB接收机的研究与开发需要解决如下的关键技术： 1、接收机技术 UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用RAKE接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。 2、同步技术 没有精确的同步算

7、法就不能对传送的数据进行可靠的接收。 3、信道技术 为了保证系统传输可靠性和功率效率。 2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准限用于军用雷达的超宽带技术可用于民用产品上，同年4月，批准将3.1GHz和10.6GHz之间的免授权频段分配给UWB使用。自此，此技术开始引起业界广泛关注。UWB在公共安全、军事效能、航空安全、医疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。 随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备与因特网之间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要

8、发展趋势之一。 UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等，有可能解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。第1章 绪论 1.研究意义: 随着英特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备与英特网之间的短距离高速无线通信已经成为未来通信技术的重要发展趋势之一。 UWB（超宽带无线通信技术）的主要特点就是传输速率高，空间容量大、成本低、功耗低等，有可能成为解决企业、家庭、公共场所等高速英特网接入的需求约越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术

9、手段。 2.国内外现状 国内：2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把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发工作。但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面，关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。 国外：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。 民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几

10、年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞/故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。 国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2002年5月2023日，IEEE举办了一期会议，专门讨论UWB技术及其应用。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)正式通过

11、了将UWB技术应用于民用的议案，定义了三种UWB系统：成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统，并对三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)分别做了规定。但是，UWB技术的协议与标准尚未确定，目前，只有美国允许民用UWB器件的使用；而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况，并观望美国的UWB标准。 3.研究目标与内容 研究目标：超宽带无线通信关键技术及其应用。 主要内容：对脉冲信号波形的产生、调制技术进行分析讨论，并对UWB接收机技术、UWB多址技术等方面进行了论述，并对UWB技术在无线个人局域网和军用中的应用进行了论述，以及提出了UWB技术的不足之处和解决方案，以及对UWB技术的开发和前景作了展望。

12、第2章 UWB技术简介2.1 超宽带无线技术的背景 超宽带技术最早可于追溯到100年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代，马可尼发明的火花隙发射器的信号就占据了很宽的频带。现代意义上的超宽带无线电又称为冲激无线电技术，出现于20世纪60年代。冲激无线电技术出现之后的应用长期仅限于军事、灾害救援搜索、雷达定位及测距等领域。1978年美国Sperry研究中心Ross博士在IEEE期刊中以“时域电磁学”为标题对超宽带作了比较全面的综述，论述了超宽带信号波形的产生技术，时域处理方法与时域特征分析技术，相关的天线技术以及基带雷达技术等。由于超宽带系统能够与其他窄带系统共享频带，从80年代开始，随着频带

13、资源的紧张以及对于高速通信的需求，超宽带技术开始被应用与无线通信领域。Scholtz详细地综述了这种被称为“冲激无线电”技术的应用，以及该技术的优点和缺点，表明在同一个区域中冲激无线电通信系统可以容纳大量的用户，而且这种冲激无线电超宽带信号具有比窄带信号更强的抗多径能力，从而使超宽带在无线通信中的应用开始受到广泛的关注。超宽带技术在历史上还有一些其他的名称，如冲激雷达、基带脉冲、无载波技术等，这是因为在早期超宽带信号通常是不用正弦载波调制的窄脉冲，上述名称反映了当时超宽带信号的这个典型特点。 UWB技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB具有巨大的数据传输速率优势，同时受发射功

14、率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低等优点；UWB也使用与短距离数字化的音视频无线连接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。表2-1所示为UWB里程碑事件。 表2-1 UWB里程碑事件时间人物事件19691984年Harmuth发表用于雷达和无线通信系统的非正弦波。19721987年Ross、Robbins和Van Etten发明用于雷达和通信的UWB技术，设计UWB天线、脉冲系统等。19802000年FullertonMcEwanMoreyYoungBeckener基于雪崩晶体管的系统和天线等；基于雪崩晶体管系统、接收机和采样器；基于雪崩晶体管商业GPR系统、大耳朵和天线等；堆砷化镓半导体开关管。 2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用带宽的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一