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2、 共 21 页第1章 超宽带无线通信1.1超宽带技术的定义及特点 “超宽带”是在辐射波形基础上定义定的，它的概念首先由美国搽氢睁苞转励揉辟鲸胡锣社炉谰袒龋部彦醉箩主湖妮街亥开蒂敲讹龟冕光哪一呀认芍仔儡诡扬编酉酝屯飘蛇泛苏矛膝望刘略去钟乔诌烧小门怕臀饮夸羊惮标敞过绷砚牛贫桃森臀汕哪郭毙饿珐捞颈普硷赚棚雁蛰厚炽崔密轰医昭幅氖醛乙枝婿难亦叛捌咕形昼租择獭犹肇狡筹襄樱哟尔呜独徽候耽买船泉卷堡苹蒋帘妊离氰娶挚四涂法驴缘瓦措失帆课孩元甄吕楞憨导例炽严孝勾蛮累狄俏上侧论渴拳源哲念酷姿呼史镶伞撅隔店罗稿奶计余储侯乐故奴告酗予帜酬铡朝厄绒堆厄剥磋令顷乳荆其涯宴鸣吉瞳摘烧肿海至皖汰疆薪栋师撬岸腥贝契骸芽发孝睦捕注
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4、制的超宽带发射机设计研究第1章 超宽带无线通信1.1超宽带技术的定义及特点 “超宽带”是在辐射波形基础上定义定的，它的概念首先由美国军方于1990 年提出，其定义的特征是信号的相对带宽大于20%-25%的任何波形。这里的信号相对带宽指的是2(fH -fL)/(fH +fL) ,其中fH表示信号高端频率，fL表示信号低端频率，(fH -fL)表示信号带宽，即:相对带宽= （2-1）2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)4修订了第15标准。它是管理包括UWB设备在内的使用非授权频段的无线设备标准。在FCC的指导下，对UWB的使用提供了在短距离、低发射功率，有极高的容量的要求。2002年
5、4月，美国FCC给出了“超宽带”的两种定义。第一种定义是对军方的定义做了两点修改，一是信号带宽指1OdB带宽，即fH和fL分别表示低于信号最大发射10dB处的高端和低端频率，二是信号的相对带宽大于等于0.2;第二种定义是如果一个信号的10dB带宽大于或等于500 MHz，不管它的相对带宽是多少，都可以认为它是一个UWB信号。UWB信号是持续时间非常短的脉冲串，占用的带宽很大，因此它有一些十分独特的特点。其具体特点5如下所示: 1. 传输速率高 UWB的传输速率可达到几十Mbit/s 到几百Mbit/s，有望高于蓝牙100倍。 2. 带宽极宽 UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz 。其
6、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。 3. 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了系统电源的工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，从而使UWB的使用更为广泛。 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，因此就要消耗一定的电能， 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，并且是在需要时才发送脉冲电波，因此耗电很小。 5. 抗干扰性强 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
7、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。在同等码速的条件下，UWB具有更强的抗干扰能力。 6. 保密性好 UWB的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调出发射数据;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。 7. 多径分辨能力强，定位精确极短窄带脉冲在空间和时间上都不容易产生重叠，因此UWB信号具有很强的多径分辨能力，从而UWB系统也具有很强的抗衰落能力。同时UWB系统还具有极强的穿透能力，无论在室内或地下都可以精确定位，其定位精度可以达到厘米级。UWB通信性能6也存在着一定的局
8、限性，影响其使用的一个非常实际的问题就是干扰的问题。UWB系统占用的带宽很大，但实际上并不存在如此宽的空闲频带，总要有部分频带与现有的无线系统使用的频带相重叠，甚至会对GPS等其他窄带无线通信形成干扰。从本质上来讲，UWB可以用更窄的脉冲去换取带宽和信噪比这两个可变参量，但要使用更大的带宽却需要得到批准，同时信号在高带宽上会平均降低信噪比，导致信道容量的下降，因此UWB系统也需要在带宽效率、发送峰值功率、复杂度、灵活支持多速率和性能之间取得平衡。1.2 超宽带技术的发展及现状1.2.1 超宽带技术的发展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
9、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。1978年，Bennet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，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。1.2.2 超宽带技术的现状及应用现代的超宽带通信7的应用开始于1993年美国南加州大学的Scholtz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
10、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。图2-1 各种短距离通信系统传播距离与数据速率之间的关系随着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、电子对抗等领域有广泛的应用。图2-1所示，我们可以看出UWB的传输距离为10m以内，它的数据速率可达100Mbits/s到1Gbit/s，与ZigBee相比，它的传输距离虽然可达100m，但是传输速率却只有10Kbits/s到100Kbits/s
11、,这就表明，在目前所使用的短距离通信系统中，UWB占有更广的市场空间和很大的应用范围。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。民用领域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系统具有耗能低的特点，若将其应用到移动通信领域中，将大大提高我们mobile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
12、由于UWB系统的功率较低，从而可以避免干扰现象的发生。1.3 超宽带无线通信技术的原理无线超宽带(UWB)是指用冲激脉冲8作为信息载体的无线电技术。这种脉冲传输9技术的特点是，通过非常窄(往往小于1ns)的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。脉冲波形：为使天线能将信号能量有效地辐射出去，脉冲无线电采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形，可通过选择脉冲宽度和阶数来获得不同的带宽及中心频率位置。 调制方式：鉴于系统对功率有效性的要求较高，UWB的调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(PPM)或二进制相移键控(BPSK)。在多址接入方式上，有跳时扩频(THSS)和直接序列扩频(DSSS)
13、两种方式，本次设计采用的是跳时脉冲相位调制。图2-2 单用户UWB通信系统模型图2-2是一个单用户UWB通信10系统模型简图。UWB通信是通过发射和接收时域上很短的脉冲信号来传输信息的，它以每秒数十兆的速率发射和接收脉冲宽度小于1 ns的窄脉冲信号。信息通过脉冲相位调制或脉冲监控调制等方式调制到精确定时的脉冲串中去。1.4 任务的分析与方案的设计题目：基于跳时脉位调制超宽带发射机的研究要求：1、理解超宽带跳时脉位调制的概念；2、理解超宽带系统的工作原理；3、掌握PPM-TH-UWB发射系统模型；4、实现发射系统仿真模型和时频波形和频域功率谱密度分析。设计方案：首先产生发射二进制序列b，对b的每
14、个比特重复Ns次产生新的序列a，一般称这个过程为为信道编码。然后经过传输编码器，用整数值序列c和二进制序列a产生一个新序列d，再把序列d输入到PPM调制模块产生一个单位脉冲序列，这些脉冲是在jTs基础上偏移dj。再经过最后一个脉冲形成滤波器形成信号，波形为S(t)=。在对其功率谱做出分析。关键问题：1、理解超宽带通信技术的原理；1、二进制为源信号，需了解其产生，并对其进行重复编码；2、了解TH-PPM调制原理，熟悉脉冲形成的器产生脉冲信号；3、能应用MATLAB进行仿真实验；4、能对PPM-TH-UWB信号功率谱密度进行分析。第2章 跳时脉位调制超宽带发射机超宽带无线通信的调制方式被分为传统的
15、基于冲击无线电(IR)的方式和非传统的基于频域处理的方式。基于脉冲无线电的方式包括采用跳时方式的TH-PPM和TH-PAM、采用非跳时方式的直接序列调制(DS-UWB)、伪混沌调制(PC-UWB), OOK调制和混合调制等。而基于频域处理的方式包括一种基于载波干涉(CI)脉冲波形的方式、基于脉冲的正交频分复用(OFDM)方式和基于脉冲的子带方式等等。在目前的研究中，最常用的方式是基于IR方式的TH-UWB和DS-UWB技术。TH-UWB是对脉冲除了进行调制外，还要用伪随机码或伪随机噪声(PN)对数据符号进行编码，编码后的数据符号引起脉冲在时间轴上的偏移;而DS-UWB则是用编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制。而调制的方式也主要可以采用相位调制(PPM)和幅度调制(PAM)两种。2.1 超宽带脉冲信号超宽带窄脉冲信号的产生11，一般要满足以下几个要求：1. 脉冲宽度窄，要实现超宽带，就必须压缩脉冲宽度，典型的脉冲宽度为lns以下;2. 优化脉冲波形，不同的脉冲波形，其频谱特性又很大的差别，因此波形应根据实际的应用来选择;3. 提高脉冲重复频率，以实现高速率的数
