超宽带无线通信技术及主要应用毕业论文.docx

超宽带无线通信技术及主要应用毕业论文目录1T刖51第1章UWB技术背景31. 1UWB技术的历史31.2什么是UWB31. 3UWB的空间容量6第2章UWB波形及调制技术72. 1超宽带波形72. 2脉冲调制方式92.3多频带脉冲调制10第3章UWB接收机关键技术113. 1Rake接收机113.2 定时同步技术123.3 信道估计技术13第4章UWB多址技术144. 1TI1-PPM多址方式144.2 DS-CDMA多址方式154.3 PCTHUWB多址技术164.4 多载波超宽带多址技术19第5章UWB的标准化进程及其应用185. 1UWB信号的频谱管理195.2 UWB的应用215.3 UWB的不足与改进26第6章UWB的开发及发展前景266.1 超宽带天线的发展276.2 超宽带芯片设计276.3 超宽带商用产品开发286.4发展与应用前景29第7章结论29致谢30参考文献31附录一一些主流WLAN/WPAN等标准和UWB技术的特点32附录二英文资料及其翻译33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。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，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，因而大大减少了耗电量。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，采用瑞克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，因此可以采用瑞克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法就不能对传送的数据进行可靠的接收。(3)信道估计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(UWB)技术可运用于民用产品上，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，此项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，有可能成为解决企业、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UWB技术背景1.1 UWB技术的历史对超宽带（UWB,Ultra-Wideband）无限技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭,从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h（t）冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x（t）,其输出信号y（t）可以唯一地由下列卷积来确定：y（t）=ju）du（1-1）然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展,但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。表1-1一些UWB里程碑事件时间人物事件19691984年Harmuth（美国天主教大学）发表“用于雷达和无线通信的非正弦波”19721987年Ross和Robbins（SperryRand公司）VanEtten（罗马空军实验室）发明用于雷达和通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等1980-2000年Fullerton（TineDomain公司）McEwan（LawrenceLivermore实验室）Morey（GeophysicalSurveySystems公司）Young等（OSU公司）Beckener等（PowerSpectra公司）基于雪崩晶体管的系统和天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机和采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳朵”和天线等堆碑化钱半导体开关管2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，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。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。川1.2 什么是UWB?UWB的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看，信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。美国FCC对于UWB的定义为：（力一九）20%（或者总带宽为500MHz）（1-2）fc式中，L、f1分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频图1-1UWB频谱与其他无线信号频谱的关系吞些激Issw耗2/FCC规定UWB工作频谱位于3.1-10.6GHzo如图1-1所示，UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达-41.3dBm/MHzo如图1-2所示为在FCC条例下第15部分所规定使用的频谱限界。图中分为室内和室外使用两部分，其中的主要区别是：室外的带外部分具有较高的功率衰落程度，其目的就是要保护现有频段或相邻频段及其他设备免遭UWB信号较强的同频干扰。如避免对工作在中心频率为1.6GHz的GPS接收器构成较强的干扰。-41.3311553.361361375.内外室室0.961.611.993.110.6频率(GHz)图1-2FCC对UWB通信与测量系统的限界规定UWB与“窄带”或“宽带”系统有两点主要区别：第一,FCC定义的UWB的带宽大于其中心频率的20%或至少500MHz的带宽。如以下公式。21.4N0.20(1.3)fk+/式中力为高端10dB下降点，力为低端10dB下降点。而通常所说的“窄带”的带宽小于其中心频率的1%；“宽带”的带宽在1%至20%之间的范围内。显然，UWB的带宽要远远大于目前各类系统的带宽；第二，UWB技术主要是采用无载波方式来实现，而传统的“窄带”或“宽带”系统均采用单频载波或多频载波对信号进行调制，即将信号的基带频谱搬移到所工作的载波频谱上。川在时域上，脉冲的持续时间决定了信号在频域内所占据的带宽。脉冲越窄，频谱越宽。人们知道，在无线信道上，实时传输多媒体信息需要极大的带宽。如何提高传输系统的容量是人们特别关注的问题之一。香农的信息理论为我们寻找容量的突破奠定了理论基础。香农容量极限可用公式表示：C=BWxog2（l+SNR）（式中：C二信道容量（bit/s）；BW=信道带宽；SNR=P/BWXN,信噪比；P二所接受的信号功率；N二噪声功率谱密度（W/Hz）。从上式可以看出，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。显然UWB技术可以在极低的发射功率下传输非常高的数据数率。UWB技术的优势主要表现在10m内无线短距离通信。为了便于对比，体现UWB技术的综合优势，附表列出了目前短距离无线通信邻域一些主流标准和UWB技术的特点。一般情况下，经FCC对UWB功率谱做出规定之后，UWB对其他同频或邻频接收器的干扰非常小，通常其功率谱密度在热噪声水平之下。如图13所示，尽管FCC对UWB的带内功率和带外功率作了严格的限制，但是他对同一个频谱和相邻频谱的其他设备的干扰却是依然存在的。图13UWB信号对其他无线信号的干扰1.3UWB的空间容量我们可以引入空间容量的概念来描述UWB的容量。空间容量定义为单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量。这一参数可以比较客观地反映系统的容量。作为对比，下图绘出了几种短距离通信技术的空间容量。例如，对于蓝牙技术，典型辐射半径为10m,10个共存的IMbit/s蓝牙系统的吞吐量为10Mbit/s,则其空间容量为100°?kbitIsim2qSOkbit/s/m2(1-5)7TX102UWB的空间容量可以达到次支成，其优势是非常明显的。川100050()(广802.11bIkbit/sQn2图1-4各种短距离通信系统得空间容量山第2章UWB波形及调制技术2.1 超宽带波形2.1.1 UWB信号模型UWB系统发送的是纳秒级脉冲串，脉冲宽度力7远小于脉冲之间的平均间隔"，两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB信号模型为：ooStr(t)=E"产(一。)(21)j=-8其中，w(t)表示发送的单周期脉冲，drtj分别表示单脉冲的幅度与时延。2.1.2 高斯脉冲信号最简单、最通用的超宽带波形是单周期(Monocycle)脉冲信号，只所以称它为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形式。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。高斯脉冲信号的表达如下:其中,。是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。(2-2)考虑去直流分量以及上述天线的微分作用等因素，在实际