【正文】 了對UWB通信的保密性封鎖，這在很大程度上促進(jìn)了UWB技術(shù)的發(fā)展。1998年，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)出了關(guān)于開放UWB設(shè)備應(yīng)用的征詢公告，引起了各界的廣泛關(guān)注。2002年2月，美國FCC批準(zhǔn)了UWB的商用，這是超寬帶技術(shù)的發(fā)展過程中的一個里程碑，促使超寬帶技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。英特爾(Intel)公司在2000年成立了UWB研究實(shí)驗室，并在2004年4月展示了其傳輸速率高達(dá)480Mb/s的UWB設(shè)備。摩托羅拉(Motorola)公司也于2003年生產(chǎn)出實(shí)用的UWB收發(fā)設(shè)備，并于2004年獲得FCC的批準(zhǔn)。飛利浦(Philips)公司和美國通用原子公司(GA，General Atomies)在2003年1月簽訂了一個備忘錄，決定聯(lián)合開發(fā)速率高達(dá)480Mb/s的UWB芯片組。摩托羅拉等致力于加快UWB技術(shù)普及的公司作為成員在2004年成立了UWB論壇()[2]。2001年4月，我國發(fā)布的“十五”863計劃中把“UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為有關(guān)通信技術(shù)主體研究項目，鼓勵國內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作。2004年9月，中國超寬帶無線技術(shù)論壇()成立，論壇得到了原信息產(chǎn)業(yè)部國家無線電檢測中心、中國電子視像協(xié)會、北京郵電大學(xué)、中國科學(xué)院移動通信研究所、海爾集團(tuán)、飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司和國際超寬帶技術(shù)論壇的大力支持。UWB無線通信標(biāo)準(zhǔn)的建立也經(jīng)歷了一個長期的爭論過程。，開始了UWB的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。次年3月，sG3a工作組收到了來自全球的23個提案。在2003年7月的會議上，通過討論和協(xié)商，這些提案融合成了兩大方案，即美國MSSI、Xtreme Spectrum公司等倡導(dǎo)的脈沖無線電方案和以Intel、TI為首提出的多頻段正交頻分復(fù)用(MultiBand OFDM)方案。前一種方案利用的是直接序列碼分多址(DSCDMA，Direct Sequence Code Division Multiple Access)技術(shù)，也叫DSUWB。，在每一個子頻帶上采用正交頻分復(fù)用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)。DSUWB技術(shù)得到了以飛思卡爾、摩托羅拉等廠商為成員的國際UWB論壇的大力支持。Intel、TI等公司在2003年7月成立了多頻帶正交頻分復(fù)用技術(shù)聯(lián)盟(MBOA，MultiBand OFDM Alliance)。為了各自的商業(yè)利益，爭論雙方的競爭異常激烈。，雙方仍然沒能使對方妥協(xié)[3]。 ，通過simulink平臺仿真驗證了其正確性。首先，本文根據(jù)UWB超寬帶通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、工作原理和OFDM技術(shù)在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用等原理對超寬帶通信系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了分析，將超寬帶通信系統(tǒng)的模型分為接收機(jī)、無線信道、發(fā)射機(jī)、譜分析和誤碼率分析五個模塊，然后利用simulink平臺實(shí)現(xiàn)了這些模塊。最后通過對系統(tǒng)的仿真運(yùn)行，分析系統(tǒng)的頻譜和誤碼率，并根據(jù)仿真的結(jié)果來對設(shè)計做出了調(diào)整。 本文第一章介紹了本次畢業(yè)設(shè)計的研究背景、意義及所作的工作等；第二章對超寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括脈沖信號的產(chǎn)生和調(diào)制技術(shù)做了比較詳細(xì)的介紹；第三章對CM1信道和超寬帶無線通信系統(tǒng)的信道的基本概念進(jìn)行了相關(guān)介紹；第四章對超寬帶無線通信系統(tǒng)的相關(guān)接收機(jī)模塊分自相關(guān)和互相關(guān)兩個模塊做了相關(guān)介紹；第五章分模塊詳細(xì)地描述了simulink建模方案；第六章對整個通信系統(tǒng)的仿真進(jìn)行了詳細(xì)的分析。2超寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計超寬帶無線通信系統(tǒng)的輻射的頻譜由兩方面決定:其一是脈沖信號的波形，可根據(jù)需要的頻譜特性選擇發(fā)送的脈沖波形。其二是其調(diào)制方式。本章重點(diǎn)介紹超寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)，具體包括波形設(shè)計和調(diào)制方式等。根據(jù)超寬帶基帶脈沖的頻譜特性，超寬帶脈沖可以分為兩大類:第一類是基帶脈沖，該脈沖包含從低頻到高達(dá)幾個GHz的頻率的連續(xù)帶寬。第二類是特殊脈沖，即滿足特定頻譜要求的脈沖，通信系統(tǒng)的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于時域成形波形P(t)的設(shè)計。在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，信息是調(diào)制在脈沖上傳遞的，既可以用單個脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息[4]。超寬帶窄脈沖的產(chǎn)生，通常要滿足下列條件:脈沖寬度要窄，實(shí)現(xiàn)超寬帶沖激無線通信的脈沖寬度通常在1ns以下。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中頻譜特性的需要，選擇不同的波形。提高脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。脈沖的位置或者幅度可控，以適應(yīng)脈沖位置調(diào)制或者脈沖幅度調(diào)制的需要，特別是脈沖的起始位置，必須要精確控制，否則時間位置的偏移會造成信號同步的解調(diào)的困難，在需要功率控制的情況下，脈沖的能量應(yīng)該可控。輻射功率嚴(yán)格限制，以免對其它系統(tǒng)造成干擾。輸出要穩(wěn)定，在發(fā)射脈沖寬度較窄、傳輸速率較高的情況下，要保證接收端正確地捕獲、同步和解調(diào)，必須要求脈沖產(chǎn)生器輸出的波形、相位保持較高的穩(wěn)定性。脈沖信號產(chǎn)生器還應(yīng)該容易實(shí)現(xiàn)。超寬帶脈沖的產(chǎn)生方式主要有兩類:低功率系統(tǒng)的集成電路設(shè)計和半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)。對于半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，器件的開關(guān)特性是實(shí)現(xiàn)窄脈沖產(chǎn)生器的關(guān)鍵。目前主要采用的有隧道二極管(Tunnel Diode)，雪崩二極管(Avalanche Diode)、雪崩三極管(Avalanche Transistor)、階躍恢復(fù)二極管(SRD，Step Recovery Diode)，飄移階躍恢復(fù)二極管(DSRD，Drift Step Recovery Diode)和飄移階躍恢復(fù)三極管(DSTR，Drift Step Recovery Transistor)[5]。在超寬帶通信系統(tǒng)中，所采用的基帶脈沖波形很少是一個周期的正弦波。事實(shí)上，產(chǎn)生非正弦脈沖要比產(chǎn)生脈沖調(diào)制正弦波更容易、更經(jīng)濟(jì)。超寬帶大電流輻射(LCR，Large Current Radiator)天線的問世，使得利用一些經(jīng)濟(jì)的技術(shù)和工藝(如CMOS芯片)來產(chǎn)生持續(xù)時間在ns級的脈沖成為可能。這種LCR天線是通過電流來激勵的，它的輻射功率正比于電流導(dǎo)數(shù)的平方。試驗表明，當(dāng)用一個滿足階躍函數(shù)的電流來激勵天線時，天線的輸出端就會產(chǎn)生一個脈沖，而且這個階躍電流跳變越陡峭，所產(chǎn)生的脈沖寬度就越窄[6]。脈沖產(chǎn)生器最易產(chǎn)生的脈沖波形其實(shí)是一個鐘形，類似于高斯函數(shù)波形。最常用的超寬帶信號是高斯單周期(Monocycle)脈沖或者其各階微分波形。各階微分脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點(diǎn)數(shù)逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。高斯脈沖信號作為超寬帶技術(shù)發(fā)展之初所選用的信號主要有兩個原因:一是容易利用超寬帶脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。二是收發(fā)天線對超寬帶信號的作用相當(dāng)于微分運(yùn)算，而高斯脈沖的各階微分具有比較簡單的形式，便于分析。高斯脈沖的基本波形為， （）其中，時，p(t)為單位能量脈沖。a為脈沖波形的成形因子增大，脈沖幅度減小，脈沖寬度變寬。高斯脈沖的頻譜函數(shù)為, （） 由，b為常數(shù)時，得到 （）因此，有 （） 高斯脈沖的各階微分形式為: （）其中，k為微分的階次。但是為了有效輻射，產(chǎn)生的脈沖應(yīng)具備一個基本條件:無直流分量。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供考慮。高斯函數(shù)的各階導(dǎo)函數(shù)表示的波形都是滿足上述條件的。通過改變脈沖波形來獲得頻譜形成是IR的一個重要的特性。頻譜形成主要可以采取三種不同的方法:改變脈沖寬度、對脈沖進(jìn)行微分和對基函數(shù)的組合?？紤]以高斯脈沖作為研究對象。高斯脈沖非常適合本文的分析，因為高斯脈沖可以直接通過調(diào)整形成因子a來改變波形，同時可以通過對原始脈沖微分來獲得很多的波形。脈沖寬度取決于脈沖形成因子a。減小a的值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴(kuò)展傳輸信號的帶寬。因此，同一波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。注意到高斯脈沖有無限的持續(xù)時間，這將不可避免地導(dǎo)致脈沖混疊和符號間干擾(ISI)。但是，設(shè)計在可以合理地為高斯脈沖考慮一個有效的持續(xù)時間，其截斷能量低于一個給定的門限值。在這樣的假設(shè)條件下，脈沖形成因子a的上限由不超過切普(chip)持續(xù)時間Tc的Tm給定，而下限則受到產(chǎn)生極窄脈沖的技術(shù)的限制。對高斯脈沖微分也會影響其能量譜密度。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數(shù)的增加而改變。特別地，觀察k階導(dǎo)數(shù)的傅氏變換性質(zhì)[7]: （）可以得到關(guān)于峰值頻率、導(dǎo)函數(shù)的階k和脈沖形成因子。三者之間的一般關(guān)系式。由上式進(jìn)一步可以得到和k的關(guān)系式: （）在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，信息是調(diào)制在脈沖上傳遞的，既可以用單脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息。IUWB(ImpulseUltra Wide Band，無載波脈沖UWB)系統(tǒng)在多址通信信道中可以以很高的速率傳輸數(shù)據(jù)。由于IUWB系統(tǒng)的信號是無載波傳輸方式，因此發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)十分的簡單。在IUWB系統(tǒng)當(dāng)中，一串極短(ns級)的脈沖被發(fā)送，信息通過發(fā)射脈沖串的幅度或極性來傳輸(PAM、BPSK調(diào)制)，或是通過脈沖起始時間的移動來傳輸(PPM調(diào)制)。此外為允許多個用戶共享同一傳輸信道，在每個用戶發(fā)射脈沖的起始時間都加入一個唯一的、并且被相應(yīng)的接收機(jī)已知的偽隨機(jī)時移，以免多個用戶在同信道中因為同時發(fā)射信號而引起的信息沖突。對于單個脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息。經(jīng)典的單脈沖調(diào)制技術(shù)包括:脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、二相調(diào)制(BPM)和開關(guān)鍵控(OOK)等。PAM調(diào)制是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的一種脈沖調(diào)制技術(shù),PAM調(diào)制既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對值的大小。BPM調(diào)制和OOK調(diào)制方法是PAM調(diào)制的兩種簡化形式。BPM調(diào)制過改變脈沖的正負(fù)極性來調(diào)制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。OOK調(diào)制通過脈沖的有無來傳遞信息。在PPM、BPM和OOK調(diào)制中發(fā)射脈沖時間間隔是固定不變的。實(shí)際上，也可以通過改變發(fā)射脈沖的時間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準(zhǔn)時間的位置來傳遞信息，這就是PPM調(diào)制的原理。在PPM調(diào)制中，脈沖的極性和幅度都不改變。PAM、OOK和PPM調(diào)制的共同優(yōu)點(diǎn)是可以通過非相干檢測恢復(fù)信息PAM調(diào)制和PPM調(diào)制還可以通過多個幅度調(diào)制或多個位置調(diào)制提高信息輸速率。實(shí)際上，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調(diào)制的基本思想。當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步:第一步為每組脈沖內(nèi)部單個脈沖的調(diào)制。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調(diào)制方法。在第二步中，每組脈沖作為整體通常可以采用PAM、PPM或BPM調(diào)制方法。一般把第一步稱為擴(kuò)譜(Spread Spectrum)，而把第二步稱為信息調(diào)制。因而在第一步中，把PPM調(diào)制稱為跳時(Timing Hopping)擴(kuò)譜(THSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置。把BPM稱為直接序列(Direct Sequence)擴(kuò)譜(DSSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM調(diào)制同時改變每組脈沖的幅度，PPM調(diào)制同時調(diào)節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到一下多脈沖調(diào)制技術(shù):PPMTHSS、PPMDSSS、PAMTHSS、PAMDSSS、BPMTHSS、BPMDSSS。多脈沖調(diào)制不僅可以通過提供脈沖重復(fù)頻率來降低單個脈沖的幅度或發(fā)射功率，更重要的是，多個脈沖調(diào)制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準(zhǔn)正交性實(shí)現(xiàn)多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)窄帶干擾抑制。在多脈沖調(diào)制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信效率[9]。 3超寬帶無線信道建模信號的傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)性能的主要因素之一，建立準(zhǔn)確的信道模型對超寬帶無線通信理論研究和性能分析是非常重要的。超寬帶無線通信環(huán)境遠(yuǎn)比基于連續(xù)波的傳統(tǒng)窄帶或?qū)拵o線信道環(huán)境復(fù)雜。因此，根據(jù)無線信道的基本特征，結(jié)合超寬帶脈沖信號傳播的特殊性，通過分析超寬帶脈沖信號在不同環(huán)境下的傳播特性，建立相應(yīng)的超寬帶無線信道電波傳播模型具有重要的意義。超寬帶無線信道的傳播模型可分為路徑損耗模型和多徑傳播模型。路徑損耗模型主要用于描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離大于5米以上的信號強(qiáng)度的變化，它表征了接收信號在一定時間內(nèi)的均值隨傳播距離的變化呈現(xiàn)出緩慢變化。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。多徑傳播模型用于描述短距離或短時間內(nèi)接收信號強(qiáng)度的快速變化。主要描述無線信號經(jīng)短距離或短時間傳輸后經(jīng)兩個或兩個以上路徑微小的時間間隔到達(dá)接收機(jī)的傳播特性。路徑損耗模型不僅對分析信道的可用性、傳輸頻帶的選擇等具有重要意