【正文】 超寬帶無線通信技術及主要應用畢業(yè)論文目 錄前 言 …………………………………………………………………………………1第1章 UWB技術背景 …………………………………………………………………………3 UWB 技術的歷史…………………………………………………………………3 什么是 UWB ………………………………………………………………3 UWB 的空間容量 …………………………………………………………6第2章 UWB 波形及調制技術 …………………………………………………………7 超寬帶波形 ………………………………………………………………7 脈沖調制方式 ……………………………………………………………9 多頻帶脈沖調制…………………………………………………………10第3章 UWB 接收機關鍵技術…………………………………………………………11 Rake 接收機 ……………………………………………………………11 定時同步技術……………………………………………………………12 信道估計技術……………………………………………………………13第4章 UWB 多址技術 ………………………………………………………………14 THPPM 多址方式 ………………………………………………………14 DSCDMA 多址方式………………………………………………………15 PCTH UWB 多址技術 ……………………………………………………16 多載波超寬帶多址技術…………………………………………………19第5章 UWB 的標準化進程及其應用…………………………………………………18 UWB 信號的頻譜管理……………………………………………………19 UWB 的應用………………………………………………………………21 UWB 的不足與改進………………………………………………………26第6章 UWB 的開發(fā)及發(fā)展前景………………………………………………………26 超寬帶天線的發(fā)展………………………………………………………27 超寬帶芯片設計…………………………………………………………27 超寬帶商用產品開發(fā)……………………………………………………28 6．4 發(fā)展與應用前景 ………………………………………………………2947第7章 結論 …………………………………………………………………………29致謝 ……………………………………………………………………………………30參考文獻 ………………………………………………………………………………31附錄一 一些主流WLAN/WPAN等標準和UWB技術的特點 …………………………32附錄二 英文資料及其翻譯 …………………………………………………………33前 言超寬帶無線通信技術（UWB）是一種無載波通信技術，UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。由于UWB系統(tǒng)發(fā)射功率譜密度非常低，因而被截獲概率很小，被檢測概率也很低，與窄帶系統(tǒng)相比，有較好的電磁兼容和頻譜利用率。UWB發(fā)出的脈沖電波直接按照0或1發(fā)送出去。由于只在需要時發(fā)送脈沖電波，因而大大減少了耗電量。UWB技術之所以成為無線通信領域關注的熱點之一，是由用戶需求和UWB技術的性能特點共同決定的。在基于脈沖的UWB系統(tǒng)中，采用瑞克接收機合并多徑信號能量并進行相干檢測；信道估計問題即估計多徑信號的到達時間和幅度；多址方式允許許多用戶同時共享有限的頻譜資源。需要分配有效信道給多個用戶以獲得高系統(tǒng)容量，對于高質量的通信，這一點必須做到，并且必須保證不導致系統(tǒng)性能的降低。最常見的THPPM多址技術和DSCDMA多址技術等，是進行用戶分離的最佳多址技術。UWB接收機的研究與開發(fā)需要解決如下的關鍵技術：（1） 接收機技術 UWB脈沖信號具有天然的多徑分辨能力，因此可以采用瑞克接收技術對抗多徑信道引起的時間彌散。（2） 同步技術 沒有精確的同步算法就不能對傳送的數據進行可靠的接收。（3） 信道估計 為了保證系統(tǒng)傳輸可靠性和功率效率。2002年2月，美國聯邦通信委員會(FCC)批準限用于軍用雷達的超寬帶(UWB)技術可運用于民用產品上，同年4月。自此，此項技術開始引起業(yè)界廣泛關注。UWB在公共安全、軍事效能、航空安全、醫(yī)療應用以及消費類產品與服務等諸多領域具有獨特的應用價值和廣闊的市場前景。 隨著因特網、多媒體和無線通信技術的發(fā)展，人們與信息網絡已經密不可分，人們對實現高速率、高質量無線多媒體業(yè)務的需求越來越迫切，便攜式電子設備與因特網之間的短距離高速無線通信已成為未來通信技術的重要發(fā)展趨勢之一。UWB的主要特點是傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低等，有可能成為解決企業(yè)、家庭、公共場所等高速因特網接入的需求與越來越擁擠的頻率資源分配之間的矛盾的技術手段。第1章 UWB技術背景 UWB技術的歷史對超寬帶（UWB，UltraWideband）無限技術（簡稱UWB技術）的起源眾說紛紜，從目前的學者研究工作來看大約可以追溯到20世紀50年代末和60年代初。那時，研究工作在于通過沖激響應特性來描述某一些微波網絡的瞬態(tài)行為。其實，概念很簡單，就是使用所謂的沖擊響應h(t)沖擊激勵來表征一個線性時變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的頻率響應（幅值與相位值相對于頻率值）方法。特別是，對于一個系統(tǒng)的任意輸入信號x(t),其輸出信號y(t)可以唯一地由下列卷積來確定： （11）然而，實際上直到采樣示波器和亞納秒（基帶）脈沖發(fā)生技術出現之后，才為這樣的沖擊激勵提供了近似方法、觀察和測量方法。從此，超寬帶技術有了快速的發(fā)展。1972年，Robbins發(fā)明的敏感短波脈沖接收器取代了笨重的時域示波器，加速了UWB系統(tǒng)的開發(fā)。1973年，Sperry獲得了第一個UWB通信技術的專利。此后，在將近30年的時間內，UWB的理論、技術和許多相關設備的研制得到了迅速的發(fā)展，但大約在1989年之前，“超寬帶”這一術語并不常用，各種名稱（如基帶、無載波或脈沖技術）等均混用。1989年，美國國防部采用“超寬帶”這一術語之后，才被業(yè)界沿用下來。之后，各種專利也相繼被授予，其中包括UWB脈沖的產生和接收方法，通信、雷達、車輛防撞、定位系統(tǒng)、醫(yī)療成像、液面感應等應用。在美國，UWB早期的研究工作主要限制在軍方，大約在20世紀90年代中期以后，才取消了這種分級限制。[1]表11 一些UWB里程碑事件[1]時 間人 物事 件1969～1984年Harmuth（美國天主教大學）發(fā)表“用于雷達和無線通信的非正弦波”1972～1987年Ross和Robbins（Sperry Rand公司）Van Etten（羅馬空軍實驗室）發(fā)明用于雷達和通信的UWB技術設計UWB天線、脈沖系統(tǒng)等1980～2000年Fullerton(Tine Domain公司)McEwan(Lawrence Livermore實驗室)Morey(Geophysical Survey Systems公司)Young等（OSU公司）Beckener等（Power Spectra公司）基于雪崩晶體管的系統(tǒng)和天線等基于雪崩晶體管的系統(tǒng)、接收機和采樣器基于雪崩晶體管的商業(yè)GPR系統(tǒng)GPR系統(tǒng)、“大耳朵”和天線等堆砷化鎵半導體開關管2002年4月22日，FCC頒布了UWB占用寬帶的有關條例，允許UWB技術和產品參與商業(yè)化運作。這一條例的頒布直接促進了基于UWB技術的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。為了跟蹤這一技術的發(fā)展，并形成自主的知識產權，我國也開始以“863項目”的形勢扶持與資助這一技術和標準的研究與攻關。[1] ？UWB的核心是沖擊無線電技術，即用持續(xù)時間非常短（亞納秒級）的脈沖波形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸系統(tǒng)的持續(xù)波形。從經傅里葉變換之后的特性來看，信號所占的帶寬遠遠大于信息本身的帶寬。美國FCC對于UWB的定義為： （或者總帶寬為500MHz） （12）式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時所對應的高端頻率和低端頻率，為載波頻率或中心頻率。[2] 4 5 6 7 8 9 頻率（GHz）功率HomeRFUWB信號GPSPCS微波爐，無繩電話，藍牙與傳統(tǒng)無線信號的重疊FCC第15部分的功率限制圖11 UWB頻譜與其他無線信號頻譜的關系[1]～。如圖11所示, UWB與其他技術的產品存在同頻和鄰頻干擾問題。為了降低UWB設備對處于上述頻段的其他設備的干擾，必須對UWB設備的發(fā)射功率進行限制。如圖12所示為在FCC條例下第15部分所規(guī)定使用的頻譜限界。圖中分為室內和室外使用兩部分，其中的主要區(qū)別是：室外的帶外部分具有較高的功率衰落程度，其目的就是要保護現有頻段或相鄰頻段及其他設備免遭UWB信號較強的同頻干擾。[1])dBm/MHz(輻射功率EIRP 頻率（GHz）室內室外圖12 FCC對UWB通信與測量系統(tǒng)的限界規(guī)定[1]UWB與“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)有兩點主要區(qū)別：第一,FCC定義的UWB的帶寬大于其中心頻率的20%或至少500MHz的帶寬。如以下公式。 （13）式中為高端10dB下降點，為低端10dB下降點。而通常所說的“窄帶”的帶寬小于其中心頻率的1%；“寬帶”的帶寬在1%至20%之間的范圍內。顯然，UWB的帶寬要遠遠大于目前各類系統(tǒng)的帶寬；第二，UWB技術主要是采用無載波方式來實現，而傳統(tǒng)的“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)均采用單頻載波或多頻載波對信號進行調制，即將信號的基帶頻譜搬移到所工作的載波頻譜上。 [1]在時域上，脈沖的持續(xù)時間決定了信號在頻域內所占據的帶寬。脈沖越窄，頻譜越寬。人們知道，在無線信道上，實時傳輸多媒體信息需要極大的帶寬。如何提高傳輸系統(tǒng)的容量是人們特別關注的問題之一。香農的信息理論為我們尋找容量的突破奠定了理論基礎。香農容量極限可用公式表示： （14）式中：C=信道容量（bit/s）；BW=信道帶寬；SNR=P/BWN，信噪比；P=所接受的信號功率；N=噪聲功率譜密度（W/Hz）。從上式可以看出，可以通過擴展信號的帶寬來增加傳輸系統(tǒng)的容量。顯然UWB技術可以在極低的發(fā)射功率下傳輸非常高的數據數率。UWB技術的優(yōu)勢主要表現在10m內無線短距離通信。為了便于對比，體現UWB技術的綜合優(yōu)勢，附表列出了目前短距離無線通信鄰域一些主流標準和UWB技術的特點。一般情況下，經FCC對UWB功率譜做出規(guī)定之后，UWB對其他同頻或鄰頻接收器的干擾非常小，通常其功率譜密度在熱噪聲水平之下。如圖13所示，盡管FCC對UWB的帶內功率和帶外功率作了嚴格的限制，但是他對同一個頻譜和相鄰頻譜的其他設備的干擾卻是依然存在的。[1]UWB5MHz噪聲功率級圖13 UWB信號對其他無線信號的干擾 [1] UWB的空間容量我們可以引入空間容量的概念來描述UWB的容量?？臻g容量定義為單位面積信號覆蓋區(qū)域內系統(tǒng)的吞吐量。這一參數可以比較客觀地反映系統(tǒng)的容量。作為對比，下圖繪出了幾種短距離通信技術的空間容量。例如，對于藍牙技術，典型輻射半徑為10m，10個共存的1Mbit/s藍牙系統(tǒng)的吞吐量為10Mbit/s，則其空間容量為 （15）UWB的空間容量可以達到1,其優(yōu)勢是非常明顯的。[1]50010000藍牙2版？831藍牙1版30？1000超寬帶圖14 各種短距離通信系統(tǒng)得空間容量[1]第2章 UWB波形及調制技術 超寬帶波形 UWB信號模型UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級脈沖串,脈沖寬度Tm 遠小于脈沖之間的平均間隔Tf ,兩個脈沖之間的間隔可以固定也可以時變。通常UWB 信號模型為: (21)其中，w(t)表示發(fā)送的單周期脈沖,、分別表示單脈沖的幅度與時延。[2] 高斯脈沖信號最簡單、最通用的超寬帶波形是單周期（Monocycle）脈沖信號，只所以稱它為單周期脈沖是因為這種波形只有一個脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。另一個使用高斯脈沖信號的原因是為了分析的簡便。[2]高斯脈沖信號的表達如下：