【正文】 ?????????????3 3 1 第一章 緒 論 引言 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，無(wú)線通信技術(shù)正在以前所未有的速度向前發(fā)展。 短距離無(wú) 線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 隨著 21 世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能夠隨時(shí)隨地提供信息服務(wù)的移動(dòng)計(jì)算與寬帶無(wú)線通信的需求越來越迫切。國(guó)內(nèi)的通信廠商對(duì)短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)化的參與還不是很多，主要停留在研究跟蹤階段。 本文的主要內(nèi)容是研究各種短距離無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?， 并且詳細(xì)地闡述了 目前使用較廣泛的藍(lán)牙 、 、 UWB、 HomeRF 和紅外 等 傳輸技術(shù) ，通過分析它們的優(yōu) 缺點(diǎn)及技術(shù)比較，確定一種目前最有發(fā)展前途的短距離無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸方法 —— UWB 超寬帶無(wú)線通信技術(shù)。 模擬基帶信號(hào)的調(diào)制有調(diào)幅 (AM)和調(diào)頻 (FM)兩種。 分集有兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、 4 信道編碼 擴(kuò)頻編碼 數(shù)據(jù) 信道 擴(kuò)頻調(diào)制 信道編碼 數(shù)據(jù) PN 序列 PN 序列 圖 擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng) 攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即接收機(jī)把 收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并，以降低衰落的影響。擴(kuò)頻調(diào)制采用數(shù)字乘法器加相應(yīng)的濾波器實(shí)現(xiàn)，將擴(kuò)頻序列刻記在發(fā)送信號(hào)上，它的輸出為擴(kuò)頻后的寬帶信號(hào)。通常用地址碼控制特制的頻率合成器，產(chǎn)生頻率在較大范圍內(nèi)按 一定規(guī)律周期性跳動(dòng)的本振信號(hào)，與高速的信息碼混頻后輸出。 目前，在無(wú)線通信中應(yīng)用的多址方式有：頻分多址 (FDMA)、時(shí)分多址 (TDMA)、碼分多址 (CDMA)以及它們的混合應(yīng)用方式等。 藍(lán)牙技術(shù)的幾種典型應(yīng)用如下 : （ 1）三合一電話。這時(shí)用戶不用打開電腦，在手機(jī)上就可以瀏覽收到的電子郵件。跳頻速率為 1600 跳 /秒，每個(gè)時(shí)隙傳送一個(gè)分組數(shù)據(jù)。 異步不對(duì)稱數(shù)據(jù)傳送信道： 最大上行數(shù)據(jù)速率為 、最大 下 行數(shù)據(jù)速率為 57kbit/s 或 （ 5） 輸出功率 發(fā)射輸出功率分為三類不同設(shè)備可選擇不同類型。人們希望這種理想盡快實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品盡快問世。但是隨著用戶不斷增長(zhǎng)的對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求， CCK 調(diào)制方式就不再是一種合適的方法了。 它們 在技術(shù)和性能上各有差異。 IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，他也許是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)（ PersonalAreaNetwork， PAN）的技術(shù)。而藍(lán)牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。但是，該標(biāo)準(zhǔn)與 不兼容，并占據(jù)了與 和 Bluetooth 相同的 頻率段，所以在應(yīng)用范圍上會(huì)有很大的局限性，更多的是在家庭網(wǎng)絡(luò)中使用。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是 RFD，也可以是 FFD。在網(wǎng)絡(luò)層， ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。星形和簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)更有利于功率節(jié)省。 絕對(duì)帶寬和相對(duì)帶寬定義如下： 15 絕對(duì)帶寬 LHAbsolute ffBW ?? ,相對(duì) 帶寬LHLHFr ac tional ff ffBW ??? 2 。 為保護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng) (如 GPRS、移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)、 WLAN 等 )不被 UWB 系統(tǒng)干擾，針對(duì)室內(nèi)、室外不同應(yīng)用，對(duì) UWB 系統(tǒng)的輻射譜密度進(jìn)行了嚴(yán)格限制，規(guī)定 UWB 系統(tǒng)的最高輻射譜密度為 。例如，如果使用 7GHz帶寬，即使信噪比低至 10dB，其理論信道容量也可達(dá)到 1Gb/s。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號(hào)衰落極快，這導(dǎo)致 UWB 信號(hào)產(chǎn)生失真，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。 在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而 UWB 信號(hào)可以將它們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并。 UWB 脈沖成形技術(shù) 任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號(hào)攜帶信息。各階脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。有 載波的成形脈沖可表示為： )0)(2c o s ()()( pc Tttftptw ??? ? () 其中 p(t)為持續(xù)時(shí)間為 pT 的基帶脈沖； cf 為載波頻率，即信號(hào)中心頻率。這類脈沖波形是由 Hermite 多項(xiàng)式導(dǎo)出的。多址技術(shù)包括：跳時(shí)多址、跳頻多址、直擴(kuò)碼分多址、波分多址等。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測(cè)。 UWB 系統(tǒng)常用的 PAM 有兩種方式，開關(guān)鍵控 (OOK)和二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)。在符號(hào)速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于 MPAM。 UWB 多址技術(shù) (1)跳時(shí)多址 跳 時(shí)多址 (THMA)是最早應(yīng)用于 UWB 通信系統(tǒng)的多址技術(shù)，它可以方便地與 PPM 調(diào)制、 BPSK 調(diào)制相結(jié)合形成跳時(shí) 脈位調(diào)制 (THPPM)、跳時(shí)二進(jìn)制相移鍵控系統(tǒng)方案。 (2)直擴(kuò) 碼分多址 直擴(kuò) 碼分多址 (DSCDMA)是 IS95和 3G移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應(yīng)用于 UWB 系統(tǒng)。 FHMA 通常與多帶脈沖調(diào)制或 OFDM 相結(jié)合，調(diào)制方式采用 BPSK 或正交移相鍵控 (QPSK)。就是說，對(duì)于 10m以內(nèi)的距離， ,UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百 bit/s的傳輸性能，對(duì)于遠(yuǎn)距離應(yīng)用 （ HomeRF）的性能將強(qiáng)于 UWB,但 UWB更多是應(yīng)用于 10m左右距離的室內(nèi)?？偟恼f來， UWB 的用途很多，主要分為軍用和民用兩個(gè)方面。在建筑物內(nèi)部，由于墻壁和障礙物對(duì)信號(hào)的衰減作用，系統(tǒng)通信距離被限制在約 100m 以內(nèi)。舉例 來說，你儲(chǔ)存的視頻數(shù)據(jù)可以在 PC、DVD、 TV、 PDA 等設(shè)備上共享觀看，可以自由地同 Inter 交互信息，你可以遙控你的 PC，讓它控制你的信息家電，讓它們有條不紊地工作， 28 你也可以通過 Inter 聯(lián)機(jī)，用無(wú)線手柄結(jié)合音、像設(shè)備營(yíng)造出逼真的虛擬游戲空間。據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報(bào)公司在《關(guān)于 UWB 的預(yù)測(cè)和潛在市場(chǎng)應(yīng)用的報(bào)告》指出， 20xx 年全球配備 UWB 的電子設(shè)備和芯片的生產(chǎn)量將達(dá)到 4510 萬(wàn)套，當(dāng)年的收益將達(dá)到 億美元。所以， UWB 處于獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的地位。在此次論文的完成過程中，自始至終受到柏宋老師的支持和幫助，從論文的選題到論文的成稿，無(wú)一不凝聚著柏老師的心血和關(guān)懷。當(dāng)然，作為一種新的民用技術(shù)， UWB 還有其不完善的地方，如輻射問題以及同其它設(shè)備（如 GPS） 共存等一系列問題還有待解決。 29 市場(chǎng)調(diào)查公司 InStat/MDR 預(yù)測(cè)，從 20xx 年到 20xx 年， UWB 節(jié)點(diǎn)/芯片組的交貨量將會(huì)經(jīng)歷綜合年增長(zhǎng)率超過百分之四百的新興市場(chǎng)增長(zhǎng)。與藍(lán)牙、 、等無(wú)線通信相比， UWB 可以提供更快、更遠(yuǎn)、更寬的傳輸速率，越來越多的研究者投入到 UWB 領(lǐng)域，有的單純開發(fā) UWB 技術(shù)，有的開發(fā) UWB 應(yīng)有，有的兼而有之。 PC、 DVD、 DVR、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、 HDTV、PDA、數(shù)字機(jī)頂盒、 MD、 MP智能家電等等出現(xiàn)在普通家庭里，正是 “ 舊時(shí)王榭堂前燕，飛入平常百姓家 ”。此系統(tǒng)使用的是 UWB脈沖信號(hào)，其峰值功率為 4W，工作頻帶范圍為 ～，相對(duì)帶寬為 27%，符合 FCC 對(duì) UWB 信號(hào)的定義。此外，通過降低數(shù)據(jù)率提高應(yīng)用范圍，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn) 。 26 第四章 UWB在短距離無(wú)線通信技術(shù)中的展望 UWB 的優(yōu)勢(shì) 通過對(duì)上章的幾種 短距離無(wú)線通信技術(shù) 技術(shù)的分析， UWB技術(shù)優(yōu)勢(shì)較明顯， UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì) ,且 UWB具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、發(fā)射功率小等優(yōu)點(diǎn) 。原理上講，子信道數(shù)量越多則容納的用戶數(shù)量越大，但這是以犧牲設(shè)備復(fù)雜度和功耗為代價(jià)的。由于每個(gè)幀周期內(nèi)可分的碼片時(shí)隙數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)很大時(shí)必然產(chǎn)生多用戶干擾。在 OFDM 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號(hào)被調(diào)制在并行的多個(gè)正交子載波上傳輸，數(shù)據(jù)調(diào)制 /解調(diào)采用快速傅里葉變換 /逆快速傅里葉變換 (FFT/IFFT)實(shí)現(xiàn)。由于各種脈沖能量相等，因此可以在不增加輻射功率的情況下提高傳輸效率。 (2)脈幅 調(diào)制 脈幅調(diào)制 (PAM)是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在部分重疊的 PPM 中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù) 峰值點(diǎn)，從而使相鄰符號(hào)的歐氏距離最大化。對(duì)于多址技術(shù)解決多個(gè)用戶共享信道的問題，合理的多址方案可以在減小用戶 21 間干擾的同時(shí)極大地提高多用戶容量。 20 圖 有載波修 正余弦脈沖 Hermite 正交脈沖 Hermite 脈沖是一類最早被提出用于高速 UWB 通信系統(tǒng)的正交脈沖成形方法。因此，傳統(tǒng)的用于有載波通信系統(tǒng)的信號(hào)成形方案均可移植到 UWB 系統(tǒng)中。近年來，出現(xiàn)了許多行之有效的方法，如基于載波調(diào)制的成形技術(shù)、 Hermit 正交脈沖成形、橢圓球面波 (PSWF)正交脈沖成形等。收發(fā)信機(jī)不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制 /解調(diào)電路和濾波器。極高的多徑分辨能力賦予UWB 信號(hào)高精度的測(cè)距、定位能力。根據(jù)仙農(nóng)公式，信道容量可以表示成距離的函數(shù)： )](1[lo g)( 2 dS N RBdc r??? () 另外 ,超寬帶信號(hào)具有極其豐富的頻率成分。在 UWB 系統(tǒng)中，信號(hào)帶寬 B 高達(dá) 500MHz~。 根據(jù) UWB 系統(tǒng)的具體應(yīng)用，分為成像系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)、通信與測(cè)量系統(tǒng)三大類。 信號(hào)帶寬與中心頻率之比在 1%～ 25%之間為寬帶，小于 1%為窄帶 。信標(biāo)對(duì)簇形網(wǎng)絡(luò)(Cluster tree work)和網(wǎng)狀網(wǎng) (Mesh work)的節(jié)點(diǎn)同步尤為重要，節(jié)點(diǎn)不用長(zhǎng)時(shí)間偵聽信道 而消耗能量。信道接入方式采用 CSMACA，能有效地減少幀的沖突。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者 (Coordinator)和最多可達(dá) 65 535 個(gè)從屬設(shè)備。由于 HomeRF技術(shù)沒有完全公開，目前只有幾十家小企業(yè)支持，在抗干擾等方面相對(duì)應(yīng)其他技術(shù)而言尚有欠缺，因此它的應(yīng)用前景還不是十分明朗。此 12 外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。 紅外 (IrDA) 紅外技術(shù)簡(jiǎn)介 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) IrDA（ Infrared Data Association）成立于 1993年，是致力于建立紅外線無(wú)線連接的非營(yíng)利組織。 。 (1) 1999 年 9 月正式通過的 標(biāo)準(zhǔn)是 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。 小結(jié) 綜 上所述藍(lán)牙技術(shù)是一種全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、互操作強(qiáng)、體積小、工作頻段不受限制、無(wú)需電纜連接的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新產(chǎn)品，特別適于短距離移動(dòng)傳輸。 8 （ 4） 基帶協(xié)議 藍(lán)牙基帶協(xié)議包含電路交換和分組交換支持電路交換方式和分組交換方式，支持以下三種通信信道： 同步話音同時(shí)傳送信道 ： 可提供三路 64kbit/s 話音信道同時(shí)傳送。 （ 2） 工作方式 采用時(shí)分雙工 跳頻方式，信道分成若干個(gè)長(zhǎng)為 625 微秒的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙交替進(jìn)行發(fā)射和接收實(shí)現(xiàn)時(shí)分雙工。 （ 4）房門公文包。它采用全世界統(tǒng)一的開放性規(guī)范，使不同廠家的移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、信息家電互聯(lián)互通成為可能。當(dāng)以傳輸信號(hào)存在的時(shí)間不同來區(qū)分信道建立多址接入時(shí)，稱為時(shí)分多址方式 (TDMA)。 目前應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式有兩類： (1)直接擴(kuò)頻方式碼分多址 (DS/CDMA)，直接用擴(kuò)頻碼作為地址碼調(diào)制信號(hào)，調(diào)制方式通常用 PSK。接收端采用同樣的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)處理及解調(diào)，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信號(hào)?；竞鸵苿?dòng)臺(tái)的接受機(jī)都可以應(yīng)用分集技術(shù)。 調(diào)制是通過改變高頻載波的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化來實(shí)現(xiàn)的。它對(duì)人類的作用是非常重大的，它是科學(xué)家們努力汗水的結(jié)晶。相關(guān)有代表性的短距離無(wú)