【正文】 ...... 24 ....................................... 24 總結(jié) ................................................... 25 參考文獻(xiàn) ............................................... 26 致 謝 ................................................ 27 外文文獻(xiàn)翻譯 .......................................... 16 1 UWB超寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 通信 工程 專業(yè) 2021 級 劉 勇 摘 要 : 超寬帶無線通信技術(shù)由于其較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較低的功率衰耗和強(qiáng)大的抗多徑干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，視為下一代無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。隨著時代的進(jìn)步以及電子產(chǎn)品的普及，人們對計算機(jī)、通信、家用電器等消費(fèi)電子之間無線融合的需求指明了無線通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。根據(jù)美國 FCC對 UWB技術(shù)的定義，相對帶寬大于 500MHz 的系統(tǒng)都可看作 UWB 系統(tǒng)，并分配 UWB系統(tǒng)可使用的頻段，在該頻段內(nèi)， UWB 設(shè)備的發(fā)射功率需低于 ，以便與其他無線通信系統(tǒng)共存。 英特爾 (Intel)公司在 2021 年成立了 UWB 研究實(shí)驗(yàn)室，并在 2021年 4 月展示了其傳輸速率高達(dá) 480Mb/s 的 UWB 設(shè)備。次年 3 月， sG3a 工作組收到了來自全球的 23 個提案。 本文所做的工作 本文設(shè)計了一個符合 超寬帶無線 5 通信系統(tǒng)模型，通過 simulink 平臺仿真驗(yàn)證了其正確性。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 。脈沖信號產(chǎn)生器還應(yīng)該容易實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)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]。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。高斯脈沖非常適合本文的分析，因?yàn)楦咚姑}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。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數(shù)的增加而改變。 單脈沖調(diào)制 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 。在 PPM 調(diào)制中，脈沖的極性和幅度都不改變。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 。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。多徑傳播模型對傳輸技術(shù)的選擇和接收機(jī)的設(shè)計至關(guān)重要。 這個模型是將室內(nèi)環(huán)境分成四種典型的情況 : CM1(0~4m,視距傳播 (LOS)),CM2(0~4m, 非視距傳播 (NLOS)), CM3 (4~10m,非視距傳播 (NLOS)),CM4(4~10m,極端情況下的非視距傳播 (NLOS)),特性如表 所示。在接收端 ,通過判決延遲 D 時刻獲得的接收脈沖信號的自相關(guān)值提取數(shù)據(jù)信息 ,TR 自相關(guān)接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 [12]。 其中 OFDM 發(fā)射機(jī) 是 發(fā)射機(jī)模型 的核心模塊 ，其結(jié)構(gòu) 如圖 所示： 1O u t 1F i xe d P o i n tA n a l ys i s( 1 6 b i t s )f p a n a l ys i sZ e r o S u f f i x,U n g r o u pF r a m e s ,andG u a r d P e r i o dZ e r o P a da n d S h i f tf o r F F TH o r i z C a tH o r i z C a tP i l o t sP S S e q u e n ceA s s e m b l eO F D MF r a m e s K N o r m a l i ze I F F TI F F T 1G r o u p D a t a f o rO F D M S ym b o l sF S S e q u e n ceZ e r o D CC o n ve r tC o n ve r tC E S e q u e n ce2 x S p r e a d i n g1I n 1 圖 OFDM 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu) 這個子系統(tǒng)的目的是要將 QPSK符號有效載荷轉(zhuǎn)變成 OFDM符號（每165 個樣本） 的 幀 中 ，并將它傳遞給 發(fā)射機(jī)的射頻 前端。 發(fā)射端信號仿真分析 圖 跳頻時序仿真圖 圖 三個子頻帶頻譜圖 23 由 圖 可知系統(tǒng)分三個頻段進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻，其各頻段的頻譜圖如 圖 所示。 （ 4） 建立的超寬帶通信系統(tǒng)的仿真模型，并完成的 仿真實(shí)驗(yàn)，使系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計的要求。美國聯(lián)邦通訊委員會（ FCC）目前正在制定 措施 限制超寬帶通信系統(tǒng) 的輻射排放量 ， 與家用電腦 管理 的輻射排放量 相同，在 無牌經(jīng)營的基礎(chǔ)上部署第 有目的的散熱輻射規(guī)則。英特爾架構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（ IAL）目前正在內(nèi)部資助研究項目，其目的是進(jìn)一步探討延伸到高速率通信領(lǐng)域超寬帶技術(shù)的潛在好處和未來的挑戰(zhàn)。 30 雖然 產(chǎn)生一個 UWB波形有許多其他的 方法， 但 在本文中， 我們 著重 敘述脈沖的超寬帶波形 。在過去數(shù)年，甚至更短距離系統(tǒng)，從 10 到 100 米，已經(jīng)開始出現(xiàn) ,帶動了 以 數(shù)據(jù) 應(yīng)用為主。正如電話功能的蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)，趨勢 3 使 高帶寬 成為可能 ， 包括 在建的服務(wù)提供低功率短距離如使用藍(lán)牙和 IEEE 成為可能 。 ? （ 2）藍(lán)牙，是一種 低功耗模式，具有 在 額定 10米范圍內(nèi)，峰值在空中的 1Mbps 的速度。 目前的低數(shù)據(jù)速率無線局域網(wǎng)（ WLAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（ WPAN）能夠達(dá)到 110Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，通常用于諸 如分組交換數(shù)據(jù)和無線語音電話應(yīng)用，使用時分多址（ TDMA）語音電路。 MAC 層最重要的無線網(wǎng)絡(luò)功能，包括信道接入控制，保持服務(wù)質(zhì)量（ QoS），并提供安全性。因此，例如，語音電話和視頻電話會議應(yīng)用在延遲和抖動性能 方面有 嚴(yán)格 要求。由于在 5GHz 范圍內(nèi)的 U 型國家信息基礎(chǔ)設(shè)施帶下部的200MHz的可用頻譜， 12這種系統(tǒng)可以同時運(yùn)行在一個 50 米環(huán)路 中 ，并可以聚集 648Mbps 的速度。例如： （ 1） 有 100 米額定工作范圍。 （ 2）擁擠的頻譜分割 卻以傳統(tǒng)的方 式 被 監(jiān)管部門分段和控制 。原來的無線系統(tǒng)用于測量大型橋梁的 距離，以便使雙方聯(lián)系在一起。顯然，這種帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前任何技術(shù)所采用的通信帶寬。 29 英特爾 174。在論文撰寫過程中， 江 老師時時關(guān)注，并細(xì)致入微的審閱我的論文，提出很多寶貴意見。 25 總結(jié) 超寬帶無線通信技術(shù)作為一項新興 的 無線通信技術(shù)，因其本質(zhì)及具有信息傳輸速率很高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)容量大、與現(xiàn)有通信系統(tǒng)頻譜共享、低功耗等諸多優(yōu)越性而成為人類實(shí)現(xiàn)未來中短程高速無線通信的首選無線通信技術(shù)。 仿真模型的接收機(jī)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如 圖 所示： 圖 系統(tǒng)接收機(jī)模型圖 20 信號經(jīng)過跳頻解擴(kuò)和濾波，經(jīng)過 OFDM接收 QPSK解調(diào)和解交織，最后經(jīng)過維特比解碼接收。 OFDM信號使用跳頻（多頻 帶）技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)頻 ,本系統(tǒng)采用三個子頻帶來實(shí)現(xiàn) OFDM信號在 UWB 系統(tǒng)中的 應(yīng)用 。根據(jù)超寬帶信號要求和各種相關(guān)器的特點(diǎn) ,沖激無線電的相關(guān)器 設(shè)計通常采用模擬式相關(guān)器或混合式相關(guān)器。脈沖的性狀應(yīng)與傳播路徑有關(guān) ,不同的傳播路徑有不同的沖激響應(yīng)。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。 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 12 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。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。 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。 10 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)。 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)。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。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 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。提高脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸 。 6 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 。 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 。 2021 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， 4 鼓勵國內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研究工作。 1989 年，美國國防部高級研究院計劃署 (DARPA, Defense Advanced Research projects Agency)首先提出了超寬帶這 一 術(shù)語。目前， WPAN 的主要技術(shù)有 :藍(lán)牙(Bluetooth)、紅外線 (IrDA， Infrared Data Association)、家用無線局域網(wǎng)技術(shù) (Home RF， Home Radio Frequency)和超寬帶無線通信 (UWB)等。 Transmitter。 Simulation 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo) 教師評定成績 評審基元 評審要素 評審內(nèi)涵 滿分 實(shí)評分 選題質(zhì)量30% 目的明確 符合要求 選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和綜合訓(xùn)練的基本要求 10 選題恰當(dāng) 題目規(guī)模適當(dāng) 5 題目難易度適中 5 聯(lián)系實(shí)際 題目與生產(chǎn)、科研、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等實(shí)際相結(jié)合，具有一定的 實(shí)際價值 10 能力水平35% 綜合運(yùn)用 知識能力 能將所學(xué)專業(yè)知識和機(jī)能用與畢業(yè)設(shè)計中；設(shè)計內(nèi)容有適當(dāng)?shù)纳疃取V度和難度 5 應(yīng)用文獻(xiàn) 資料能力 能 獨(dú)立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，能對本設(shè)計所涉及的有關(guān)研究狀況及成果歸納、總結(jié) 和恰當(dāng)運(yùn)用 5 實(shí)驗(yàn)（設(shè)計） 能力 能運(yùn)用本學(xué)科常用的研究方法，選擇合理可行的方案，能對實(shí)際問題進(jìn)行分析，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（設(shè)計），具有較強(qiáng)的動手能力 5 計算能力 原始數(shù)據(jù)搜集得當(dāng)；能進(jìn)行本專業(yè)要求的計算，理論依據(jù)正 確，數(shù)據(jù)處理方法和處理結(jié)果正確 5 外文應(yīng)用 能力 能搜集、閱讀、翻譯、歸納、綜述一定量的本專業(yè)外文資料與外文摘要，并能加以運(yùn)用，體現(xiàn)一定的外語水平 5 計算機(jī)應(yīng)用能力 能根據(jù)設(shè)計題目要求編程上機(jī)或使用專業(yè)應(yīng)用 軟件完成設(shè)計任務(wù) 5 分析能力 能對設(shè)計項目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析或?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析 5 設(shè)計質(zhì)量35% 插圖或圖紙質(zhì)量 能用計算機(jī)繪圖，且繪制圖紙表格符合標(biāo)準(zhǔn) 5 說明書撰寫水平 設(shè)計說明書齊全；概念清楚，內(nèi)容正確，條理分明，語言流 暢，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)； 篇幅達(dá)到學(xué)校要求 15 規(guī)范化程度 設(shè)計的格式、圖紙、數(shù)據(jù)、用語、量和單位、各種資料引用和 運(yùn)用規(guī)范化，符合標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計欄目齊全合理 5 成果的實(shí)用性與科學(xué)性 較好地完成設(shè)計選題的目的要求， 成果富有一定的理論深度和實(shí)際運(yùn)用價值 5 創(chuàng)見性 具有創(chuàng)新意識，設(shè)計具有一定的創(chuàng)新性 5 正文部分成績（上表）： 總成績： 評定等級： 外文資料譯文成績： 評閱教師評審意見： 評閱教師簽名： 說明：此表指標(biāo)部分為正文部分計分表，正文部分成績＝實(shí)評總分 ，外文資料譯文成績滿分為 10分。 第七階段：準(zhǔn)備并完成正式答辯。 主要設(shè)計方法或技術(shù) 路線： 首先分別 建立 超寬帶通信系統(tǒng)的三個模塊：發(fā)射機(jī)，無線信道，接收機(jī)，以及三個模塊的參數(shù)設(shè)置和具體的配置