【文章內(nèi)容簡介】 個 UWB脈沖， 是幀長。 圖 34 是對二進(jìn)制序列 進(jìn)行 PAMDS 調(diào)制的信號仿真波形，這里的擴(kuò)頻序列是 ，重復(fù)編碼率為 5，每個比特由五個幀組成，前面五個脈沖對應(yīng)二進(jìn)制“ 0”，后面的五個脈沖對應(yīng)二進(jìn)制“ 1”。產(chǎn)生信號波形的具體參數(shù)分別為：脈沖發(fā)射功率 30dB，幀長 =2ns，碼片寬度 =1ns，高斯脈沖的形成因子 ，脈沖寬度 =。 圖 34 PAMDSUWB 發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信號 MBOFDMUWB MBOFDMUWB 是 載波調(diào)制的 UWB 系統(tǒng)中典型的實現(xiàn)方式。它在原理和 結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)有很多相似之處，因此傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的各種先進(jìn)技術(shù)， 如 CDMA、 OFDM、多輸入／多輸出 (MIMO)、 Turbo 檢測等，都可以應(yīng)用在 MBOFDM— UWB 系統(tǒng)中。當(dāng)然由于 UWB 信號具有超寬的帶寬特性，這些技 術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)的應(yīng)用方式又有許多不同地方。 MBOFDMUWB 的實現(xiàn)方法是在 FCC 規(guī)定的頻帶范圍 ～ 10． 6 GHz 內(nèi)，把這 的帶寬分割成最小帶寬為 500 MHZ 的若干個頻帶，給定用戶 的數(shù)據(jù)在相繼的時 間內(nèi)在不同的子帶上傳輸。圖 35 是 MBOFDMUWB 系統(tǒng)發(fā) 射機(jī)的簡化原理圖。 數(shù) 據(jù)加 擾卷 積 碼編 碼交 織I F F T插 入 導(dǎo) 頻加 入 C P , G ID A Ce x p ( j 2 π f t )交 織 控 制 器 圖 35 MBOFDMUWB 發(fā)射機(jī)原理圖 在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)過卷積編碼后進(jìn)行比特交織，然后進(jìn)行四相移相鍵控(QPSK， Binary Phase Shift Keying)映射和正交擴(kuò)頻編碼。接著進(jìn)行快速傅里葉反變換 (IFFT， Inverse Fast Fourier Transform)產(chǎn)生基帶調(diào)制信號，基帶調(diào)制信號加上循環(huán)前綴、 保護(hù)間隔后，生成 OFDM 符號。多個 OFDM 符號加上導(dǎo)頻符號后形成一個數(shù)據(jù)包，一個已調(diào)的 OFDM 信號由調(diào)制在不同載波頻率上的幾個并行射的信號組成。導(dǎo)頻符號的信道估計部分是通過加入 6 個周期的 OFDM 訓(xùn)練序列構(gòu)成的，該訓(xùn)練序列由 IFFT 產(chǎn)生，并在時域輸出的結(jié)果中添加 37 個零后綴。這部分導(dǎo)頻符號可以用做信道頻域響應(yīng)估計，生成的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模變換(DAC， Digital to Analog Converter)后，成為基帶模擬信號。最后基帶模擬信號利用時頻編碼調(diào)制多個不同的載波，相加合并后由同一天線輸出。 圖 36 是仿真產(chǎn)生的一個 MBOFDMUWB 符號。這里的實現(xiàn)參數(shù)是： OFDM 的載波數(shù)為 128，每個符號的持續(xù)時間為 ，包含了 ns 的保護(hù)時間以及 的信息時間長度，其中保護(hù)時間又包含 的循環(huán)前綴和 的初始間隙。 圖 36 一個 MBOFDMUWB 符號 MBOFDMUWB 是實現(xiàn) WPAN 的最佳選擇之一，在數(shù)字化無線家庭網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化辦公室、個人便攜設(shè)備和軍事等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，由于多頻 帶的各個子帶技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的通信方案傳輸?shù)?，這種方式有利于 實現(xiàn)商業(yè)化。目前， MBOFDMUWB 已經(jīng)成為高速無線個域網(wǎng) (HRWPAN)的物理層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。 UWB 信號的接收 UWB 信號在信道傳輸?shù)倪^程中會受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等的 影響，另外還可能會有多址干擾、窄帶干擾以及背景噪聲的影響，這樣到達(dá)接收 機(jī)的信號波形會存在嚴(yán)重的失真。因此接收機(jī)的設(shè)計問題就是找到一種盡可能最佳的方式從接收信號中提取有用的信號，實現(xiàn)信息正確的解調(diào)和恢復(fù)。 在單徑、加性高斯白噪聲 (AWGN， Additive White Gaussian Noise)信道中，UWB 最佳接收機(jī)由相關(guān)器和判決器組成；在多徑傳播環(huán)境下，最佳接收機(jī)的性 能不再是最佳，需要使用 Rake 接收機(jī)收集多徑能量以提高接收性能，但是因為 需要信道估計和同步， Rake 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；為了減少接收機(jī)的復(fù)雜性，可以采用基于發(fā)射參考脈沖 (TR， Transmitted Reference)的接收機(jī)方案，但是其傳 輸速率下降 3 dB。下面就針對最佳接收機(jī)和 Rake 接收機(jī)這兩種接收機(jī)進(jìn)行分析。 無多徑時 AWGN 信道的最佳接收機(jī) 在 AWGN 信道中，接收信號主要受熱噪聲的污染，熱噪聲可以通過白高斯 隨機(jī)過程 來表示，發(fā)射信號為 ，這里假設(shè)信道是單徑信道且無多址干擾， 則接收信號表示為： （ 33） 為了保證系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃院凸β市?，這里采用相干檢測。相干接收的最 佳接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 37 所示。 圖 37 最佳接收機(jī)框圖 假設(shè)收、發(fā)信號已經(jīng)同步， 為本地模版信號，則模版信號為： （ 34） 這里，重復(fù)編 碼率為 ，幀長為 ， 是傳送一個比特的時間， 是j 的函數(shù)，其單位能量對不同的調(diào)制方式是不同的，這里以 PAMDSUWB 信號為例， 其中： (35) 接收信號 r（ t）與本地模版信號 進(jìn)行相關(guān)，輸出為 y（ t），在第 n 個符號間隔末，即 t=n 時，判決變量可以表示為： (36) 其中 ,“ ”是發(fā)送信息符號“ 1”的情況，“ ”是發(fā)送信息符號“ 0”的情況， 是信號“ 0”與“ 1”的相關(guān)系數(shù) (PPM 為“ 0”， PAM 為“ 1” )。 是單個脈沖 的能量， 是比特能量， ，是均值為 0、方差為的高斯隨機(jī)變量。 令 為第 n 個發(fā)送信息符號，則最大似然 (ML， Maximum Likelihood)判斷規(guī) 則表示為： (37) 可以得到 UWB 最佳接收機(jī)的誤比特率為： 其中， Q( )是誤差函數(shù)， 是比特能量， 在 PPM 為“ 0”， PAM 為“ 1。 通過 仿真，對不同信噪比和不同調(diào)制方式的 UWB 最佳接收機(jī)的誤比特率進(jìn) 行了比較，圖 38 給出了 2PPM和 2PAM在不同信噪比情況下的誤比特率曲線圖。 由圖中可以看出，在單徑 AWGN 信道中， UWB 最佳接收機(jī)的誤比特率隨著噪 比的升高而下降；在相同信噪比的情況下，采用 PAM 調(diào)制比 PPM 調(diào)制的誤比特 率性能要好。 圖 38 AWGN 信道中 2PPM 和 2PAM 的誤比特率曲線 多徑信道的 Rake 接收機(jī) UWB 系統(tǒng)應(yīng)用的典型環(huán)境是室內(nèi)密集多徑環(huán)境，發(fā)射信號經(jīng)過多徑信道的 衰減、時延和失真之后，在接收端得到 多個信號的疊加。接收端 UWB 多徑信號 可以表示為單個發(fā)射脈沖經(jīng)過時延和衰減之后的脈沖序列，接收到的信號可表示 為： (38) 這里， h(t)表示信道沖激響應(yīng)， L 表示多徑數(shù)目， 是各徑幅值的衰減系數(shù)， 是各徑對應(yīng)的時延。 是傳送一個比特的時間，重復(fù)編碼率為 ， 幀長為 ， 是脈沖能量， n(t)是高斯白噪聲。 在這種情況下，接收到的 UWB 信號能量是散布在一段時間內(nèi)的，出現(xiàn)在不同的多徑分量上，因此需要使用 Rake 接收機(jī)，從可分辨的多徑信號中構(gòu)筑合并 的脈沖波形，從而提高傳輸特性。 這里考慮 L 個叉指的 Rake 接收機(jī)，有 L 個多徑對應(yīng)的附加時延分別為別為，且有 0 ，接收機(jī)由 L 個相關(guān)器組成，分 別將接收信號 r(t)與本地參考信號時延 后的模板 相關(guān)?？紤]第 n 個信息符號的檢測， 則第 L 個相 (t)關(guān)器的輸出為： = (39) 其中， 為接受信號與模板信號互相關(guān)輸出的幅值， 均值為 0、方差為的高斯隨機(jī)變量。 Rake 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 39 所示： 圖 39 Rake 接收機(jī)框圖 當(dāng)信道為頻率選擇性衰落信道時，對于發(fā)信號的寬帶特性，收信號 r(t)具有內(nèi)在的多徑分集。在此情況下， Rake 接收機(jī)可利用分集技術(shù)，從可分辨的多徑信號中構(gòu)筑合并的脈沖波形，以提高傳輸特性。 各相關(guān)器輸出的合并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（ EGC）、最大比值合并（ MRC）、選擇式合并等。 第四章 UWB 無線定位系統(tǒng) 引言 定位通常是指確定地球表面的物體在某一 參考系中的位置。定位技術(shù)的研究在很多領(lǐng)域都是比較熱門且富有挑戰(zhàn)性的問題。傳統(tǒng)的定位技術(shù)和導(dǎo)航有著密不可分的關(guān)系，導(dǎo)航是引導(dǎo)交通工具或者其它物體從一個位置移動到另一個位置的過程，這一過程通常需要定位進(jìn)行輔助。隨著定位技術(shù)的發(fā)展和定位服務(wù)需求的不斷增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求包括在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，如在機(jī)場大廳、 倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境，利用各種定位技術(shù)確定移動終 端或其持有者、物品與設(shè)施等在室內(nèi)的位置信息。 位置信息是判斷提供何種服務(wù)的重要信息之一。近年來，定位技術(shù)開始應(yīng)用 于蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)設(shè) 計、信道分配、切換、小區(qū)服務(wù)區(qū)域確定、 E911 緊急援助、交 通監(jiān)控與管理等領(lǐng)域。在機(jī)器人、普適計算以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等研究領(lǐng)域中， 很多研究者們提出了各種各樣的定位方法以解決實際問題，并且取得了很多進(jìn) 展。在很多軍用和民用的場合同樣都需要精確的定位信息，比如兒童搜尋，尋找 失落的寵物、行李，貴重物品定位，跟蹤搜索和解救人員等等因此研究無線定 位技術(shù)可以解決很多實際應(yīng)用的問題。 在眾多的定位技術(shù)中， UWB 由于窄脈沖的帶寬很寬，測量定位參數(shù) TOA 時理論上可以達(dá)到很高的精度，因此應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體 以及人的定位 跟蹤與導(dǎo)航，具有獨特的優(yōu)勢。 無線定位技術(shù) 無線定位技術(shù)有很多種實現(xiàn)方法，在對目標(biāo)進(jìn)行定位時，首先要依據(jù)信號的 形式來確定定位所需要的參數(shù)，然后根據(jù)定位的幾何模型建立對應(yīng)的方程組，對 方程組求解就能獲得目標(biāo)的坐標(biāo)信息。下面對無線定位的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。 無線定位的概述 無線定位技術(shù)和方案很多，全球定位系統(tǒng) (GPS， Global Positioning System) 是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)。常用的室內(nèi)定位技術(shù)從信號形式上看，包 括紅外 (IR， Infrared)、超 聲波 (US， Ultrasonic)和射頻識別技術(shù) (RFID， Radio Frequency Identification)等，這些都是傳統(tǒng)室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要的形式。 UWB 是近幾年新發(fā)展起來的無線定位技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位。這些技術(shù)各有特 點，下面分別介紹。 GPS： GPS 是 20 世紀(jì) 70 年代初，美國出于軍事目的而開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位 系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的室外定位技術(shù)，能達(dá)到的定位精度范圍在 520 m。 它主要利用幾顆衛(wèi)星測量的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)計算移動用戶的位置，一般用 于車輛導(dǎo)航和手持設(shè) 備。在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了增強(qiáng)型 GPS、輔助 GPS 等技術(shù)， 它們可以廣泛用于航空、航海和野外定位等領(lǐng)域。利用 GPS 進(jìn)行定位的優(yōu)勢是 衛(wèi)星有效覆蓋的范圍大，且定位導(dǎo)航信號是免費的。其缺點是定位信號到達(dá)地面 時強(qiáng)度較弱，不能穿透建筑物，因此不適合室內(nèi)定位，而且定位器終端的成本比 較高，不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等要求低復(fù)雜度和低能耗的場合。 WiFi 定位：這是 IEEE 802． 11 提供的一種定位解決方案。目前，它應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本比較低。 WiFi 定位的不足之處是它的收發(fā)器只能覆蓋半徑在 90 m以內(nèi)的地 理區(qū)域，而且很容易受到其它信號的干擾，從而影響其定位精度，同時它的定位器的能耗也比較高。 RFID： 這種室內(nèi)定位系統(tǒng)基于信號強(qiáng)度分析法，通過標(biāo)簽檢測到的信號強(qiáng) 弱來確定目標(biāo)之間的距離，采用聚合算法對三維空間進(jìn)行定位。主要用于門禁系 統(tǒng)，包括主動 RFID 和被動 RFID。其優(yōu)點是標(biāo)簽的體積比較小，造價比較低， 但是它作用的距離比較近，而且不具有通信能力，也不便于整合到其它系統(tǒng)中。 紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)： 紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過紅外標(biāo)簽發(fā)射調(diào)制的紅外射 線，由室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收信號來實現(xiàn)定位的。雖然紅外線有相當(dāng)高的室 內(nèi)定 位精度，但是由于光不能穿透障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，也就是說當(dāng) 標(biāo)簽放在衣服口袋或者有墻壁及其它遮擋時，系統(tǒng)就不能實現(xiàn)正確的定位。目前 該項技術(shù)典型的代表是 Active Badge 系統(tǒng)。 US 室內(nèi)定位系統(tǒng)： US 定位主要采用反射式測距法，通過三角定位等算法來 確定物體的具體位置。雖然整體的定位精度很高，可以達(dá)到厘米級，但是它也只 能進(jìn)行視距傳播，同時需要大量的底層硬件設(shè)備，