【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 個(gè) UWB脈沖， 是幀長(zhǎng)。 圖 34 是對(duì)二進(jìn)制序列 進(jìn)行 PAMDS 調(diào)制的信號(hào)仿真波形，這里的擴(kuò)頻序列是 ，重復(fù)編碼率為 5，每個(gè)比特由五個(gè)幀組成，前面五個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二進(jìn)制“ 0”，后面的五個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二進(jìn)制“ 1”。產(chǎn)生信號(hào)波形的具體參數(shù)分別為：脈沖發(fā)射功率 30dB，幀長(zhǎng) =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(hào) MBOFDMUWB MBOFDMUWB 是 載波調(diào)制的 UWB 系統(tǒng)中典型的實(shí)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(cè)等，都可以應(yīng)用在 MBOFDM— UWB 系統(tǒng)中。當(dāng)然由于 UWB 信號(hào)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(shí)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(gè)頻帶，給定用戶(hù) 的數(shù)據(jù)在相繼的時(shí) 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(jiǎn)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(guò)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(hào)，基帶調(diào)制信號(hào)加上循環(huán)前綴、 保護(hù)間隔后，生成 OFDM 符號(hào)。多個(gè) OFDM 符號(hào)加上導(dǎo)頻符號(hào)后形成一個(gè)數(shù)據(jù)包，一個(gè)已調(diào)的 OFDM 信號(hào)由調(diào)制在不同載波頻率上的幾個(gè)并行射的信號(hào)組成。導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)部分是通過(guò)加入 6 個(gè)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(shí)域輸出的結(jié)果中添加 37 個(gè)零后綴。這部分導(dǎo)頻符號(hào)可以用做信道頻域響應(yīng)估計(jì)，生成的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模變換(DAC， Digital to Analog Converter)后，成為基帶模擬信號(hào)。最后基帶模擬信號(hào)利用時(shí)頻編碼調(diào)制多個(gè)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(gè) MBOFDMUWB 符號(hào)。這里的實(shí)現(xiàn)參數(shù)是： OFDM 的載波數(shù)為 128，每個(gè)符號(hào)的持續(xù)時(shí)間為 ，包含了 ns 的保護(hù)時(shí)間以及 的信息時(shí)間長(zhǎng)度，其中保護(hù)時(shí)間又包含 的循環(huán)前綴和 的初始間隙。 圖 36 一個(gè) MBOFDMUWB 符號(hào) MBOFDMUWB 是實(shí)現(xiàn) WPAN 的最佳選擇之一，在數(shù)字化無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化辦公室、個(gè)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(gè)子帶技術(shù)都是基于傳統(tǒng)的通信方案?jìng)鬏數(shù)?，這種方式有利于 實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。目前， MBOFDMUWB 已經(jīng)成為高速無(wú)線個(gè)域網(wǎng) (HRWPAN)的物理層技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。 UWB 信號(hào)的接收 UWB 信號(hào)在信道傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)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(huì)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(hào)波形會(huì)存在嚴(yán)重的失真。因此接收機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題就是找到一種盡可能最佳的方式從接收信號(hào)中提取有用的信號(hào)，實(shí)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?yàn)? 需要信道估計(jì)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(duì)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(wú)多徑時(shí) AWGN 信道的最佳接收機(jī) 在 AWGN 信道中，接收信號(hào)主要受熱噪聲的污染，熱噪聲可以通過(guò)白高斯 隨機(jī)過(guò)程 來(lái)表示，發(fā)射信號(hào)為 ，這里假設(shè)信道是單徑信道且無(wú)多址干擾， 則接收信號(hào)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(cè)。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(hào)已經(jīng)同步， 為本地模版信號(hào)，則模版信號(hào)為： （ 34） 這里，重復(fù)編 碼率為 ，幀長(zhǎng)為 ， 是傳送一個(gè)比特的時(shí)間， 是j 的函數(shù)，其單位能量對(duì)不同的調(diào)制方式是不同的，這里以 PAMDSUWB 信號(hào)為例， 其中： (35) 接收信號(hào) r（ t）與本地模版信號(hào) 進(jìn)行相關(guān)，輸出為 y（ t），在第 n 個(gè)符號(hào)間隔末，即 t=n 時(shí)，判決變量可以表示為： (36) 其中 ,“ ”是發(fā)送信息符號(hào)“ 1”的情況，“ ”是發(fā)送信息符號(hào)“ 0”的情況， 是信號(hào)“ 0”與“ 1”的相關(guān)系數(shù) (PPM 為“ 0”， PAM 為“ 1” )。 是單個(gè)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(gè)發(fā)送信息符號(hào)，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(guò) 仿真，對(duì)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(hào)經(jīng)過(guò)多徑信道的 衰減、時(shí)延和失真之后，在接收端得到 多個(gè)信號(hào)的疊加。接收端 UWB 多徑信號(hào) 可以表示為單個(gè)發(fā)射脈沖經(jīng)過(guò)時(shí)延和衰減之后的脈沖序列，接收到的信號(hào)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(duì)應(yīng)的時(shí)延。 是傳送一個(gè)比特的時(shí)間，重復(fù)編碼率為 ， 幀長(zhǎng)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(hào)能量是散布在一段時(shí)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(hào)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(gè)叉指的 Rake 接收機(jī)，有 L 個(gè)多徑對(duì)應(yīng)的附加時(shí)延分別為別為，且有 0 ，接收機(jī)由 L 個(gè)相關(guān)器組成，分 別將接收信號(hào) r(t)與本地參考信號(hào)時(shí)延 后的模板 相關(guān)?？紤]第 n 個(gè)信息符號(hào)的檢測(cè)， 則第 L 個(gè)相 (t)關(guān)器的輸出為： = (39) 其中， 為接受信號(hào)與模板信號(hào)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(shí)，對(duì)于發(fā)信號(hào)的寬帶特性，收信號(hào) 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(hào)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(wú)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(mén)且富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)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(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置的過(guò)程，這一過(guò)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(duì)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(chǎng)大廳、 倉(cāng)庫(kù)、超市、圖書(shū)館、地下停車(chē)場(chǎng)、礦井等環(huán)境，利用各種定位技術(shù)確定移動(dòng)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(lái)，定位技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用 于蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)、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(jì)算以及無(wú)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(shí)際問(wèn)題，并且取得了很多進(jìn) 展。在很多軍用和民用的場(chǎng)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(wú)線定 位技術(shù)可以解決很多實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。 在眾多的定位技術(shù)中， UWB 由于窄脈沖的帶寬很寬，測(cè)量定位參數(shù) TOA 時(shí)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(dòng)物體 以及人的定位 跟蹤與導(dǎo)航，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 無(wú)線定位技術(shù) 無(wú)線定位技術(shù)有很多種實(shí)現(xiàn)方法，在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，首先要依據(jù)信號(hào)的 形式來(lái)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(duì)應(yīng)的方程組，對(duì) 方程組求解就能獲得目標(biāo)的坐標(biāo)信息。下面對(duì)無(wú)線定位的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。 無(wú)線定位的概述 無(wú)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(hào)形式上看，包 括紅外 (IR， Infrared)、超 聲波 (US， Ultrasonic)和射頻識(shí)別技術(shù) (RFID， Radio Frequency Identification)等，這些都是傳統(tǒng)室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng)主要的形式。 UWB 是近幾年新發(fā)展起來(lái)的無(wú)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(diǎn)，下面分別介紹。 GPS： GPS 是 20 世紀(jì) 70 年代初，美國(guó)出于軍事目的而開(kāi)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(cè)量的經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)計(jì)算移動(dòng)用戶(hù)的位置，一般用 于車(chē)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(shì)是 衛(wèi)星有效覆蓋的范圍大，且定位導(dǎo)航信號(hào)是免費(fèi)的。其缺點(diǎn)是定位信號(hào)到達(dá)地面 時(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等要求低復(fù)雜度和低能耗的場(chǎng)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?xún)?nèi)的地 理區(qū)域，而且很容易受到其它信號(hào)的干擾，從而影響其定位精度，同時(shí)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(hào)強(qiáng)度分析法，通過(guò)標(biāo)簽檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng) 弱來(lái)確定目標(biāo)之間的距離，采用聚合算法對(duì)三維空間進(jìn)行定位。主要用于門(mén)禁系 統(tǒng)，包括主動(dòng) RFID 和被動(dòng) RFID。其優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)簽的體積比較小，造價(jià)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(guò)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(hào)來(lái)實(shí)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(shuō)當(dāng) 標(biāo)簽放在衣服口袋或者有墻壁及其它遮擋時(shí)，系統(tǒng)就不能實(shí)現(xiàn)正確的定位。目前 該項(xiàng)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(cè)距法，通過(guò)三角定位等算法來(lái) 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(jí)，但是它也只 能進(jìn)行視距傳播，同時(shí)需要大量的底層硬件設(shè)備，