【文章內(nèi)容簡介】 ，雙方仍然沒能使對方妥協(xié) [3]。 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。首先，本文根據(jù) UWB 超寬帶通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、工作原理和 OFDM 技術(shù)在接收機(jī)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用等原理對超寬帶通信系統(tǒng)的構(gòu)建進(jìn)行了分析，將超寬帶通信系統(tǒng)的模型分為接收機(jī)、無線信道、發(fā)射機(jī) 、譜分析和誤碼率分析五個模塊 ，然后利用 simulink 平臺實(shí)現(xiàn)了這些模塊。最后通過對系統(tǒng)的仿真運(yùn)行，分析系統(tǒng)的頻譜和誤碼率，并根據(jù)仿真的結(jié)果來對設(shè)計做出了調(diào)整。 本文的結(jié)構(gòu) 本文 第一章介紹了本次畢業(yè)設(shè)計的研究背景、意義及所作的工作等；第二章 對超寬帶無線通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)，包括脈沖信號的產(chǎn)生和調(diào)制技術(shù)做了比較詳細(xì)的介紹；第三章對 CM1 信道和超寬帶無線 通信系統(tǒng)的 信道的基本概念進(jìn)行了相關(guān)介紹；第四章 對超寬帶無線通信系統(tǒng) 的 相關(guān)接收機(jī)模塊分自相關(guān)和互相關(guān) 兩個 模塊做了相關(guān)介紹；第五章分模塊詳細(xì) 地 描述了 simulink 建模方案； 第六章對整個通信系統(tǒng)的仿真進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 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 。其二是其調(diào)制方式。本章重點(diǎn)介紹超寬帶無線通信系統(tǒng) 發(fā)射機(jī)，具體包括 波形設(shè)計 和 調(diào)制方式 等 。根據(jù)超寬帶基帶脈沖的頻譜特性，超寬帶脈沖可以分為兩大類 :第 一 類是基帶脈沖，該脈沖包含從低頻到高達(dá)幾個 GHz的頻率的連續(xù)帶寬 。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 。 在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，信息是調(diào)制在脈沖上傳遞的，既可以用單個 脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息 [4]。 超寬帶脈沖的產(chǎn)生 超寬帶窄脈沖的產(chǎn)生，通常要滿足下列條件 :脈沖寬度要窄，實(shí)現(xiàn)超寬帶沖激無線通信的脈沖寬度通常在 1ns 以下 。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中頻譜特性的需要，選擇不同的波形 。提高脈沖重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸 。脈沖的位置或者幅度可控，以適應(yīng)脈沖位置調(diào)制或者脈沖幅度調(diào)制的需要，特別是脈沖的起始位置，必須要精確控制，否則時間位置 的偏移會造成信號同步的解調(diào)的困難，在需要功率控制的情況下，脈沖的能量應(yīng)該可控 。輻射功率嚴(yán)格限制，以免對其它系統(tǒng)造成干擾 。輸出要穩(wěn)定，在發(fā)射脈沖寬度較窄、傳輸速率較高的情況下，要保證接收端正確地捕獲、同步和解調(diào)，必須要求脈沖產(chǎn)生器輸出的波形、相位保持較高的穩(wěn)定性 。脈沖信號產(chǎn)生器還應(yīng)該容易實(shí)現(xiàn)。超 7 寬帶脈沖的產(chǎn)生方式主要有兩類 :低功率系統(tǒng)的集成電路設(shè)計和半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)。對于半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，器件的開關(guān)特性是實(shí)現(xiàn)窄脈沖產(chǎn)生器的關(guān)鍵。目前主要采用的有隧道二極管 (Tunnel Diode)，雪崩二極管 (Avalanche Diode)、雪崩三極管 (Avalanche Transistor)、階躍恢復(fù)二極管 (SRD， Step Recovery Diode)，飄移階躍恢復(fù)二極管 (DSRD， Drift Step Recovery Diode)和飄移階躍恢復(fù)三極管 (DSTR， Drift Step Recovery Transistor)[5]。 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。事實(shí)上，產(chǎn)生非正弦脈沖要比產(chǎn)生脈沖調(diào)制正弦波更容易、更經(jīng)濟(jì)。超寬帶大電流輻射 (LCR， Large Current Radiator)天線的問世，使得利用 一 些經(jīng)濟(jì)的技術(shù)和工藝 (如 CMOS 芯片 )來產(chǎn)生持續(xù)時間在ns 級的脈沖成為可能。這種 LCR 天線是通過電流來激勵的，它的輻射功率正比于電流導(dǎo)數(shù)的平方。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]。 脈沖產(chǎn)生器最易產(chǎn)生的脈沖波形其實(shí)是 一 個鐘形，類似于高斯函數(shù)波形。最常用的超寬帶信號是高斯單周期 (Monocycle)脈沖或者其各階微分波形。各階微分脈沖波形均可由高斯 一 階導(dǎo)數(shù)通過逐 次求導(dǎo)得到。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。高斯脈沖信號作為超寬帶技術(shù)發(fā)展之初所選用的信號主要有兩個原因 :一 是 8 容易利用超寬帶脈沖發(fā)生器產(chǎn)生 。二是收發(fā)天線對超寬帶信號的作用相當(dāng)于微分運(yùn)算，而高斯脈沖的各階微分具有比較簡單的形式，便于分析。 高斯脈沖的基本波形為， ? ? 222 tarp t A e ??? （ ）其中， 2pA a??時， p(t)為單位能量脈沖 。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。 高斯脈沖的頻譜函數(shù)為 , ? ? 222 22 22 22 222 2() fat fa taf t f tappP t p t e d t A e e d t e A e d t??? ??? ??? ???? ? ???? ??? ? ?? ? ?? ? ? （ ） 由 2te dt ?? ?? ??， b 為常數(shù)時，得到 2the dt b???? ?? （ ）因此，有 ? ? 2222fap aP f A e??? （ ） 高斯脈沖的各階微分形式為 : ? ? ? ? ? ?? ?kk kd p tPt dt? （ ）其中， k 為微分的階次。 但是為了有效輻射，產(chǎn)生的脈沖應(yīng)具備 一 個基本條件 :無直流分量。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供考慮。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。 通過改變脈沖波形來獲得頻譜形成是 IR 的 一 個重要的特性。頻 9 譜形成主要可以采取三種不同的方法 :改變脈沖寬度、對脈沖進(jìn)行微分和對基函數(shù)的組合?？紤]以高斯脈沖作為研究對象。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。 脈沖寬度取決于脈沖形成因子 a。減小 a 的值將會使脈沖寬度壓縮，從而擴(kuò)展傳輸信號的帶寬。因此，同 一 波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。 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)。但是，設(shè)計在可以合理地為高斯脈沖考慮 一 個有效的持續(xù)時間，其截斷能量低于 一 個給定的門限值。在這樣的假設(shè)條件下，脈沖形成因子 a 的上限由不超過切普 (chip)持續(xù)時間 Tc 的Tm 給定，而下限則受到產(chǎn)生極窄脈沖的技術(shù)的限制。對高斯脈沖微分也會影響其能量譜密度。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數(shù)的增加而改變。特別地，觀察 k 階導(dǎo)數(shù)的傅氏變換性質(zhì) [7]: ? ? 222fakkX f f e ??? （ ） 可以得到關(guān)于峰值頻率 peakF 、導(dǎo)函數(shù)的階 k 和脈沖形成因子。三者之間的 一 般關(guān)系式。 由上式進(jìn) 一步可以得到 peakf 和 k 的關(guān)系式 : 1peakfka ?? （ ） 超寬帶無線通信的調(diào)制技術(shù) 在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，信息是調(diào)制在脈沖上傳遞的，既可以用單脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息。 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)。由于 IUWB 系統(tǒng)的信號是無載波傳輸方式，因此發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)十分的簡單。在 IUWB系統(tǒng)當(dāng)中， 一 串極短 (ns 級 )的脈沖被發(fā)送，信息通過發(fā)射脈沖串的幅度或極性來傳輸 (PAM、 BPSK 調(diào)制 )，或是通過脈沖起始時間的移動來傳輸 (PPM 調(diào)制 )。此外為允許多個用戶共享同 一 傳輸信道，在每個用戶發(fā)射脈沖的起始時間都加入 一 個唯 一 的、并且被相應(yīng)的接收機(jī)已知的偽隨機(jī)時移，以免多個用戶在同信道中因?yàn)橥瑫r發(fā)射信號而引起的信息沖突。 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 。經(jīng)典的單脈沖調(diào)制技術(shù)包括 :脈沖幅度調(diào)制 (PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、二相調(diào)制 (BPM)和開關(guān)鍵控 (OOK)等 。 PAM 調(diào)制是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的 一 種脈沖調(diào)制技術(shù) ,PAM 調(diào)制既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對值的大小。 BPM 調(diào)制和 OOK 調(diào)制方法是 PAM 調(diào)制的兩種簡化形式。 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。 OOK 調(diào)制通過脈沖的有無來傳遞信息。在PPM、 BPM 和 OOK 調(diào)制中發(fā)射脈沖時間間隔是固定不變的。實(shí)際上，也可以通過改變發(fā)射脈沖的時 間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準(zhǔn)時間的位置來傳遞信息，這就是 PPM 調(diào)制的原理。在 PPM 調(diào)制中，脈沖的極性和幅度都不改變。 11 PAM、 OOK 和 PPM 調(diào)制的共同優(yōu)點(diǎn)是可以通過非相干檢測恢復(fù)信息 PAM調(diào)制和 PPM調(diào)制還可以通過多個幅度調(diào)制或多個位置調(diào)制提高信息輸速率。 多脈沖調(diào)制 實(shí)際上，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在超寬帶脈沖無線系統(tǒng)中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調(diào)制的基本思想。當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為 一 組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步 :第 一 步為每組 脈沖內(nèi)部單個脈沖的調(diào)制 。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第 一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖通常采用 PPM 或 BPM 調(diào)制方法 。在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎?PAM、 PPM 或 BPM 調(diào)制方法。 一 般把第 一 步稱為擴(kuò)譜 (Spread Spectrum)，而把第二步稱為信息調(diào)制。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 。把 BPM 稱為直接序列 (Direct Sequence)擴(kuò)譜(DSSS)，即每組 脈沖內(nèi)部的每 一 個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM 調(diào)制同時改變每組脈沖的幅度， PPM 調(diào)制同時調(diào)節(jié)每組脈沖的時間位置， BPM 同時改變脈沖的極性。這樣，把第 一 步和第二步組合起來不難得到 一 下多脈沖調(diào)制技術(shù) :PPMTHSS、 PPMDSSS、PAMTHSS、 PAMDSSS、 BPMTHSS、 BPMDSSS。 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。在多脈沖調(diào)制中，利用不同 SS 序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信效率 [9]。 13 3 超寬帶無線信道 建模 信號的傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)性能的主要因素之 一 ，建立準(zhǔn)確的信道模型對超寬帶無線通信理論研究和性能分析是非常重要的。超寬帶無線通信環(huán)境遠(yuǎn)比基于連續(xù)波的傳統(tǒng)窄帶或?qū)拵o線信道環(huán)境復(fù)雜。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。 超寬帶信道的基本概念 超寬帶無線信道的傳播模型可分為路徑損耗模型和多徑傳播模型。路徑損耗模型主要用于描述發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間距離大于 5 米以上的信號強(qiáng)度的變化，它表征了接收信號在 一 定時間內(nèi)的均值隨傳播距離的變化呈現(xiàn)出緩慢變化。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。多徑傳播模型用于描述短距離或短時間內(nèi)接收信號強(qiáng)度的快速變化。主要描述無線信號經(jīng)短距離或短時間 傳輸后經(jīng)兩個或兩個以上路徑微小的時間間隔到達(dá)接收機(jī)的傳播特性。路徑損耗模型不僅對分析信道的可用性、傳輸頻帶的選擇等具有重要意義，而且對于無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃也非常重要。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。這兩個模型在超寬帶室內(nèi)信道中并不是相互獨(dú)立存在的，在同 一 個無線信道中，二者綜合作用于發(fā)射脈沖信號 [10]。 超寬帶信道模塊設(shè)計