【正文】 ? ? ? ? ? ? ?1Nt n n nnr t a p t n t??? ? ?? （ ） 這里 ,一 個特定的脈沖波形 ??npt與路徑 n 對應(yīng) , ??nat和 ??n t? 分別為第 n 條路徑時刻 t 的信道增益和信道時延 ,N(t)是時刻 t 觀測到的路徑數(shù) ,n(t)是 接收機(jī)處的加性噪聲。根據(jù)沖激無線電應(yīng)用實際 ,需要考慮到脈沖在反射或穿 透障礙物時其性狀的變化。這兩個模型在超寬帶室內(nèi)信道中并不是相互獨立存在的，在同 一 個無線信道中，二者綜合作用于發(fā)射脈沖信號 [10]。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。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。 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。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。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]。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。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。 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。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 。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 。 11 PAM、 OOK 和 PPM 調(diào)制的共同優(yōu)點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。實際上，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。 OOK 調(diào)制通過脈沖的有無來傳遞信息。 BPM 調(diào)制和 OOK 調(diào)制方法是 PAM 調(diào)制的兩種簡化形式。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 。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為同時發(fā)射信號而引起的信息沖突。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。 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。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。對高斯脈沖微分也會影響其能量譜密度。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。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。 脈沖寬度取決于脈沖形成因子 a?？紤]以高斯脈沖作為研究對象。 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。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供考慮。 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。 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 。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 。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。 脈沖產(chǎn)生器最易產(chǎn)生的脈沖波形其實是 一 個鐘形，類似于高斯函數(shù)波形。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。事實上，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)。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]。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)體器件實現(xiàn)。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 。根據(jù)實際應(yīng)用中頻譜特性的需要，選擇不同的波形 。 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]。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 。其二是其調(diào)制方式。 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。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 平臺實現(xiàn)了這些模塊。直到 2021年 1月 ，雙方仍然沒能使對方妥協(xié) [3]。Intel、 TI 等公司在 2021 年 7月成立了多頻帶正交頻分復(fù)用技術(shù)聯(lián)盟 (MBOA， MultiBand OFDM Alliance)。后 一 種方案將可用的 頻段分成十幾個 500600MHz 左右的子頻帶，在每 一 個子頻帶上采用正交頻分復(fù)用 (OFDM， Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)。在 2021 年 7月的會議上，通過討論和協(xié)商，這些提案融合成了兩大方案，即美國MSSI、 Xtreme Spectrum 公司等倡導(dǎo)的脈沖無線電方案和以 Intel、 TI為首提出的多頻段正交頻分復(fù)用 (MultiBand OFDM)方案。 2021年 1 月 工作組成立，開始了 UWB 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。 2021 年 9 月，中國超寬帶無線技術(shù)論壇 ()成立，論壇得到了原信息產(chǎn)業(yè)部國家無線電檢測中心、中國電子視像協(xié)會、北京郵電大學(xué)、中國科學(xué)院移動通信研究所、海爾集團(tuán)、飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司和國際超寬帶技術(shù)論壇的 大力支持。摩托羅拉等致 力于加快 UWB 技術(shù)普 及 的 公 司 作 為 成 員 在 2021 年 成 立 了 UWB 論壇()[2]。摩托羅拉(Motorola)公司也于 2021 年生產(chǎn)出實用的 UWB 收發(fā)設(shè)備，并于 2021年獲得 FCC 的批準(zhǔn)。 2021 年 2 月，美國 FCC 批 準(zhǔn)了 UWB 的商用，這是超寬帶技術(shù)的發(fā)展過程中的 一 個里程碑，促使超寬帶技術(shù)成為了學(xué)術(shù)界研究的熱點。 1994 年，美國解除了對UWB 通信的保密性封鎖，這在很大程度上促進(jìn)了 UWB 技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代意義的超寬帶無線通信技術(shù)出現(xiàn)于上個世紀(jì) 90 年代，當(dāng)時，它的應(yīng)用只限于軍事和災(zāi)害救援等方面。 UWB 在 10m 以內(nèi)的范圍實現(xiàn)無線傳輸，是應(yīng)用于無線局 域 3 網(wǎng)（ WPAN）的一種近距離無線通信技術(shù) [1]。根據(jù)香農(nóng)理論，無線信道的容量是與 其占用的信道帶寬成正比的， 所以 UWB能實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)率，是由于其占用很大的帶寬。而 UWB 以它高速、低功耗、低成本、高安全性的優(yōu)點被認(rèn)為是最具有競爭力的技術(shù)之 一 [1]。 WPAN 的核心思想是用無線電或者紅外通信 來 取代傳 統(tǒng)的電纜，組建無線、高速、互聯(lián)的個人化信息網(wǎng)絡(luò)。超寬帶 (UWB，Ultra Wide Band)通信是 一 種能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間安全、互操作的無線通信技術(shù)，它使高速無線個人局域網(wǎng) (WPAN, Wireless Personal Area Network)成為可能。 Simulation 2 1 緒論 無線通信是當(dāng)今通信技術(shù)的 一 個大主題。 Channel。 關(guān)鍵詞 ： 超寬帶； 發(fā)射機(jī) ；信道；接收機(jī) ； 仿真 The Design and Simulation of UWB Communication Systems Liu Yong， Grade 2021, Communication Engineering Abstract: Due to its higher data rate, lower power attenuation and strong antimultipath interference capacity, UWB wireless munication technology is regarded as the key to nextgeneration wireless munication technology. This paper firstly introduces the UWB wireless munication technology’s history , current situation and development prospects, and then does some theoretical research and simulation experiments about UWB waveform design、 transmitterstructure, ultrawideband wireless channel modeling and receiver structure. Finally, using Simulink software as the simulation tools to establish the transmitter、 receiver and channel model of UWB system, the performance of UWB wireless munication system is simulated under the CM1 model and the simulation results are analyzed, this study has some positive significance for design a highperformance ultrawideband wireless munication system. Key words: UWB。本文首先介紹了超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景，然后對超寬帶無線通信中超寬 帶信號的波形設(shè)計發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)、超寬帶無線信道的建模和接收機(jī)的