【正文】 法,利用微波雙極性晶體管雪崩特性,在雪崩導(dǎo)通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長(zhǎng),從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短脈沖。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號(hào)可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10 12 )量級(jí)。 UWB信號(hào)的產(chǎn)生從本質(zhì)上講,產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(jí)的信號(hào)源是UWB 技術(shù)的前提條件。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB IR 又被稱為基帶無載波無線電,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的，由信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。第二章 UWB的原理及其波形 UWB的原理超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）是一種無載波通信技術(shù)，UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù)。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW 的電源,是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一[10]。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備成本將很低。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置, 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。　　(5)定位精確。因?yàn)閁WB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)常規(guī)無線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB?！　?3)多徑分辨能力強(qiáng)。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低,也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)?！　?1)系統(tǒng)容量大。為了降低UWB設(shè)備對(duì)處于上述頻段的其他設(shè)備的干擾，必須對(duì)UWB設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行限制。）（2）信號(hào)絕對(duì)帶寬≥500 MHZ （—）圖11 UWB的定義～。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。為了跟蹤這一技術(shù)的發(fā)展，并形成自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，我國(guó)也開始以“863項(xiàng)目”的形勢(shì)扶持與資助這一技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究與攻關(guān)。2002年4月22日，F(xiàn)CC頒布了UWB占用寬帶的有關(guān)條例，允許UWB技術(shù)和產(chǎn)品參與商業(yè)化運(yùn)作。之后，各種專利也相繼被授予，其中包括UWB脈沖的產(chǎn)生和接收方法，通信、雷達(dá)、車輛防撞、定位系統(tǒng)、醫(yī)療成像、液面感應(yīng)等應(yīng)用。此后，在將近30年的時(shí)間內(nèi)，UWB的理論、技術(shù)和許多相關(guān)設(shè)備的研制得到了迅速的發(fā)展，但大約在1989年之前，“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)并不常用，各種名稱（如基帶、無載波或脈沖技術(shù)）等均混用。1972年，Robbins發(fā)明的敏感短波脈沖接收器取代了笨重的時(shí)域示波器，加速了UWB系統(tǒng)的開發(fā)。特別是，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的任意輸入信號(hào)x(t),其輸出信號(hào)y(t)可以唯一地由下列卷積來確定： yt=∞∞huxtudu (11) 然而，實(shí)際上直到采樣示波器和亞納秒（基帶）脈沖發(fā)生技術(shù)出現(xiàn)之后，才為這樣的沖擊激勵(lì)提供了近似方法、觀察和測(cè)量方法。那時(shí)，研究工作在于通過沖激響應(yīng)特性來描述某一些微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)行為。最后本文重點(diǎn)介紹了超寬帶（UWB）的無線定位技術(shù)，首先是對(duì)其發(fā)展和定義進(jìn)行了概述，其次分別介紹了超寬帶無線定位的參數(shù)及其幾何模型，重點(diǎn)對(duì)UWB定位中TOA的算法進(jìn)行了研究，最后通過仿真對(duì)定位算法的實(shí)現(xiàn)做出了驗(yàn)證并得到了重要結(jié)論。其次針對(duì)超寬帶（UWB）的原理及其波形進(jìn)行了研究和探討。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目： 超寬帶（UWB）無線定位技術(shù) 學(xué) 校 院 系 通信與信息工程學(xué)院 專 業(yè) 通 信 技 術(shù) 姓 名 學(xué) 號(hào) 2012 年 6 月論文題目: 超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)專 業(yè)：通信技術(shù)學(xué) 生：林佳 簽名： 指導(dǎo)教師：李新民 簽名： 摘 要隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)無線通信系統(tǒng)的要求日益提高，超寬帶（UltraWideband，UWB）技術(shù)憑借其高速率的數(shù)據(jù)傳輸、極低的功耗以及其精準(zhǔn)的定位等性能，逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。本文首先介紹了超寬帶（UWB）技術(shù)的歷史背景及其定義和特點(diǎn)。然后論述了超寬帶（UWB）的調(diào)制與接收，并主要分析了PPMTHUW，PAMDSUWB，MBOFDMUWB這三種調(diào)制方式。關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB），無線定位技術(shù)論文類型：理論研究性Title：Ultrawideband(UWB)wireless positioning technologyMajor：Communications technologyName： Lin Jia Signature: Supervisor：Li XinMing Signature: AbstractWith the rapid development of wireless munication technology, the wireless munication system of the increasing demand, ultra wideband (UltraWideband, UWB) technology by virtue of its high data rate, low power consumption and its precise positioning performance, has bee the field of wireless munication research a hot spot, has received the widespread attention.This thesis first introduces the ultra wideband (UWB) technology to the historical background and the definition and characteristics of. Secondly, ultra wideband (UWB) principle and waveform are studied and discussed. And then discusses the ultra wideband (UWB) modulation and receiving, and primary analysis of PPMTHUW, PAMDSUWB, MBOFDMUWB the three modulation methods. Finally, this thesis introduces the ultra wideband (UWB) wireless positioning technology, first of its development and definition are outlined, followed by introduces UWB wireless positioning parameters and geometry model, focus on the localization of UWB TOA algorithm is studied, finally through the simulation of positioning algorithm to verify and obtained important conclusion.Key words: ultra wideband (UWB), wireless positioning technology.Type of thesis: theoretical research 目 錄第一章 超寬帶（UWB） 4 UWB技術(shù)的發(fā)展 4 UWB的定義 4 UWB的技術(shù)特點(diǎn) 6第二章 UWB的原理及其波形 7 UWB的原理 7 UWB信號(hào)的產(chǎn)生 7 UWB信號(hào)的波形 7 UWB信道模型 7 8第三章 UWB的調(diào)制和接收 10 UWB典型調(diào)制方式 10 PPMTHUWB 10 PAMDSUWB 11 MBOFDMUWB 12 UWB信號(hào)的接收 13 14 15第四章UWB無線定位系統(tǒng) 18 18 18 18 UWB無線定位的參數(shù) 20 UWB無線定位的幾何模型 25 UWB定位中TOA估計(jì)算法 29 TOA估計(jì)的信號(hào)模型 30 基于TOA位置估計(jì)算法 32 LSE仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析 34 本章小結(jié) 34總 結(jié) 35致 謝 36參考文獻(xiàn) 37 第一章 超寬帶（UWB） UWB技術(shù)的發(fā)展對(duì)超寬帶（UWB，UltraWideband）無限技術(shù)（簡(jiǎn)稱UWB技術(shù)）的起源眾說紛紜，從目前的學(xué)者研究工作來看大約可以追溯到20世紀(jì)50年代末和60年代初。其實(shí)，概念很簡(jiǎn)單，就是使用所謂的沖擊響應(yīng)h(t)沖擊激勵(lì)來表征一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)（幅值與相位值相對(duì)于頻率值）方法。從此，超寬帶技術(shù)有了快速的發(fā)展。1973年，Sperry獲得了第一個(gè)UWB通信技術(shù)的專利。1989年，美國(guó)國(guó)防部采用“超寬帶”這一術(shù)語(yǔ)之后，才被業(yè)界沿用下來。在美國(guó)，UWB早期的研究工作主要限制在軍方，大約在20世紀(jì)90年代中期以后，才取消了這種分級(jí)限制。這一條例的頒布直接促進(jìn)了基于UWB技術(shù)的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。 UWB的定義 近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。FCC(美國(guó)通信委員會(huì)) 對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義為： （1）信號(hào)相對(duì)帶寬= （式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的高端頻率和低端頻率，為載波頻率或中心頻率。如圖12所示, UWB與其他技術(shù)的產(chǎn)品存在同頻和鄰頻干擾問題。 圖12 UWB頻譜與其他無線信號(hào)頻譜的關(guān)系 UWB的技術(shù)特點(diǎn)由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點(diǎn)。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來的效應(yīng),這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。　　(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。一般情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps～1Gbps。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量?！　?4)隱蔽性好。另一方面,由于能量密度低,UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)?！　?6)抗干擾能力強(qiáng)。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)?！　?7)低成本和低功耗。由于UWB 信號(hào)無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時(shí)間很短,一般在0. 20ns～1. 5ns之間,有很低的占空因數(shù),所以它只需要很低的電源功率。盡管如此,UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術(shù)的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點(diǎn),建立信道模型,解決多徑傳播。研究新的調(diào)制技術(shù),進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。　 因而發(fā)射超寬帶(UWB) 信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達(dá)0. 5 %) 的沖激脈沖。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。目前產(chǎn)生脈沖信號(hào)源的方法有兩類：（1）光電方法,基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號(hào)。另外,由于光導(dǎo)開關(guān)是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發(fā)展前景的一種方法。在電路設(shè)計(jì)中,采用多個(gè)晶體管串行級(jí)聯(lián),使用并行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達(dá)到進(jìn)一步降低脈沖寬度的目的。通常UWB 信號(hào)模型為: （21） 其中，W(t)表示發(fā)送的單周期脈沖,、分別表示單脈沖的幅度與時(shí)延。另一個(gè)使用高斯脈沖信號(hào)的原因是為了分析的簡(jiǎn)便?？紤]去直流分量以及上述天線的微分作用等因素，在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般使用高斯脈沖的微分形： pxt=dxPtdtx （23） 其中，x代表微分次數(shù)。 圖21 0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖