（通信与信息系统专业论文）超宽带（uwb）无线电的信号波形与系统性能.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 论文对超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 通信系统的发射波形和信道模型进 行了理论分析，在此基础上搭建了包含性能分析模块的u w b 通信系统仿真模 型，然后使用该模型研究不同的发射波形和调制方式下的系统性能，以误比特率 为指标，对系统性能进行了仿真，并给出了仿真结果。 首先论文在综述u w b 技术原理和特点的基础上，论述了实现u w b 系统的单 频带u w b 和多频带o f d mu w b 技术，重点阐述单频带u w b 的各种调制、扩频 和解调等技术，分析比较总结了各种技术的优缺点，结果表明单频带u w b 具有 电路结构简单、功耗低等优点，基于匹配滤波的t h b p s k 单频带u w b 系统具有 较大的优势。 其次论文研究t u w b 通信的发射波形。在目前普遍将高斯脉冲的二阶导数 作为波形进行分析的基础上，对高斯脉冲的”( ”= 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 阶导数 六种波形的时域、频域特性以及对时间抖动的敏感性进行分析，提出将月= l ，2 ， 3 ，4 ，5 五种脉冲波形作为u w b 系统的接收波形，对不同波形及其对应的 t h b p s k u w b 系统的性能进行了分析和比较，并进行了计算机数值仿真，表明 求导阶数的增加通常会改善系统性能，几种情况相比较而言波形为四阶导数时对 应的系统性能最好。 接着论文对目前提出的几种信道模型进行分析和比较，选定i n t e l 的模型和 m i t s u b i s h i 模型作为研究对象，对其脉冲响应特性以及b p s k 调制时系统误比特 率进行了数值仿真。通过仿真发现i n t e l 信道模型最适合于描述u w b 系统在实 际操作环境中的传播特性。 论文最后利用m a t l a bs i m u l i n k 工具对u w b 通信系统建模，根据前几章 的理论研究结果，将系统搭建为发射波形和调制方式可以灵活选择的模型，通过 误比特率计算模块，比较发射数据和解调数据，得到了不同调制方式和不同波形 时的系统性能仿真结果。仿真结果验证了笔者提出的t h b p s k 单频带u w b 系 统具有较大的优势和脉冲波形求导阶数的提高通常可以改善系统性能等结论。 本论文的创新之处在于： ( 1 ) 笔者提出将高斯脉冲的高阶导数作为发射波形，推导出了不同波形时系 t 上海大学硕士学位论文 统的误比特率表达式。通过计算以及计算机数值仿真，发现提高波形的阶数通常 可以降低系统的误比特率，即改善系统的性能。 ( 2 ) u w b 不同于传统的无线通信，它是一种无载波的无线通信技术，所以利 用m a t l a bs i m u l i n k 搭建系统仿真平台时不能直接引用s i m u l i n k 库中已有的模 块。笔者在其它学者研究成果的基础上，通过编写s 函数m 文件，创建了含有 误比特率分析模块的u w b 通信系统仿真平台，对研究u w b 系统提供了有力的 工具。在此平台上笔者对不同发射波形和不同调制方式对应的系统进行了计算机 仿真，验证了本文的理论研究结果。该平台可以为继续深入研究u w b 系统提供 有力支持。 关键词：超宽带：跳时扩频；b p s k ：p p m 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , p u l s ew a v e f o r m sa n dc h a n n e lm o d e l so fu l t r a w i d e b a n d ( u w n ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r et h e o r e t i c a l l ya n a l y s e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ， a nu w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e mm o d e li n c l u d i n gb i te r r o rr a t ec o m p u t i n gm o d u l ei s c o n s t r u c t e d s y s t e mp e r f o r m a n c eu s i n gd i f f e r e n t k i n d so fp u l s ew a v e f o r m sa n d m o d u l a t i o ns c h e m e sa r es t u d i e da n ds i m u l a t e di nt e r m so fb i te r r o rr a t e s i m u l a t i o n r e s u l t sa r ep r e s e n t e d f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fu w bt e c h n o l o g ya r es u m m a r i z e d t w o w a y s ，s i n g l eb a n da n d m u l t i - b a n du w b t e c h n o l o g y ，t oi m p l e m e n tu w bs y s t e m a r ed i s c u s s e d m o d u l a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u ma n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo fs i n g l e b a n du w ba r ee l a b o r a t e d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u st e c h n o l o g i e sa r e a n a l y s e da n dc o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts i n g l eb a n du w bp o s s e s sas i m p l e r c i r c u i ta n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o nt h a nm u l t i - b a n da n dt h b p s ks i n g l eb a n d u w b s y s t e m b a s e do nm a t c h e df i l t e r sp o s s e s sm o r e a d v a n t a g e s s e c o n d l y ，t h et r a n s m i t t e dp u l s ew a v e f o r m so f u w b c o m m u n i c a t i o n sa r es t u d i e d b a s e do nt h e2 n dd e r i v a t i v eo fg a u s s i a np u l s eb e i n go f t e nc h o s e na st h ep u l s e w a v e f o r mo fu w b s y s t e m ，t i m er e s p o n s e ，f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dt h es e n s i b i l i t yt o p u l s e j i t t e r o f t h e n t h ( 月= 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) d e r i v a t i v e s o f g a u s s i a n p u l s e a r ee s t i m a t e d t h en t h ( n = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) d e r i v a t i v e so fg a u s s i a np u l s ea r ep r o p o s e da st h e t r a n s m i t t e dw a v e f o r m s r e s p e c t i v e l y p e r f o r m a n c e so f t h b p s ku w b s y s t e m su s i n g t h e s ew a v e f o r r n sa r es t u d i e da n dc o m p a r e db a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mu s i n g t h e4 t hd e r i v a t i v eo fg a u s s i a np u l s ea st h e w a v e f o r mh a st h eb e s tp e r f o r m a n c ea n dt h eh i g h e rd e r i v a t i v eo r d e ro ft h ep u l s e w a v e f o r mi s ，t h eb e t t e rp e r f o r m a n c es y s t e ms h o w s i na d d i t i o n ，t h ev a r i o u sp r o p o s e dc h a n n e lm o d e l sa r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d b o t hi n t e lm o d e la n dm i t s u b i s h im o d e la r e c h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t i v e s c h a n n e li m p u l s er e s p o n s ea n db i te r r o rr a t eo ft h es y s t e mu s i n gd i f f e r e n tc h a n n e l m o d e lw i t hb p s km o d u l a t i o na r en u m e r i c a ls i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti n t e l m o d e li sm o s ts u i t a b l ef o rt h ed e s c r i p t i o no fp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fu w b i i i 上海大学硕士学位论文 s y s t e m i nt h er e a lo p e r a t i o ne n v i r o n m e n t a tl a s t ，a nu w bc o m m u n i c a t i o n s y s t e mm o d e l i sc o n s t r u c t e d b yu s i n g m a t l a bs i m u l i n kt o o l s ，o nw h i c hs y s t e mp e r f o r m a n c eu s i n gd i f f e r e n tk i n d so f p u l s e w a v e f o r m sa n dm o d u l a t i o ns c h e m e sa r es i m u l a t e d b y c o m p a r i n g t h e t r a n s m i t t e dd a t aa n dr e c e i v e dd a t ai nt h eb i te r r o rr a t ec o m p u t i n gm o d u l e t r a n s m i t t e d p u l s ew a v e f o r ma n dm o d u l a t i o ns c h e m ec a nb ec h o s e na c c o r d i n gt o t h ef o r m e r t h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t sb ys e l e c t i n gt h eo p t i o n si nt h em o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t s v a l i d a t et h ef o r m e rc o n c l u s i o nt h a tt h et h b p s k s i n g l eb a n du w bs y s t e mh a sm o r e a d v a n t a g e sa n dt h es y s t e mu s i n g ah i g h e ro r d e rd e r i v a t i v eo ft h eg a u s s i a np u l s e w o u l ds h o wb e t t e rp e r f o r m a n c e t h ec r e a t i o n a r yw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) h i 曲o r d e rd e r i v a t i v eo f g a u s s i a n p u l s e a r e p r o p o s e d a st h ep u l s ew a v e f o r m ， t h eb i te r r o rr a t ee x p r e s s i o n so ft h es y s t e mu s i n gd i f f e r e n tw a v e f o r m sa r ed e d u c e d c o m p u t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts y s t e mp e r f o r m a n c ew i l lb e i m p r o v e da n dt h eb i te r r o rr a t ew i l lb er e d u c e dw h e nt h eo r d e ro f t h ed e r i v a t i v ei s i n c r e a s e d ( 2 ) u w bi s ac a r r i e f l e s s s y s t e mw h i c h i sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s m o d u l e so ft h es i m u l i n kl i b r a r yc a nn o tb e a p p l i e dd i r e c t l yi nt h eu w bs y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m t h es i m u l a t i o np l a t f o r m i n c l u d i n gb i te r r o rr a t ec o m p u t i n gw a s c r e a t e db yw r i t t i n gs - f u n c t i o n sc o d e ，w h i c h p r o v i d e s ap o w e r f u lt o o lf o rt h er e s e a r c ho nu w bs y s t e m u w bs y s t e m su s i n g d i f f e r e n tk i n d so fp u l s ew a v e f o r m sa n dm o d u l a t i o ns c h e m e sa r es i m u l a t e do nt h e p l a t f o r ma n d t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t sa r ev a l i d a t e d t h ep l a t f o r mw i l lp e r f o r m h e l p f u lf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nu w b s y s t e m k e yw o r d s ：u l n a w i d e b a n d ；t i m e - h o p p i n gs p r e a d - s p e c t r u m ；b p s k ；p p m i v 原创性声明 本人声明：所呈交的沦文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 缒吼丝笠兰：2 上坶大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章前言 近年来，短距离无线通信系统，传输距离从1 0 m 到1 0 0 m 由于数据业务的 增长呈现了巨大的发展潜力，特别是个人局域网( p a n ) 的概念的提出。p a n 的 核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。实 现p a n 的主要技术有：蓝牙( b l u c t o o t h ) ，i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o c i a t i o n ) 、h o m e r f 以及超宽带( u l t r aw i d e b a n d ，u w b ) 等。其中具有高性能、低功耗的u w b 成 为未来最富有竞争力的技术之一一。 2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国联邦通信委员会f c c 授权将u w b 用于雷达测距、 金属检测和通信，从而为u w b 大规模民用敞开了大门【1 】。在工业界，1 9 9 8 年 成立了u w b 工作组( u l t r aw i d e b a n dg r o u p ，u w b w g ) 。同时，相关的标准化工 作也已开始，i e e e 8 0 2 1 5 3 属下的工作小组“t g 3 a ”负责超高速p a n 标准化作 业。t g 3 a 虽然未指定具体的实现技术，但是中心技术将使用超宽带宽的无线通 信技术2 1 。u w b 无线通信技术可能会带来一场高速数据传输的革命，在不占 用现在拥挤不堪的频率资源的情况下，带来一利一全新的话音和数据通信方式，将 促使p a n 为终端用户带来更高的q o s 服务。 1 2 超宽带( u w b ) 无线通信技术简介 1 2 1u w b 技术的背景 问隙火花是最早的基于脉冲的u w b 无线通信技术，由g u g l i em a r c o n i 在1 9 世纪初开发应用子的摩尔斯电码的发射。直到2 0 世纪初，当人们发现窄带无线 通信可以很好地实现语音通信时，间隙火花才失去其优势。但由于间隙火花不规 范的射频发射对窄带系统造成干扰，到1 9 2 4 年它在大多数应剧场合已被禁止使 用。 1 9 6 2 年篼一台采样示波器发明。利用采样示波器可以直接观察和检测微波 网络的冲激响应。冲激检测的研究启发了脉冲发射在雷达和通信中的应用。1 9 7 3 1 一 上海大学硕士学位论文 年美国s p e r r y 研究中心获得了第一项宽带技术专利，宽带技术重新浮现。在1 9 6 0 到1 9 9 9 年间宽带技术领域发表论文有2 0 0 余篇，专利1 0 0 余项。u w b 技术 的开发，已有将近3 0 年的历史【3 。时至今日，u w b 技术可以在满足特殊规定 的条件下得以应用。 2 0 世纪8 0 年代后期，u w b 技术是指利用无载波基带脉冲信号传输数据的 技术，1 9 8 9 年美国国防部利用了术语“u w b ”。按照频带占用所定义u w b 系统， 有两种基本的实现方法，即单频带( s i n g l eb a n d ) 与多频带( m u l t i b a n d ) 。本论文中 主要研究单频带u w b ，及基于脉冲的u w b 通信系统。 1 2 2u w b 技术的特点 u w b 与传统的窄带或其它宽带通信技术相比有两个主要优点 ( 1 ) 频带很宽，功率谱密度 t l d , 。根据f c c 的定义，u w b 系统的带宽超过 中心频率的2 5 或者超过1 5 g h z ，明显宽于当前通信系统所用的带宽。因此， u w b 将与现有的很多系统共用相同的频段。根据f c cp a r t1 5 规定，u w b 主 要的工作频带被限制在3 1 g h z 1 0 6 g h z ，功率谱密度将被要求低于 一4 1 3 d b m m h z 。为了对g p s 和航空与军事应用提供更好的保护，在 9 6 0 m h z 3 1 g h z 频段的功率谱密度的要求更低，因此对其它窄带系统而言，u w b 的影响可以看成是抬高了背景噪声。由于脉冲的超短持续时问，使得u w b 系统 具有重要的内在优势对抗多径衰落。 ( 2 ) 典型的u w b 以一种无载波的方式实现，电路结构简单。传统的通信系统 需要在频域将信号搬移到相应的射频载波发射，而u w b 系统可以直接调制非常 尖锐的冲激，从而导致波形占用几个g h z 的带宽。因此，也将u w b 称为基带 ( b a s e b a n d ) 、无载波( c a r r i e r - f r e e ) 或冲激无线电( i m p u l s er a d i o ) 。u w b 发射器直接 用脉冲波形激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功率放大 器和混频器，因此，u w b 允许采用非常低廉的宽带发射器。同时，在接收端t u w b 接收机也有别于传统的超外差接收机，不需要。p 频处理。闭此，u w b 收 发器的电路结构比传统收发器简单。 上海大学硕士学位论文 1 2 3u w b 的相关规则 1 9 9 8 年f c c 开始募集u w l 3 通信系统民用的意见，2 0 0 0 年完成了规格修正 提案书( 即n p r m ) 。2 0 0 2 年3 月2 2 日f c c 批准u w b 的使用规则，对u w b 所使用的特定频率及其对应发射功率值作出限定，在“f c cp a r t l 5 ”规定下，允许 将u w b 用于民用产品。在u w b 的法律规定方面，除美国之外的其它国家还无 明确的规定。 一 图1 1f c c 对u w b 的频谱规定 h 一 图1 i 所示为在p a r t1 5 规定下的u w b 可用频谱。u w b 信号可以以最高发 射功率谱密度4 1 3 d b m m h z ，在3 1 g h z 1 0 6 g h z 的频段上传输。室内设备 和室外设备的规定值有所不同，即在开放频段3 i g h z 1 0 6 g h z 之外后者的功 率衰减程度更大，这样对中心频率1 6 g h z 的g p s 接收机起到了保护作用。 p a r t1 5 对u w b 发射功率的规定值和美国对于个人计算机等机器的电磁放 射噪声的规定值相同。 1 2 4u w b 的应用前景和发展趋势 如表1 1 所示，与当前流行的短距离无线通信技术相比，u w b 具有巨大的 数据传输速率优势。目前最大可以提供高达数百m b p s 的传输速率，但由于受发 射功率的限制，u w b 传输速率随距离的衰减很快( 见图1 2 ) ，有效范围仅限于 一3 一 上海大学硕士学位论文 距离频率信道带宽吞吐最 u w b1 0 m3 1 一1 06 g h z 相同 数百m b p s 8 0 2 1 l b1 0 0 m2 4 g h z8 0 m h z 最高1 l m b p s 8 0 2 ，1 1 a5 0m5g h z2 0 0 m h z 最高5 4 m b p s b l u e t o o t hi o m2 4 g h z 最高l m b p s 表1 1 几种技术的特性比较 1 0 m 内：无线局域网w l a n8 0 2 1 1 b 的传输速率虽然比较慢，但是有效范围为 1 0 0 m ，两者的使用领域不尽相同。u w b 技术将主要用在个人局域网w p a n ，电 子产品公司希望利用其高速特点，取代蓝牙技术，作为连接电子产品的新一代 无线技术。由于视频音频的信号量巨大，因此涉及影音传输的电子器材如电视、 摄像机、投影机、电脑、d v d 播放机、数码相机等，都非常适合使用u w b 技 术。现有的f i r e w i r e 或u s b2 0 ，未来也有可能被u w b 技术取代。此外，通过 降低数据率提高应用范围，u w b 在个人精确定位( 如个人雷达) 、安全( 如入侵检 测) 、传感器等领域也具有巨大的应用前景。目前，已有包括i n t e l 在内的多家公 司推出了u w b 芯片和系统。 圈1 2 吞吐量与传输距离的关系图 上海大学硕士学位论文 虽然现代u w b 技术已经发展了几十年，但仍然还面临很多挑战，这些挑战 包括： 前向纠错编码的设计、低复杂度的信道补偿算法、快速捕获和同步方法、容 量分析： 高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、超宽带天线、板上 微控制器噪声的处理等： 一 多址方案的设计，如t h c d m a 、d s c d m a 或c s m a 等； 信道建摸，需要更好的理解传播信道的特点： 多径衰落的处理，需要考虑r a k e 接收机实现的复杂性； 一 新的调制技术，如m p a m ： 随着这些技术的发展，u w b 将可能成为新一代w l a n 和w p a n 的技术基 础，从而实现超高速宽带无线接入，为用户提供诸如视频分发和视频会议这类需 要很高q o s 的服务。 l - 3 论文研究的内容 本论文的主要内容有：u w b 通信系统发射波形和信道模型的理论分析和数 值仿真，通过学习总结u w b 的基本技术原理，以m a t l a bs i m u l i n k 为开发平 台，搭建包含性能分析模块的u w b 通信系统，然后在该模型中改变不同的发射 波形和调制方式，以误比特率为指标，对系统性能进行了仿真，并给出了仿真结 果。 后文的结构安排如下： 第二章，介绍国内外学者对u w b 技术的研究情况，通过总结前人的研究结 果，对各种单频带u w b 的调制，解调以及扩频技术进行了详细地论述和比较。 第三章将研究u w b 通信的发射波形。目前对u w b 研究中，大多数是针对高 斯脉冲的二阶导数的。笔者创新性地对高斯脉冲的”( ”= 0 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 阶导数六种波形的时域、频域特性以及对时间抖动的敏感性进行分析，提出将”= 1 ，2 ，3 ，4 5 五利t 脉冲波形作为u w b 系统的接收波形，对不同波形及其对应 的t h b p s k u w b 系统的性能进行了分析和比较，并进行了计算机数值仿真。 第四章主要对日前已经提出的几；f l q g 道模型进行分析和比较，对i n t e l 的模 e 上海大学硕士学位论文 型和m i t s u b i s h i 模型的信道特性，以及a w g n 信道b p s k 调制时不同信道对应 的系统误比特率进行了数值仿真。 第五章根据前几章的理论研究结果，利用m a t l a bs i m u l i n k 对u w b 通信 系统建模，从而验证有关结论。将系统搭建为发射波形和调制方式可以灵活选择 的模型通过误比特率计算模块，比较发射数据和解调数据，得到了不同调制方 式和不同波形时的系统性能仿真结果。 第六章总结全文并指出了今后课题的研究方向。 6 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章国内外研究情况 u w b 系统的实现总体可以分为两种方法，即多频带( m u l t i b a n d ) 与单频带 ( s i n g l eb a n d ) 。本章首先介绍s i n g l eb a n du w b ，对目前国内外实现s i n g l eb a n d l r w b 系统的调制技术，扩频技术和解调技术等进行了详细介绍，并加以分析和 总结，接着简单介绍了m u l t i b a n do f d mu w b 的研究情况。 2 1 单频带u w b 图2 1 所示为一个单频带u w b 系统的物理层框n i l 4 】在发射端主要组成部 分为： 信道编码器，前向纠错编码f e c ： 调制器，将信息比特转换为数字符号； 一 伪随机码发生器，将脉冲重复周期p r p 或者脉冲极性随机化； 脉冲发生器，将数字符号转化成模拟信号； 。 天线，对模拟信号波形修整并发射。 恒运一和 自制 吨蛰 i 广 囤叫囱应好 l l t 彝缸丹“ 图2 1u w b 系统物理层框图 一7 一 上海大学硕士学位论文 接收端对应的模块有： 天线，接收信号并对波形修： 解调器，通过接收到的模拟波形估计发射的数字符号； 同步模块，为接收机和发射机提供相同的参考时间： 本地信号发生器( 可选项) ，为相关接收机提供模板信号或者为匹配滤波接 收机提供滤波器系数； 信道估计器( 可选项) ： 一 本地p n 码发生器，用于解扩： 一 信道解码器。 下文将详细介绍单频带u w b 的各种调制，解调及扩频技术。 2 , 1 1 调制技术 调制的目的是将信息比特转化为数字符号。信道编码器输出的二进制信息 序列送至调制器，调制器根据既选的调制方式将其映射为符号。一个符号可以代 表一个比特，每一比特分别传输是二进制调制；个符号也可以代表几个比特， 调制器一次传输b 个己编码的信息比特，其方法是采用m = 2 6 个不同的符号，每 个符号用来传输2 6 个可能的b 比特序列中的一个序列。 脉冲重复周期p r p 是调制的一个重要参数，p r p 值影响脉冲的发送时间。 如果从电波在空中传播时的吞吐量来考虑，要获得尽可能大的吞吐量，p r p 值 要尽可能的小 但是利用尽可能小的p r p 不利于p h y - m a c 服务接入点上数据 率的优化。为了满足f c c 的规定，脉冲幅度也要小，小的脉冲幅度加上小的p r p 值将会导致解调性能的劣化。文献【5 通过理论分析和仿真，对解调技术进行了 深入的研究，给出了各种调制方式所对应的最佳p r p 值。 u w b 现有的调制方式有脉冲位置调制( p p m ) 、脉冲幅度调制( p a m ) 、二 进制相移键控( b p s k ) 、开关键控( o o k ) 、脉冲波形调制( p s m ) 、m 元p p m ( m p p m ) 、m 元p a m ( m p a m ) 以及几种调制方式的组合调制方式等。 以往已有很多学者分析了u w b 的调制方式，在多径效应【6 【7 】【8 】，多址干 扰【6 】【9 】【l o 】，窄带干扰【6 】【l l 】【1 2 】，时间抖动性【1 3 1 4 】【1 5 ， 以及收发机的复杂 性等方面对调制方式的性能进行了比较。由于f c c 对u w b 发射信号功率谱密 一r 一 上海大学硕士学位论文 度的规定，u w b 的发射功率受到了限制，所以可以从两个方面来考虑调制方式 的选择，第一是功率的有效性，即在每个比特的能量给定的情况下，以误比特率 来衡量系统性能，使系统性能达到最好；其次，由于调制方式会影响信号的功率 谱密度p s d ，进而会使总的发射功率受到影响，所以需要考虑调制后信号的p s d 。 p p m 、p a m 、b p s k 以及o o k 等几种调制方可以分为两类，即幅度调制和位置 调制【1 6 】。 1 幅度调制 u w b 信号可以总的表示为具有不同幅度和不同时移的一系列脉冲的组合： s ( o = a k w ( f t k ) ( 2 - 1 ) 其中s ( f ) 为u w b 信号，w ( f ) 为脉冲波形，舰和t k 分别为第k 个脉冲的幅度和时 移。 如果假设所有脉冲在时间上是均匀分布的，那么( 2 一1 ) 可以简化为： s ( f ) = m w ( t - k t ) ( 2 2 ) 丁表示脉冲间隔。通过对5 ( f ) 的自相关函数做傅立叶变换，可以得到信号的p s d 5 如果假设信息序列与脉冲幅度加权值有关，且信息序列是独立同分布的随机变 量，计算得到s ( f ) 的p s d 为 1 6 ： 弧c d = 孚陬州2 + 等量f 矿刳2 j c ，一争 c ：司 其中口：和服是 矾) 的方差和均值。从( 2 - 3 ) 式可以看出p s d 由连续分量和离散 的谱线组成，离散谱线的幅值大小与口。2 相关。 如果是o o k 调制，假设信息序列是等概分布的随机变量，可以取珊 o ，2 ) ， 那么仃：= l ，芦口_ 1 。信号的p s d 为： 吣e o = 争限刊2 + 专砉i 剖2 艿c ，一争 c z 哪 o o k 调制使u w b 信号的p s d 产生了离散谱线。 上海大学硕士学位论文 如果是p a m 调制，假设嘶k ，口。) 且o 0 0 o 、1 。 信道的一些系数定义如f ： 吼= p i f 鼠， ( 4 - 2 ) 2 0 l 0 9 1 0 ( , 3 k ，) * n o l t n a l ( t ，口2 ) ，或i 反，l = 1 0 “2 。 ( 4 3 ) 其中月。c n ( g f 口2 ) ，e 防7 】= n 。g n7 。p 一一，。f 是多径增益系数，p k , ， 是对数正态衰落变量，r t 是第，簇的过时延，q o 是第一簇中第一条路径的平均 功率，p j + 一1 等概分布。 ，2 i 丽一 ，r 2 e = k | 1，r ( f ) = 去吼，j ( f - 正一f ，) 。 、止i = o l ：o 讨论 口2l n ( 1 0 ) 2 0 - 2 9 一 ( 4 4 ) ( 4 5 ) ( 4 6 ) 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) i n t e l 提出的模型采用0 1 6 7 n s 宽的基带脉冲进行信道探测，为各个不同到 达时间的多径分量提供了很好时间分辨率。0 1 6 7 n s 的时间多径分辨率对 应的空间多径分辨为5 c m 。也就是说o 1 6 7 n s 的时间分辨率可以捕获在 5 e m 长度内变化的多径分量。这个分辨率足够满足u w b 室内设备操作的 频率。 ( 2 ) f c c 允许u w b 通信的最大带宽为7 5 g h z ，i n t e l 的实际测量在6 g h z 上 进行。测量在7 5 g h z 时，能准确获取信道特性所要求的最小空间分辨率 为4 c m 。因此i n t e l 提出的模型可以用于6 g h z 以上的u w b 通信。 ( 3 ) i n t e l 的测量结果表明并不是在每个采样间隔都有多径分量，对数正态分 布比瑞利分布更符合室内信道特性( 与文献 4 6 卜一致，【s o 中也对多径的 到达时间进行了观察，但【5 0 中的模型将衰落建模为瑞利衰落) ；多径分 辨率降低到i n s 时，多径衰落将会大大地减小。i n t e l 采用了与s v 模型相 同的双泊松模型描述随机到达时间。通过两个指数斜率使模型参数与测量 数据匹配。 3 s h o r 模型 介绍 在距离d 处的d b 功率由下式给出 p ( 印j d b = k 1 0 1 0 9 l o ( d ) + c ( 4 7 ) 其中k 是路径损耗指数斜率，c 是功率比例常数，是指距离发射机l m 处的接收 功率。不同k 值对应于不同的信道环境，表4 1 给出了不同信道环境时的路径损 耗因子。七= 2 时对应于自由空间传输 3 9 1 。 讨论 测量数据给出了u w b 系统与自由空间路径损耗模型相比较的偏差。k = 2 时为自由空间损耗模型。从k 的测量数据可知，当目标距离等于1 0 m 时，自由 空间损耗模型的误差为土1 0 d b 。 4 g h a s s e m z a d e h t a r o k h 模型 l o s 多径信道模型 3 0 - 上海大学硕士学位论文 f位置t k 天线高度r x 天线高度k 礼堂 1 1 01 1 01 0 4 5 4 走廊lu o 1 1 0一1 7 9 5 2 走廊2 1 1 0“01 4 3 8 6 穿墙m l o s ) 2 2 06 03 8 5 1 4 穿墙( n l o s ) 2 2 01 1 03 ，3 0 0 9 穿墙m l o s ) 2 2 02 2 03 1 7 9 7 表41 不同信遒环境时的路径损耗园子 观察该提案中的多径强度曲线( m i p ) 可以发现，参考时间t 时= d c ( d 是测量 时的距离) 时有一个很强的到达路径，所有时延的测量都与这个参考时间有关。 随着过时延的增大d b 功率会先急剧下降，接着线性衰减。因此，l o s 情况被建 模为一个6 函数和一个线性递减项之和。 p i l i = 6 ( t ) + 觉e x p ( d t ) u0 一t i ) ( 4 8 ) c 是截取值，c 【是每所住宅相对平均m i p 的线段的斜率。c 和a 的选取需使d b 变化 的均方值s 最小。参数的特性如下： c 是服从正态分布n 【一6 3 8 ，1 9 8 】( d b ) 的随机变量； n 是服从正态分布n 0 8 2 ，o 2 5 ( d b ) 的随机变量： s 的单位为d b ，是在过时延上正态分布的随机变量。5 的均值是常数一0 4 1 ， 方差是服从n 6 8 6 ，o 9 2 3 正态分布的随机变量。 根据以上结果，引出四个随机变量 吐= ，f a + ”j c = c + t 1 2 吼，s = 风+ ”3 a s o r s = i t o + 打4 靠 ( 4 - 9 ) 其中”i ，”2 ，1 1 3 和4 是零均值、单位方差的高斯随机变量。 c = 1 0 l o g l oe s = 1 0 1 0 9 t o 雪，d = 1 0 1 0 9 l o d ( 4 1 0 ) n l o s 多径信道模型 3 i 上海大学硕士学位论文 在n l o s 情况下。可以发现最初到达的值比最大值微弱，最大值对应的时 延大于最初接收到的多径分量。与l o s 情况相似，除去其中由于l o s 路径带来 的的d 函数，可阱得到n l o s 的信道模型 p m l 0 ) b = 帆+ s ( 4 1 1 ) 其中d 是d b 衰减常数。s 是对于相对m i p 均值的偏差。为了简化信道模型，把m i p 中第一个平均值作为最大值，a 要使均方差蹲小。参数特性近似为： ， a 【d b ，n s 是n 【- 0 5 0 ，o 1 3 正态分布的随机变量： s 【d b 是在时延上正态分布的随机变量。对于所有住宅，s 的均值是常数 ( 0 4 1d b ) ，而其方差是服从n 【7 2 0 ；o 8 8 i 态分布的随机变量。 以上变量可以由n l ，n 3 和n 。四个零均、单位方差的高斯随机变量表示， d = 胁+ n l 氏s = 胁+ 啦以，仉= 雎+ n 3 ( 4 1 2 ) 讨论 ( 1 ) 模型中没有具体指出用于信道检测的基带脉冲的宽度，但从模型公式 “( f - 0 8 ) 这一项可以看出，信道检测基带脉冲宽度为o 8 n s ，对应的空间分 辨率为2 4 c m ，对于室内环境而言这个值偏大。该模型假设每个采样间隔 内都有多径分量，从第二个采样点开始急剧衰落，接着指数衰减。从 “( r - o 8 ) ( 2 ) 该模型假设多径分量是单指数型衰减。但是，i n t e l 的测量数据表明只有 用双指数衰减进行仿真，才能与平均过时延和r m s 时延扩展的测量数据 一致，所以这种假设是无效的。 ( 3 ) 将n l o s 和l o s 的衰落分别建模为r a y l e i g h 和r i c e a n 分布。但是由于 u w b 的工作带宽很宽，多径效应不是很突出，它的分布明显地不同于瑞 利分布，所以这种衰落模型不能用于u w b 系统。 5 m i t s u b i s h i 模型 介绍 m o l i s c h ，w i n 和c