通信工程毕业设计（论文）-UWB超宽带通信系统的设计与仿真

超宽带通信系统的设计与仿真：TheDesignandSimulationofUWBCommunicationSystems学号院（系）指导教师目录摘要 1Abstract 11绪论 21.1超宽带无线通信的概述 31.2超宽带无线通信技术的研究历史及现状 41.3本文所做的工作 51.4本文的结构 52超宽带无线通信系统发射机设计 62.1超宽带脉冲的产生 72.2高斯脉冲信号 92.3超宽带无线通信的调制技术 102.3.1单脉冲调制 112.3.2多脉冲调制 123超宽带无线信道建模 133.1超宽带信道的基本概念 133.2超宽带信道模块设计 154超宽带相关接收模块设计 164.1自相关模块 164.2互相关模块 175超宽带（UWB）无线通信系统的simulink建模 185.1系统的总体结构 185.2仿真模型的发射机 195.3仿真模型的接收机 205.4仿真模型的信道结构 216系统的仿真分析 226.1发射端信号仿真分析 236.2接收端信号仿真分析 236.3接收信道仿真 246.4误码率分析 24总结 25参考文献 26致谢 27外文文献翻译 1-6超宽带通信系统的设计与仿真摘要:超宽带无线通信技术由于其较高的数据传输速率、较低的功率衰耗和强大的抗多径干扰能力等优点，视为下一代无线通信领域的关键技术。本文首先介绍了超宽带无线通信技术的发展历史、研究现状和发展前景，然后对超宽带无线通信中超宽带信号的波形设计发射机的结构、超宽带无线信道的建模和接收机的结构进行了理论研究以及仿真实验。最后使用Simulink软件作为仿真工具，建立了UWB系统的发射、接收和信道模型，对CM1信道下的超宽带无线通信系统的性能进行了仿真研究，并分析了仿真结果，该研究对设计高性能的超宽带无线通信系统具有一定的积极意义。关键词：超宽带；发射机；信道；接收机；仿真TheDesignandSimulationofUWBCommunicationSystemsAbstract:Duetoitshigherdatarate,lowerpowerattenuationandstronganti-multipathinterferencecapacity,UWBwirelesscommunicationtechnologyisregardedasthekeytonext-generationwirelesscommunicationtechnology.ThispaperfirstlyintroducestheUWBwirelesscommunicationtechnology’shistory,currentsituationanddevelopmentprospects,andthendoessometheoreticalresearchandsimulationexperimentsaboutUWBwaveformdesign、transmitter-structure,ultra-widebandwirelesschannelmodelingandreceiverstructure.Finally,usingSimulinksoftwareasthesimulationtoolstoestablishthetransmitter、receiverandchannelmodelofUWBsystem,theperformanceofUWBwirelesscommunicationsystemissimulatedundertheCM1modelandthesimulationresultsareanalyzed,thisstudyhassomepositivesignificancefordesignahigh-performanceultra-widebandwirelesscommunicationsystem.Keywords:UWB;Transmitter;Channel;Receiver;Simulation1绪论无线通信是当今通信技术的一个大主题。随着时代的进步以及电子产品的普及，人们对计算机、通信、家用电器等消费电子之间无线融合的需求指明了无线通信技术发展的主要方向。超宽带(UWB，UltraWideBand)通信是一种能够实现设备之间安全、互操作的无线通信技术，它使高速无线个人局域网(WPAN,WirelessPersonalAreaNetwork)成为可能。1.1超宽带无线通信的概述近年来，人们对无线个人局域网(WPAN)的关注不断升温。WPAN的核心思想是用无线电或者红外通信来取代传统的电缆，组建无线、高速、互联的个人化信息网络。目前，WPAN的主要技术有:蓝牙(Bluetooth)、红外线(IrDA，InfraredDataAssociation)、家用无线局域网技术(HomeRF，HomeRadioFrequency)和超宽带无线通信(UWB)等。而UWB以它高速、低功耗、低成本、高安全性的优点被认为是最具有竞争力的技术之一[1]。UWB（UltraWideBand）被定义为在较大的带宽上实现速率为100Mbps-1Gbps传输的技术。根据香农理论，无线信道的容量是与其占用的信道带宽成正比的，所以UWB能实现很高的数据率，是由于其占用很大的带宽。根据美国FCC对UWB技术的定义，相对带宽大于0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作UWB系统，并分配3.1-10.6GHz频段作为UWB系统可使用的频段，在该频段内，UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便与其他无线通信系统共存。UWB在10m以内的范围实现无线传输，是应用于无线局域网（WPAN）的一种近距离无线通信技术[1]。1.2超宽带无线通信技术的研究历史及现状无线通信技术的历史可以上溯到一百多年前的波夫和马可尼发明的无线电报地时代。现代意义的超宽带无线通信技术出现于上个世纪90年代，当时，它的应用只限于军事和灾害救援等方面。1989年，美国国防部高级研究院计划署(DARPA,DefenseAdvancedResearchprojectsAgency)首先提出了超宽带这一术语。1994年，美国解除了对UWB通信的保密性封锁，这在很大程度上促进了UWB技术的发展。1998年，美国联邦通信委员会(FCC)发出了关于开放UWB设备应用的征询公告，引起了各界的广泛关注。2002年2月，美国FCC批准了UWB的商用，这是超宽带技术的发展过程中的一个里程碑，促使超宽带技术成为了学术界研究的热点。英特尔(Intel)公司在2000年成立了UWB研究实验室，并在2004年4月展示了其传输速率高达480Mb/s的UWB设备。摩托罗拉(Motorola)公司也于2003年生产出实用的UWB收发设备，并于2004年获得FCC的批准。飞利浦(Philips)公司和美国通用原子公司(GA，GeneralAtomies)在2003年1月签订了一个备忘录，决定联合开发速率高达480Mb/s的UWB芯片组。摩托罗拉等致力于加快UWB技术普及的公司作为成员在2004年成立了UWB论坛()[2]。2001年4月，我国发布的“十五”863计划中把“UWB无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为有关通信技术主体研究项目，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。2004年9月，中国超宽带无线技术论坛()成立，论坛得到了原信息产业部国家无线电检测中心、中国电子视像协会、北京邮电大学、中国科学院移动通信研究所、海尔集团、飞思卡尔半导体有限公司和国际超宽带技术论坛的大力支持。UWB无线通信标准的建立也经历了一个长期的争论过程。2002年1月IEEE802.15.3sG3a工作组成立，开始了UWB的标准化进程。次年3月，sG3a工作组收到了来自全球的23个提案。在2003年7月的会议上，通过讨论和协商，这些提案融合成了两大方案，即美国MSSI、XtremeSpectrum公司等倡导的脉冲无线电方案和以Intel、TI为首提出的多频段正交频分复用(Multi-BandOFDM)方案。前一种方案利用的是直接序列码分多址(DS-CDMA，DirectSequenceCodeDivisionMultipleAccess)技术，也叫DS-UWB。后一种方案将可用的7.5GHz频段分成十几个500-600MHz左右的子频带，在每一个子频带上采用正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)技术。DS-UWB技术得到了以飞思卡尔、摩托罗拉等厂商为成员的国际UWB论坛的大力支持;Intel、TI等公司在2003年7月成立了多频带正交频分复用技术联盟(MBOA，Multi-BandOFDMAlliance)。为了各自的商业利益，争论双方的竞争异常激烈。直到2006年1月IEEE802.15.3sG3a工作组解散时，双方仍然没能使对方妥协[3]。1.3本文所做的工作本文设计了一个符合IEEE802.15.3sG3a协议规范的超宽带无线通信系统模型，通过simulink平台仿真验证了其正确性。首先，本文根据UWB超宽带通信系统的结构、协议、工作原理和OFDM技术在接收机和发射机系统的应用等原理对超宽带通信系统的构建进行了分析，将超宽带通信系统的模型分为接收机、无线信道、发射机、谱分析和误码率分析五个模块，然后利用simulink平台实现了这些模块。最后通过对系统的仿真运行，分析系统的频谱和误码率，并根据仿真的结果来对设计做出了调整。1.4本文的结构本文第一章介绍了本次毕业设计的研究背景、意义及所作的工作等；第二章对超宽带无线通信系统发射机的结构，包括脉冲信号的产生和调制技术做了比较详细的介绍；第三章对CM1信道和超宽带无线通信系统的信道的基本概念进行了相关介绍；第四章对超宽带无线通信系统的相关接收机模块分自相关和互相关两个模块做了相关介绍；第五章分模块详细地描述了simulink建模方案；第六章对整个通信系统的仿真进行了详细的分析。2超宽带无线通信系统发射机设计超宽带无线通信系统的辐射的频谱由两方面决定:其一是脉冲信号的波形，可根据需要的频谱特性选择发送的脉冲波形;其二是其调制方式。本章重点介绍超宽带无线通信系统发射机，具体包括波形设计和调制方式等。根据超宽带基带脉冲的频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类:第一类是基带脉冲，该脉冲包含从低频到高达几个GHz的频率的连续带宽;第二类是特殊脉冲，即满足特定频谱要求的脉冲，通信系统的工作频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于时域成形波形P(t)的设计。在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以用多个脉冲传递相同的信息[4]。2.1超宽带脉冲的产生超宽带窄脉冲的产生，通常要满足下列条件:脉冲宽度要窄，实现超宽带冲激无线通信的脉冲宽度通常在1ns以下;根据实际应用中频谱特性的需要，选择不同的波形;提高脉冲重复频率，实现高速率的数据传输;脉冲的位置或者幅度可控，以适应脉冲位置调制或者脉冲幅度调制的需要，特别是脉冲的起始位置，必须要精确控制，否则时间位置的偏移会造成信号同步的解调的困难，在需要功率控制的情况下，脉冲的能量应该可控;辐射功率严格限制，以免对其它系统造成干扰;输出要稳定，在发射脉冲宽度较窄、传输速率较高的情况下，要保证接收端正确地捕获、同步和解调，必须要求脉冲产生器输出的波形、相位保持较高的稳定性;脉冲信号产生器还应该容易实现。超宽带脉冲的产生方式主要有两类:低功率系统的集成电路设计和半导体器件实现。对于半导体器件实现，器件的开关特性是实现窄脉冲产生器的关键。目前主要采用的有隧道二极管(TunnelDiode)，雪崩二极管(AvalancheDiode)、雪崩三极管(AvalancheTransistor)、阶跃恢复二极管(SRD，StepRecoveryDiode)，飘移阶跃恢复二极管(DSRD，DriftStepRecoveryDiode)和飘移阶跃恢复三极管(DSTR，DriftStepRecoveryTransistor)[5]。2.2高斯脉冲信号在超宽带通信系统中，所采用的基带脉冲波形很少是一个周期的正弦波。事实上，产生非正弦脉冲要比产生脉冲调制正弦波更容易、更经济。超宽带大电流辐射(LCR，LargeCurrentRadiator)天线的问世，使得利用一些经济的技术和工艺(如CMOS芯片)来产生持续时间在ns级的脉冲成为可能。这种LCR天线是通过电流来激励的，它的辐射功率正比于电流导数的平方。试验表明，当用一个满足阶跃函数的电流来激励天线时，天线的输出端就会产生一个脉冲，而且这个阶跃电流跳变越陡峭，所产生的脉冲宽度就越窄[6]。脉冲产生器最易产生的脉冲波形其实是一个钟形，类似于高斯函数波形。最常用的超宽带信号是高斯单周期(Monocycle)脉冲或者其各阶微分波形。各阶微分脉冲波形均可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降。高斯脉冲信号作为超宽带技术发展之初所选用的信号主要有两个原因:一是容易利用超宽带脉冲发生器产生;二是收发天线对超宽带信号的作用相当于微分运算，而高斯脉冲的各阶微分具有比较简单的形式，便于分析。高斯脉冲的基本波形为，（2.1）其中，时，p(t)为单位能量脉冲;a为脉冲波形的成形因子增大，脉冲幅度减小，脉冲宽度变宽。高斯脉冲的频谱函数为,（2.2）由，b为常数时，得到（2.3）因此，有（2.4）高斯脉冲的各阶微分形式为:（2.5）其中，k为微分的阶次。但是为了有效辐射，产生的脉冲应具备一个基本条件:无直流分量。在满足该条件的前提下，有多种脉冲波形可供考虑。高斯函数的各阶导函数表示的波形都是满足上述条件的。通过改变脉冲波形来获得频谱形成是IR的一个重要的特性。频谱形成主要可以采取三种不同的方法:改变脉冲宽度、对脉冲进行微分和对基函数的组合。考虑以高斯脉冲作为研究对象。高斯脉冲非常适合本文的分析，因为高斯脉冲可以直接通过调整形成因子a来改变波形，同时可以通过对原始脉冲微分来获得很多的波形。脉冲宽度取决于脉冲形成因子a。减小a的值将会使脉冲宽度压缩，从而扩展传输信号的带宽。因此，同一波形可以通过改变脉冲形成因子的值来得到不同的带宽。注意到高斯脉冲有无限的持续时间，这将不可避免地导致脉冲混叠和符号间干扰(ISI)。但是，设计在可以合理地为高斯脉冲考虑一个有效的持续时间，其截断能量低于一个给定的门限值。在这样的假设条件下，脉冲形成因子a的上限由不超过切普(chip)持续时间Tc的Tm给定，而下限则受到产生极窄脉冲的技术的限制。对高斯脉冲微分也会影响其能量谱密度。峰值频率和脉冲带宽都会随微分阶数的增加而改变。特别地，观察k阶导数的傅氏变换性质[7]:（2.6）可以得到关于峰值频率、导函数的阶k和脉冲形成因子。三者之间的一般关系式。由上式进一步可以得到和k的关系式:（2.7）2.3超宽带无线通信的调制技术在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单脉冲传递不同的信息，也可以用多个脉冲传递相同的信息。I-UWB(Impulse-UltraWideBand，无载波脉冲UWB)系统在多址通信信道中可以以很高的速率传输数据。由于I-UWB系统的信号是无载波传输方式，因此发射机和接收机的结构十分的简单。在I-UWB系统当中，一串极短(ns级)的脉冲被发送，信息通过发射脉冲串的幅度或极性来传输(PAM、BPSK调制)，或是通过脉冲起始时间的移动来传输(PPM调制)。此外为允许多个用户共享同一传输信道，在每个用户发射脉冲的起始时间都加入一个唯一的、并且被相应的接收机已知的伪随机时移，以免多个用户在同信道中因为同时发射信号而引起的信息冲突。2.3.1单脉冲调制对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典的单脉冲调制技术包括:脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、二相调制(BPM)和开关键控(OOK)等。PAM调制是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术,PAM调制既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值的大小。BPM调制和OOK调制方法是PAM调制的两种简化形式。BPM调制过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK调制通过脉冲的有无来传递信息。在PPM、BPM和OOK调制中发射脉冲时间间隔是固定不变的。实际上，也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM调制的原理。在PPM调制中，脉冲的极性和幅度都不改变。PAM、OOK和PPM调制的共同优点是可以通过非相干检测恢复信息PAM调制和PPM调制还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息输速率。2.3.2多脉冲调制实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在超宽带脉冲无线系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步:第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制;第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM调制方法;在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制方法。一般把第一步称为扩谱(SpreadSpectrum)，而把第二步称为信息调制。因而在第一步中，把PPM调制称为跳时(TimingHopping)扩谱(TH-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置;把BPM称为直接序列(DirectSequence)扩谱(DS-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM调制同时改变每组脉冲的幅度，PPM调制同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到一下多脉冲调制技术:PPM-TH-SS、PPM-DS-SS、PAM-TH-SS、PAM-DS-SS、BPM-TH-SS、BPM-DS-SS。多脉冲调制不仅可以通过提供脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多个脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。在多脉冲调制中，利用不同SS序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信效率[9]。3超宽带无线信道建模信号的传播环境是影响无线通信系统性能的主要因素之一，建立准确的信道模型对超宽带无线通信理论研究和性能分析是非常重要的。超宽带无线通信环境远比基于连续波的传统窄带或宽带无线信道环境复杂。因此，根据无线信道的基本特征，结合超宽带脉冲信号传播的特殊性，通过分析超宽带脉冲信号在不同环境下的传播特性，建立相应的超宽带无线信道电波传播模型具有重要的意义。3.1超宽带信道的基本概念超宽带无线信道的传播模型可分为路径损耗模型和多径传播模型。路径损耗模型主要用于描述发射机和接收机之间距离大于5米以上的信号强度的变化，它表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离的变化呈现出缓慢变化。路径损耗模型也称为大尺度模型。路径损耗模型包括穿透障碍损耗、视距和非视距损耗。多径传播模型用于描述短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。主要描述无线信号经短距离或短时间传输后经两个或两个以上路径微小的时间间隔到达接收机的传播特性。路径损耗模型不仅对分析信道的可用性、传输频带的选择等具有重要意义，而且对于无线网络的规划也非常重要。多径传播模型对传输技术的选择和接收机的设计至关重要。这两个模型在超宽带室内信道中并不是相互独立存在的，在同一个无线信道中，二者综合作用于发射脉冲信号[10]。3.3超宽带信道模块设计超宽带信道传播的主要特点是:由于发射机和接收机之间存在多条传播路径,发射信号传播之后会产生多个经过时延和衰落的信号。根据冲激无线电应用实际,需要考虑到脉冲在反射或穿透障碍物时其性状的变化。脉冲的性状应与传播路径有关,不同的传播路径有不同的冲激响应。因此,接收信号可表示为[11]:（3.1）这里,一个特定的脉冲波形与路径n对应,和分别为第n条路径时刻t的信道增益和信道时延,N(t)是时刻t观测到的路径数,n(t)是接收机处的加性噪声。IEEE模型的信道冲激响应可以表示为:（3.2）其中X是对数正态随机变量,代表信道的幅度增益;N是观测到的簇的数目,K(n)是第n簇内接收到的多径数目,是第n簇中第k条路径的系数,Tn是第n簇到达时间,是第n簇中第k条路径的时延。这个模型是将室内环境分成四种典型的情况:CM1(0~4m,视距传播(LOS)),CM2(0~4m,非视距传播(NLOS)),CM3(4~10m,非视距传播(NLOS)),CM4(4~10m,极端情况下的非视距传播(NLOS)),特性如表3.1所示。表3.1CM1~CM4信道模型特性模型特性CM1CM2CM3CM4平均能量延迟(ns)4.99.413.826.8RMS延迟(ns)58142613.318.225.341.4NP(85%)21.437.262.7122.8信道能量平均值(dB)-0.1信道能量标准差(dB)3.2UWB室内信道模型的通信环境比较复杂,通信距离比较短,通常在10m以内,慢衰落、密集多径和准静止是它的主要特征。从表3.1可以看出4种信道模型中多径时延最大值为25ns。4超宽带相关接收模块设计在进行UWB相关接收设计时,设计合适的相关器对接收机的实现至关重要。根据超宽带信号要求和各种相关器的特点,冲激无线电的相关器设计通常采用模拟式相关器或混合式相关器。模拟式相关器是指接收信号和相关模板信号都是模拟量;混合式相关器的特点是接收信号为模拟量,而将模板信号量化为了数字量。4.1自相关模块自相关接收机的一种典型应用是基于超宽带信号的发送-参考(T-R)接收机,它的基本思想是发射机在时刻t发送一个引导脉冲,然后在t+D时刻发送第二个脉冲,该脉冲与引导脉冲完全一样,调制信息被映射到第二个脉冲上。在接收端,通过判决延迟D时刻获得的接收脉冲信号的自相关值提取数据信息,T-R自相关接收系统的结构图如图4.1所示[12]。图4.1T-R自相关接收系统4.2互相关模块互相关接收机可以采用模拟式和混合式方式进行相关处理,其中模拟方式选用与接收信号一致的二阶高斯脉冲信号作为模板信号,而混合方式可采用数字方波作为模板信号,系统结构框图如图4.2。图4.2UWB信号相关仿真图5超宽带（UWB）无线通信系统的simulink建模5.1系统的总体结构本系统的构建基于IEEE802.15.3a标准中的多频带正交频率复用（OFDM）UWB提案。该提案支持55-480Mb/s之间的数据传输速率变化。OFDM信号使用跳频（多频带）技术进行扩频,本系统采用三个子频带来实现OFDM信号在UWB系统中的应用。本系统的主要技术指标如下所示：（1）射频传输带宽：528MHz（2）跳频扩频：分3频段（分别以3.43，3.96，4.49GHz为中心）

（3）纠错编码：卷积编码（4）码速率：R=5/8

（5）调制：四相相移键控（QPSK）

（6）OFDM传输：128点的IFFT;零直流

（7）每个OFDM符号的有效载荷量：100（8）时间扩展：2倍（通过跳频进行扩展）

（9）抗多径循环前缀：60纳秒其中系统的总体结果如图5.1：

图5.1仿真系统的总体结构5.2仿真模型的发射机结构系统的发射机结构如图5.2所示：图5.2系统发射机模型图信号经过贝努二进制调制，传至5/8卷积编码器，在进行交织、QPSK调制，OFDM发射机。最后经过跳频和滤波后发送到信道中。其中OFDM发射机是发射机模型的核心模块，其结构如图5.3所示：图5.3OFDM发射机结构这个子系统的目的是要将QPSK符号有效载荷转变成OFDM符号（每165个样本）的帧中，并将它传递给发射机的射频前端。在子系统中的第一个转换器将输入信号转换成定点数据类型。第二个转换器将输出转换为双精度浮点（相当于D/A转换器）。通过反快速傅立叶变换（IFFT）块和增益模块，通过其完成相关算法的定点运算。5.3仿真模型的接收机结构系统的接收机结构如图5.4所示：图5.4系统接收机模型图信号经过跳频解扩和滤波，经过OFDM接收QPSK解调和解交织，最后经过维特比解码接收。其中OFDM系统的接收机模型如图5.5所示：图5.5OFDM接收机其中循环处理和信道估计/补偿可以用于减少多径信道对传输信号的影响。5.4仿真模型信道的结构本系统采用UWB标准信道，该信道结构图如图5.6所示:图5.6信道结构图信道参数图如图5.7所示,在本次仿真中是以CM1信道模型进行仿真的。图5.7信道参数图6系统的仿真分析通过对构建的UWB无线通信系统模型进行仿真，分析了系统的跳频时序，子频带频谱，接收端信号频谱和信道估计/补偿的星座图。6.1发射端信号仿真分析图6.1跳频时序仿真图图6.2三个子频带频谱图由图6.1可知系统分三个频段进行跳频扩频，其各频段的频谱图如图6.2所示。6.2接收端信号仿真分析图6.3接收端信号频谱图图6.3显示的是接收端信号的频谱图，从图可知直流信号为零，信号受多径衰落信道的影响较明显。6.3星座图仿真分析图6.4信道估计/补偿后的星座图如图6.4可知经过信道估计/补偿模块后的星座图成明显的X型，达到了该模块构建的目的。6.4误码率分析本系统还分析了误码率，经过一段时间的仿真统计，其误码率为0.7*10-5满足系统设计的基本要求。总结超宽带无线通信技术作为一项新兴的无线通信技术，因其本质及具有信息传输速率很高、抗多径干扰能力强、系统容量大、与现有通信系统频谱共享、低功耗等诸多优越性而成为人类实现未来中短程高速无线通信的首选无线通信技术。在该仿真系统的建立期间，本人做了以下工作：(1)研究了大量超宽带无线通信技术和MATLAB仿真知识，为该UWB通信系统的设计打下了坚实的理论基础。（2研究了simulink仿真系统，分析了系统的仿真分析方法。同时参考了大量设计方案及仿真模块的参数配置。（4）建立的超宽带通信系统的仿真模型，并完成的仿真实验，使系统能够满足设计的要求。由于时间和知识有限，系统也存在一些局限性，要使该系统真正实用化还需要更多的理论研究和实践操作。参考文献[1]MoeZWin，RobertAScholtz.ImpulseRadio:HowItWorks.IEEECommunicationLetters[J].2002.[2]XiaominChen，SayefKiaei.MonocycleShapesforUltraWidebandSystem.IEEEISCAS[J].2002.[3]XiaojingHuan，YunxinLi.GeneratingNear-WhiteUltra一WidebandSignalswithPeriodPNSequences.ConefrenceProceesingsoftheIEEEVTC-2001，Rhodes，Greece[J].2001[4]KSiwika.Ultra-WideBandRadio:IntroducinganewTechnology.TimeDomainCorp[J].1999.[5]杨庆瑞.超宽带通信系统极窄脉冲特性研究[M].电子科技大学硕士学位论文.2002.[6]KSiwika，PWithingtonandSPhelan.Ultra-WideBandRadio:theEmergenceofanImportantnewtechnology.IEEEVTC[J].2001.[7]MZWin，RAScholtz.Ultar-WideBandwidthTime-HoppingImpulseRadioforWirelessMultiple-AccessCommunications.IEEETrans.OnCommunications，2000[8]RASeholtz.MultipleAccesswithTime-HoppingImpulseModulationProc.MILCOM’93，Bedofdr[J].1993.[9]AMuqaibel，BWoernerandSRiad.ApplicationofMulti-userDetectionTechniquestoImPulseRadioTimeHoppingMultipleAccessSystems.IEEEConferenceonUltraWidebandSystemsandTechnologies[J].2002.[10]GMMaggio，NRulkov，MSushehik.ChaoticPulse-PositionModulationforUltra-WidebandCommunicationSystems.Proc.UWB，99，WashingtonD.C.[J].1999.[11]徐光明，李少毅，钟雪锋.超宽带通信系统及实现[M].电子工程师.2003.[12]葛利嘉.超宽带无线电基础[M].电子工业出版社.[13]J.HeiskalaandJ.Terry,"OFDMwirelessLANs:atheoreticalandpracticalguide,"SAMS[J].2002.致谢该毕业设计论文是在江沸波老师的悉心指导和严格要求下完成的。从设计选题，方案论证到具体设计和调试，江老师都给予了很大的帮助。在论文撰写过程中，江老师时时关注，并细致入微的审阅我的论文，提出很多宝贵意见。这不仅提高了我个人的通信理论知识水平，而且很好的锻炼了我的仿真能力。江老师治学态度严谨，学识渊博，为人和蔼可亲。在此，谨向江老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！最后，我要向百忙之中抽空参加论文评审的各位老师表示最衷心的感谢!外文文献翻译超宽带技术的短期或中期范围内的

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斯里尼瓦萨，英特尔架构实验室，英特尔公司

大卫利珀，英特尔部连接的产品，英特尔公司

关键字：超宽带，无线，通讯，局域网，无源光网络摘要超宽带（UWB）技术可以大致的被定义为一个占有超过25％中心频率的带宽，或者涨幅比为1.5GHz的带宽的任何无线传输方案。美国联邦通讯委员会（FCC）目前正在制定措施限制超宽带通信系统的辐射排放量，与家用电脑管理的辐射排放量相同，在无牌经营的基础上部署第15.209有目的的散热辐射规则。这一规则的改变将使UWB的可以启用的频谱更有效地利用现有的窄带系统来覆盖，并使得有用的频谱更为有效，但目前这是不允许的。本质上这些设备可以在任何特定地点频谱的未使用的部分中使用。通过FCC最近的这些发展给了英特尔一个独特的机会来发展硬件设施，它们可以依靠存在于无线领域大量的潜在的优势来利用巨大的可用频谱，而且正在提供一个用来驱动未来的高速率应用引擎的整个行业的构思。英特尔®架构实验室（的IAL）目前正在研究超宽带技术，以更好地了解它的好处、缺陷和使用高速率通信带来的技术挑战。本文从潜在的应用程序的监管障碍到可能的实现和未来的挑战向读者介绍了这项技术。简介宽带（UWB）的技术流行于20世纪80年代，因为信号的宽带性质使它具有非常准确的计时信息，使它仅用于基于雷达的应用程序，然而由于在高速交换技术的最新发展，使UWB对于低成本的消费通信应用变得更加有吸引力的。英特尔架构实验室（IAL）目前正在内部资助研究项目，其目的是进一步探讨延伸到高速率通信领域超宽带技术的潜在好处和未来的挑战。虽然短期超宽带（UWB）不是很有说服性，但它确实有助于从传统的“窄带”系统技术以及新的“宽带”系统通常描述中提到的未来3G蜂窝技术中分离出这种技术。UWB和其他“窄带”或“宽带”系统之间有两个的主要区别。首先，超宽带系统的带宽，如美国联邦通讯委员会（FCC）的定义，是25%以上的或超过1.5GHz的中心频率。显然，这种带宽远远大于目前任何技术所采用的通信带宽。其次，UWB是一个典型的实施载波方式。传统的“窄带”和“宽带”系统使用无线电频率（RF）基带运载在频域中的信号，并且这些系统允许被操作。相反，超宽带的实现可以直接调节一个“脉冲”，这种脉冲有一个非常尖锐的上升和下降时间，因此，在占用的波形产生几个GHz的带宽。虽然产生一个UWB波形有许多其他的方法，但在本文中，我们着重叙述脉冲的超宽带波形。无线替代的手段为了了解在无线通信中超宽带无线通信适用于哪些目前的趋势，我们需要考虑一般通信系统试图解决的问题。尤其是，如果无线是一个理想的媒介，可以用它来传送1.大量的数据，2.远距离传输，3.传输速度快，4.多用户，5.同时性。 不幸的是，不可能寻在实现一个同时具备这五种特性的通信和双向通信流系统，如果其他的要做好，必须放弃一个或多个特性。原来的无线系统用于测量大型桥梁的距离，以便使双方联系在一起。然而，最近的一个无线电历史显示了对于其他四个属性的距离费用存在明显提高的趋势。蜂窝电话系统就是最明显的例子，覆盖300米到30公里的范围。短距离允许频谱再利用，从而服务更多的用户，并且系统是可行的，因为它们是由一个基本的有线基础设施中的移动电话网络来支撑的。在过去数年，甚至更短距离系统，从10到100米，已经开始出现,带动了以数据应用为主。在这里，有线互联网是基础设施，而不是电话网络。许多人期待短距离无线和有线互联网结合成一个快速增长的补充数据，语音，音频和视频的下一代的蜂窝系统。四大趋势正在推动短距离尤其是超宽带无线通信的普及：(1)对于无线数据能力的便携式设备日益增加的对高带宽需求，以及低于目前可用技术的成本和功耗。（2）拥挤的频谱分割却以传统的方式被监管部门分段和控制。（3）高速有线接入的企业，家庭上网速度，和公共空间的增长。

（4）信号处理半导体成本和功耗的收缩。趋势1和2要求系统不仅仅是提供高比特率峰值，而且还需要高容量，以及空间，其中空间容量被定义为/秒/平方米/位。正如电话功能的蜂窝电话网络，趋势3使高带宽成为可能，包括在建的服务提供低功率短距离如使用蓝牙和IEEE802.11成为可能。最后，趋势4让这些本来在几年前不切实际技术的信号处理的使用成为了可能。，使超宽带（UWB）技术实用成为最终的趋势。按预期，新兴的短期和媒介变化无线标准各有不同，隐含的空间容量大小分配使用。例如：（1）IEEE802.11b有100米额定工作范围。在2.4GHzISM频段，可用频谱大约为80MHz。因此，在一个有100米，322MHzIEEE802.11b的系统能在不干扰的基础上，各有一峰值为11Mbps的速度半径。该合计速度33Mbps，由圆的面积划分，产量约1000比特/秒/平方米的空间容量。（2）蓝牙，是一种低功耗模式，具有在额定10米范围内，峰值在空中的1Mbps的速度。研究表明，大约10蓝牙“微网”能以最小的退化同时操作在同一个10米的圆一个10Mbps的产生总的速度。除以圆的面积这个速度产生约30,000比特/秒/平方米的空间容量。（3）IEEE802.11a是预计有一个50米的工作范围和54Mbps的峰值速度的项目。由于在5GHz范围内的U型国家信息基础设施带下部的200MHz的可用频谱，12这种系统可以同时运行在一个50米环路中，并可以聚集648Mbps的速度。预计该系统的空间容量约为83,000比特/秒/平方米。（4）UWB系统按照他们的预测具有很大的不同功能，但有超宽带技术的开发商已经测量在10米范围和项目等六大系统可以在同一个10米半径有超过50Mbps的峰值并且只有很少的操​​作降解速度。按照同样的程序，预计该系统的空间能力将超过100万比特/秒/平方。目前的低数据速率无线局域网（WLAN）和无线个人区域网络（WPAN）能够达到1-10Mbps的数据传输速率，通常用于诸如分组交换数据和无线语音电话应用，使用时分多址（TDMA）语音电路。例如技术支持这些应用的IEEE802.11（Wi-Fi的）蓝牙和HomeRF网络标准。由于802.11和ETSIBRANHiperLAN/2*标准（相当于欧洲的802.11）已添加原始数据的物理层速率高达54Mbps规格，应用空间扩大到包括音频/视频这些数据应用的更高速率。这些不同类型的流量对于服务参数的不同有不同的条件要求，量化为每个应用程序对这些用户的网络性能。因此，例如，语音电话和视频电话会议应用在延迟和抖动性能方面有严格要求。音频或者视频的应用需要大量带宽，可能需要关闭同步（例如，连接立体声扬声器环绕声系统）。超宽带（UWB）系统，与他们在短距离上相比具有非常大的数据速度的潜力，自然是要为网络的数据源和汇聚高宽带这类使用。因此，这将是在向MAC设计时考虑这些超宽带系统的MAC层设计等标准进行。MAC层最重要的无线网络功能，包括信道接入控制，保持服务质量（QoS），并提供安全性。外文文献原文Ultra-WidebandTechnologyforShort-orMedium-RangeWirelessCommunicationsJeffFoerster,IntelArchitectureLabs,IntelCorp.EvanGreen,IntelArchitectureLabs,IntelCorp.SrinivasaSomayazulu,IntelArchitectureLabs,IntelCorp.DavidLeeper,IntelConnectedProductsDivision,IntelCorp.Indexwords:UWB,wireless,communications,LAN,PANABSTRACTUltra-Wideband(UWB)technologyislooselydefinedasanywirelesstransmissionschemethatoccupiesabandwidthofmorethan25%ofacenterfrequency,ormorethan1.5GHz.TheFederalCommunicationsCommission(FCC)iscurrentlyworkingonsettingemissionslimitsthatwouldallowUWBcommunicationsystemstobedeployedonanunlicensedbasisfollowingthePart15.209rulesforradiatedemissionsofintentionalradiators,thesamerulesgoverningtheradiatedemissionsfromhomecomputers,forexample.ThisrulechangewouldallowUWB-enableddevicestooverlayexistingnarrowbandsystems,whichiscurrentlynotallowed,andresultinamuchmoreefficientuseoftheavailablespectrum.Devicescould,inessence,fillintheunusedportionsofthefrequencyspectruminanyparticularlocation.TheserecentdevelopmentsbytheFCCgiveIntelauniqueopportunitytodevelopequipmentthatcouldpotentiallytakeadvantageofthevastamountofusablespectrumthatexistsinthewirelessspace,andthatcouldprovideanenginetodrivethefuturehigh-rateapplicationsthatarebeingconceivedthroughoutthisindustry.Intel®ArchitectureLabs(IAL)iscurrentlyresearchingUWBtechnologyinordertobetterunderstanditsbenefits,limitations,andtechnicalchallengeswhenusedforhigh-ratecommunications.Thispaperintroducesthereadertothistechnology,frompotentialapplicationstoregulatoryhurdles,topossibleimplementationsandfuturechallenges.INTRODUCTIONUltra-Wideband(UWB)technologyhasbeenaroundsincethe1980s,butithasbeenmainlyusedforradar-basedapplicationsuntilnow(see[1]andthereferencestherein),becauseofthewidebandnatureofthesignalthatresultsinveryaccuratetiminginformation.However,duetorecentdevelopmentsinhigh-speedswitchingtechnology,UWBisbecomingmoreattractiveforlowcostconsumercommunicationsapplications(asdetailedinthe“ImplementationAdvantages”sectionofthispaper).IntelArchitectureLabs(IAL)iscurrentlyworkingonaninternallyfundedresearchprojectwhoseintentistofurtherexplorethepotentialbenefitsandfuturechallengesforextendingUWBtechnologyintothehigh-ratecommunicationsarena.AlthoughthetermUltra-Wideband(UWB)isnotverydescriptive,itdoeshelptoseparatethistechnologyfrommoretraditional“narrowband”systemsaswellasnewer“wideband”systemstypicallyreferredtointheliteraturedescribingthefuture3Gcellulartechnology.TherearetwomaindifferencesbetweenUWBandother“narrowband”or“wideband”systems.First,thebandwidthofUWBsystems,asdefinedbytheFederalCommunicationsCommission(FCC)in[2],ismorethan25%ofacenterfrequencyormorethan1.5GHz.Clearly,thisbandwidthismuchgreaterthanthebandwidthusedbyanycurrenttechnologyforcommunication.Second,UWBistypicallyimplementedinacarrierlessfashion.Conventional“narrowband”and“wideband”systemsuseRadioFrequency(RF)carrierstomovethesignalinthefrequencydomainfrombasebandtotheactualcarrierfrequencywherethesystemisallowedtooperate.Conversely,UWBimplementationscandirectlymodulatean“impulse”thathasaverysharpriseandfalltime,thusresultinginawaveformthatoccupiesseveralGHzofbandwidth.AlthoughthereareothermethodsforgeneratingaUWBwaveform(usingachirpedsignal,forexample),inthispaper,wefocusontheimpulse-basedUWBwaveform.but,first,abreakdownofhowthispaperisorganized.WIRELESSALTERNATIVESInordertounderstandwhereUWBfitsinwiththecurrenttrendsinwirelesscommunications,weneedtoconsiderthegeneralproblemthatcommunicationssystemstrytosolve.Specifically,ifwirelesswereanidealmedium,wecoulduseittosend.1.alotofdata,2.veryfar,3.veryfast,4.formanyusers,5.allatonce.Unfortunately,itisimpossibletoachieveallfiveattributessimultaneouslyforsystemssupportingunique,private,two-waycommunicationstreams;oneormorehavetobegivenupiftheothersaretodowell.Originalwirelesssystemswerebuilttobridgelargedistancesinordertolinktwopartiestogether.However,recenthistoryofradioshowsacleartrendtowardimprovingontheotherfourattributesattheexpenseofdistance.Cellulartelephonyisthemostobviousexample,coveringdistancesof30kilometerstoaslittleas300meters.Shorterdistancesallowforspectrumreuse,therebyservingmoreusers,andthesystemsarepracticalbecausetheyaresupportedbyanunderlyingwiredinfrastructure–thetelephonenetworkinthecaseofcellular.Inthepastfewyears,evenshorterrangesystems,from10to100meters,havebegunemerging,drivenprimarilybydataapplications.Here,theInternetistheunderlyingwiredinfrastructure,ratherthanthetelephonenetwork.Manyexpectthecombinationofshort-rangewirelessandwiredInternettobecomeafast-growingcomplementtonextgenerationcellularsystemsfordata,voice,audio,andvideo.Fourtrendsaredrivingshort-rangewirelessingeneralandultra-widebandinparticular:1.Thegrowingdemandforwirelessdatacapabilityinportabledevicesathigherbandwidthbutlowerincostandpowerconsumptionthancurrentlyavailable.2.Crowdinginthespectrumthatissegmentedandlicensedbyregulatoryauthoritiesintraditionalways.3.Thegrowthofhigh-speedwiredaccesstotheInternetinenterprises,homes,andpublicspaces.4.Shrinkingsemiconductorcostandpowerconsumptionforsignalprocessing.Trends1and2favorsystemsthatoffernotjusthigh-peakbitrates,buthighspatialcapacity1aswell,wherespatialcapacityisdefinedasbits/sec/square-meter.Justasthetelephonenetworkenabledcellulartelephony,Trend3makespossiblehigh-bandwidth,in-buildingserviceprovisiontolow-powerportabledevicesusingshort-rangewirelessstandardslikeBluetooth()andIEEE802.11(/groups/802).Finally,Trend4makespossibletheuseofsignalprocessingtechniquesthatwouldhavebeenimpracticalonlyafewyearsago.ItisthisfinaltrendthatmakesUltra-Wideband(UWB)technologypractical.Whenusedasintended,theemergingshort-andmedium-rangewirelessstandardsvarywidelyintheirimplicitspatialcapacities.Forexample:1.IEEE802.11bhasaratedoperatingrangeof100meters.Inthe2.4GHzISMband,thereisabout80MHzofuseablespectrum.Hence,inacirclewitharadiusof100meters,three22MHzIEEE802.11bsystemscanoperateonanon-interferingbasis,eachofferingapeakover-the-airspeedof11Mbps.Thetotalaggregatespeedof33Mbps,dividedbytheareaofthecircle,yieldsaspatialcapacityofapproximately1,000bits/sec/square-meter.2.Bluetooth,initslow-powermode,hasarated10-meterrangeandapeakover-the-airspeedof1Mbps.Studieshaveshownthatapproximately10Bluetooth“piconets”canoperatesimultaneouslyinthesame10-metercirclewithminimaldegradationyieldinganaggregatespeedof10Mbp