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超宽带（UWB）通信信道系统研究

现代通信技术（期末）论文

课程名称：

现代通信技术

论文题目：

超宽带（UWB）通信信道系统研究

院系：

信息技术学院

班级：

2010级计算机科学与技术1班

姓名：

学号：

指导教师：

昆明学院

目录

第1章绪论 4

1.1UWB通信技术简介 4

1.2UWB的技术特点 6

1.3UWB以及相关技术的比较 8

1.4UWB研究发展前景 9

第2章超宽带系统基本原理简介 10

2.1UWB无线电通信的基本原理 10

2.2IR-UWB脉冲 11

第3章超宽带通信信道模型 11

3.1无线信道特性 12

3.2多径效应 12

第4章IR-UWB无线通信信道仿真 13

4.1IR-UWB信号仿真 14

4.1.1典型IR-UWB信号及其功率谱密度仿真 14

4.2IEEE802.15.3a标准信道模型 14

4.3PPM-TH-UWB信号通过不同信道环境的仿真分析 15

4.3.1IEEE802.15.3a信道环境下的信号传输 15

总结与展望 17

参考文献 18

超宽带（UWB）通信信道系统研究

摘要

超宽带通信技术是一种全新的短距离无线通信技术。

它利用极窄脉冲传输数据，具有传输速率高、功耗低、抗多径能力强等许多优点，并且由于频谱的功率谱密度极小，它通常具有扩频通信的特点。

本文首先概括地介绍了超宽带无线通信的基础知识，重点研究TH-UWB信号特点及传播特性，对比超宽带信道模型与窄带无线信道的不同，在此基础上分析路径损耗模型和多径衰落模型对PPM-TH-UWB超宽带信号传输的影响。

利用MATLAB仿真分析了PPM-TH-UWB和PAM-TH-UWB信号时域表达式及其功率谱密度（PSD），在此基础上仿真分析了脉冲超宽带信号在此信道模型下的传输特性，分析模型参数对信号传输的影响。

关键词：

超宽带、脉幅脉位调制、功率谱密度、通信信道

第1章绪论

超宽带（UWB）无线通信技术是近年来通信领域兴起的一种无线互连技术。

超宽带无线通信是使用微弱的，持续时间极短的脉冲进行短距离通信。

一般脉冲持续时间为0.2ns到1ns，因此脉冲序列不必转换成较高的载波频率进行传输，而是直接利用纳秒至皮秒级的窄脉冲形式传输。

这种方式占用带宽非常之宽，具有G量级带宽。

信号占空比极低，每个信号间出现较长的无信号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间干扰降至可忽略的程度，所以它有很好的多径免疫能力。

一般认为，如果一个信号的带宽相对于载波中心频率或中心频率来说较宽，即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。

更一般的定义来自于雷达领域，规定只要一个信号在10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。

传统上，UWB信号是通过很窄的脉冲来获得的，这项技术目前已经在雷达系统中广泛应用，称其为脉冲无线电（IR）。

这种脉冲传输的特点是，通过对非常窄的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。

1.1UWB通信技术简介

UWB的历史渊源，可以追溯到一百多年前的无线电报时代。

早在1894-1896年，马可尼（Marconi）就率先实现了利用电火花隙（sparkgap）发射机向2英里外传输莫尔斯电码，而早在1900年，费森登（Fessenden）就利用了火花隙发射机将声音传到了1英里之外。

由于技术上的限制和需求可靠通信的商界压力，研究和开发转向连续波传输，直到最近几年，都只是局限在雷达领域。

但是Marconi的一些追随者也不断地出现：

1946年，开发了一种不寻常的微波中继系统，该系统以传输脉冲信号为基础，采用脉冲位置调制（PPM）方式，双向语音传输的无线链路总共可达1600英里，单向时为3200英里。

Barrett曾在2000年指出，美国国防部于1989年“铸造”了UWB这个词。

20世纪90年代，一些中小型企业又重新引入基于UWB概念的无线通信思想，并进一步发展了遵从IR范例的UWB技术，提升了无载波和极短脉冲传输技术[1][2][3]。

2002年2月28日，美国英特尔公司主办的开发商会议“IntelDeveloperForum（IDF）Spring2002”上公开演示了下一代短距离无线技术“UWB（超宽带技术）”。

主要有如下三大特点：

（1）高达数百Mbit/秒的高速通信；

（2）耗电量为现有无线技术的1/100以下；（3）较现有无线技术成本更低。

除英特尔外，美国TimeDomain、美国MultispectralSolutions以及美国XtremeSpectrum等公司也在进行UWB无线设备的开发和生产。

这些公司都正在从事军用无线设备及雷达方面的研发。

通过通信界专家们大量努力所作出技术成果的铺垫，UWB无线通信史上最具里程碑意义的时间发生在2002年4月，美国FCC（联邦通信委员会）批准了第一个指南，允许（至少在美国）在指定地功率辐射掩蔽（emissionmask）下的UWB信号有意识发射。

然而，根据FCC的规定，UWB并不局限于脉冲传输，而是可以扩展为类似地传输技术，只要发射信号大带宽大于500MHz。

FCC规定的发布产生了双重影响。

一方面，FCC关于UWB的辐射规定，提高了主要芯片生产商（如TexasInstrument、Motorola、IBM和Intel等）的兴趣；而在另一方面，引发了围绕IR方式与传统地基于连续载波传输技术的优势问题的争论。

争论一直没有达成一致，这一点可从当前在UWB标准问题上的分歧，尤其IEEE是802.15.3a任务组（TaskGroup）的框架便知。

这个任务组于2011年底为了发展高速低功耗WPAN的而成立。

到2004年3月为止，对基于UWB的物理层提出了两种仍在考虑中的提案：

一种是将跳频与正交频分复用（OFDM）结合起来的MB（Multi-Band）方案，另一种是保存了原始UWB脉冲属性的DS-UWB方案。

由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决，该工作组也于05年宣布投票解散。

至今，UWB还在争论之中。

1.2UWB的技术特点

由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点[4][5]：

（1）系统结构的实现比较简单：

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。

而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。

UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而也不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。

同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。

（2）高速的数据传输：

UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。

在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

（3）功耗低：

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲时间很短，一般在0.20ns~1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。

因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统设备有很大的优越性。

（4）安全性高：

由于UWB信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。

采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

（5）多径分辨能力强：

由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。

由于超宽带无线电发射的事持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。

假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。

由于多径脉冲信号在时间上不重叠，很容易分理处多径分量以充分利用发射信号的能量。

大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10~30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。

（6）定位精准：

冲击脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位于通信合一，而常规无线电难以做到这一点。

超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精准定位，而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内；与GPS提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜。

（7）工程造价便宜：

在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。

它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

1.3UWB以及相关技术的比较

从UWB技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。

常见的短距离无线技术有IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。

（1）IEEE802.11a与UWB：

IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。

在短距离的范围（如10M以内），IEEE802.11a的通信速率与UWB相差太大；超过这个距离范围（即大于10M），由于UWB发射功率受限，UWB性能就差很多（目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右）。

另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。

（2）蓝牙（Bluetooth）与UWB

蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。

蓝牙的传输距离为10cm~10m。

它采用2.4GHzISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。

从技术参数上看，显而易见UWB在速度方面较蓝牙有非常大的优势。

只是目前状况，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙技术已经发展的比较成熟，但是随着UWB的发展这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB出现时，把UWB看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。

（3）HomeRF与UWB

HomeRF是专门针对家庭住宅环境开发出来的无线网络技术，工作频段为2.4GHz，这是不需许可证的公用无线频段，有效传输范围约50m其速率为1Mbps至2Mbps。

与UWB相比，各有优势：

HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。

总而言之，这些流行的短距离无线通信技术各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。

单纯地说“UWB取代某种技术”这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。

1.4UWB研究发展前景

超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。

近年来，人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、天线、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步，尤其是在超宽带无线产生领域的技术进步，使超宽带通信成为了无线网络的重要组成部分成为可能[3][4]。

利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能，可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的WPAN和WLAN，并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。

利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能，可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。

广泛用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。

超宽带信号具有很低的辐射功率，而这样的辐射功率分布在频率范围内，功率谱密度极低，类似白噪声频谱，具有低干扰、低截获概率特性同时由于使用窄脉冲为信号载体并采用跳时扩频，接收端必须已知发射端扩频吗的条件下才能够解调出发射数据来，加上它具有很强的抗多径干扰能力，非常适合在军事保密通信的应用。

第2章超宽带系统基本原理简介

IR-UWB是UWB通信最经典的实现方式，通信时利用宽度在亚纳秒级的，具有极低占空比的基带窄脉冲序列携带信息。

发射信号是由单脉冲信号组成的时域脉冲序列，其频谱已经在射频段，无需经过频谱搬移就可以直接辐射。

通常采用的调制方式有PPM、BPSK、PAM等。

窄脉冲通常采用高斯函数族波形，升余弦波形或者这些波形的组合。

2.1UWB无线电通信的基本原理

根据香农公式，通信系统的信道容量为：

（2.1）

其中C是信道最大容量，单位是[b/s]；B是信道带宽[Hz]；S是信号的功率[W]，N是噪声的功率[W]。

此式说明：

在高斯信道中当传输系统的信噪比S/N下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量C不变，以实现信道内无差错通信。

香农还指出，在高斯噪声干扰下，有限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是由于高斯白噪声理想的自相关特性所决定。

超宽带脉冲通信就是通过发射接收具有皮秒（,）量级的脉冲信号来传输信息的。

它以每秒数十兆的速率发射和接收脉宽小于1ns的窄脉冲信号，信息通过脉冲位置调制（PPM）调制到精确定时的脉冲串中去。

2.2IR-UWB脉冲

根据方Maxwell程可知，收发天线对UWB信号的微分作用比窄带系统明显的多，这样，当采用高斯脉冲信号的时候，由于高斯脉冲信号的各次微分具有很简单的形式，分析起来很方便，所以当选用脉冲信号作为UWB信号模型时，大多都使用高斯脉冲信号。

高斯脉冲表达式如下：

（2.2）

式中α²=4πσ²是脉冲形成因子，σ²为方差。

第3章超宽带通信信道模型

3.1无线信道特性

在无线通信系统中，无线信道的特性对整个系统的性能有着重大的影响。

无线通信的信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。

与其他通信信道相比较，由于无线通信环境的复杂性，移动通信信道无疑是最复杂的一种。

无线信道的基本特性是衰落特性。

其衰落特性有以下三种表现：

一种是信号随着传播距离而导致的传播损耗和弥散，称为大尺度衰落；一种是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物的存在所引起的衰落，称为中尺度衰落，又称为阴影衰落；另外一种是到达接收机的多径信号叠加时产生的衰落，称为小尺度衰落，也称为多径衰落。

在传统传播模型中的研究，主要几种在给定范围内平均接收场强的预测，和特定位置附近场强的变化。

3.2多径效应

无线通信中，从发射机发出的信号在传播过程中往往要受到各种障碍物的影响，导致到达接收机端的信号是来自不同传播路径下的信号的总和。

在多径环境下引起的信号的多径衰落可以从时间和空间两个方面来描述。

从空间角度来看，若沿着移动台的移动方向，接收信号的幅度会随着距离的变动而衰减。

其中，由本地反射物所引起的多径效应呈现出较为快速的幅度变化，其局部均值为随着距离增加而下降的曲线，这反映了地形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。

从时域角度来看，由于信号通过路径的长度不同，因此不同路径下信号的到达时间也会有差异。

这样，从发射机发送一个脉冲信号 ，那么接收机端所接收的信号中不仅还有脉冲信号，而且还包含了该脉冲信号在通过传输路径时所产生的时延信号。

这种由于多径效应所引起的接收信号脉冲变宽的扩展现象，称之为时延扩展。

第4章IR-UWB无线通信信道仿真

前几章明确了路径损耗模型和多径衰落模型对超宽带信号传输的影响，并且分析了IEEE802.15.3a推荐的标准信道模型，对该信道模型的各个参数都有一定的认知和理解。

在此基础上本章将对发射端，不同的信道环境及信号通过不同信道环境后进行仿真分析。

4.1IR-UWB信号仿真

4.1.1典型IR-UWB信号及其功率谱密度仿真

1,宽带高速、低成本、低功耗。

抗多径干扰能力强。

因为发射的是极窄脉冲，从不同路径到达目的地时，脉冲重合的几率极小。

IR-UWB信号有穿透性。

IR-UWB信号频谱宽，含有低频成分，低频成分具有穿透性。

其它UWB系统不具有这一特性IR-UWB信号定位精度高。

信号脉冲宽度越窄，定位精度越高IR-UWB的缺点是在高速通信时不能满足FCC的功率辐射限制。

任何一个窄脉冲，只要在频域未进行频移，一定含有大量的低频分量，难以满足FCC针对高速通信的辐射限制。

4.2IEEE802.15.3a标准信道模型

IEEE802.15.3a标准模型是在S-V模型上稍作修改得到的，它描述了多径信号成簇到达的特性，根据收发机之间的距离和室内传播环境的不同，共有4中情况。

当各参数明确后，冲激响应可以将信道特性完全表征出来，这里我们主要仿真分析脉冲超宽带信号在该信道下的传输特性，并分析模型参数对信号传输的影响。

（1）收发机之间距离0~4m，传播路径中无阻碍物（LOS）

图4.19和4.20分别是冲激响应在LOS（0~4m）时的下的连续波形图和离散时间下的响应图。

图4.19中可以明显看出到达时间越早的路径幅度增益越大，前面的一些路径的幅度明显高于后面的路径，另外，由图中可以看出在时，多径幅度几乎衰减为0，所有路径全部到达。

这在接收端就非常容易收集到几乎所有路径的能量，增大信噪比，从而减小误码率。

图4.20中，第一条多径分量能量最高。

因为在LOS传播中，是无障碍物传播，信号不会发生散射和反射，信号能量仅会随传播距离的增加而减小，所以第一条径也是传输距离最短的径。

为了更明确的理解IEEE802.15.3a推荐的室内信道模型，我们从超宽带室内信道的冲激响应的参数分析。

从第四章中我们可以知道，超宽带室内信道冲激响应由6个参数决定，能表示出信道的主要特征。

但是，在实际建模中，信道模型很难与这6个参数完全匹配。

通常，我们只考虑让信道模型与多径信道的以下3个特征匹配：

平均附加时延，均方根附加时延，多径成分的总数。

4.3PPM-TH-UWB信号通过不同信道环境的仿真分析

4.3.1IEEE802.15.3a信道环境下的信号传输

IEEE802.15.3a标准信道模型非常全面，但它本身也有许多简化。

首先，它假定簇和径的到达时延率不变，然而实际情况却并非一定如此，因为到达时间相近的路径很可能是同一物体的不同反射成分，而看起来相隔时间长一点的可能就是室内其他物体的反射所产生的多径成分，但它们之间的到达率并不同。

为了简单起见，IEEE802.15.3a标准信道模型并没有把这种效果反映出来。

其次，该模型也假定幅度对数-正态衰减的变化和时延相互独立，实际上，有关分析结果表明路径损耗和均方根时延扩展强烈相关。

再次，该模型只是基于6GHz的测量带宽。

所以，我们并不知道该模型与其它带宽的信道测量是否匹配，只能假定它们有相似的趋势和参数。

最后，由于大部分的应用限于步行速率或者更慢，所以没有考虑信道的时变特性。

IEEE802.15.3a标准信道模型非常全面，但它本身也有许多简化。

首先，它假定簇和径的到达时延率不变，然而实际情况却并非一定如此，因为到达时间相近的路径很可能是同一物体的不同反射成分，而看起来相隔时间长一点的可能就是室内其他物体的反射所产生的多径成分，但它们之间的到达率并不同。

为了简单起见，IEEE802.15.3a标准信道模型并没有把这种效果反映出来。

其次，该模型也假定幅度对数-正态衰减的变化和时延相互独立，实际上，有关分析结果表明路径损耗和均方根时延扩展强烈相关。

再次，该模型只是基于6GHz的测量带宽。

所以，我们并不知道该模型与其它带宽的信道测量是否匹配，只能假定它们有相似的趋势和参数。

最后，由于大部分的应用限于步行速率或者更慢，所以没有考虑信道的时变特性。

总结与展望

作为一种新兴的无线通信技术，UWB技术与传统的通信方式相比有着很大的区别。

经典的超宽带无线电通信系统采用基带脉冲传输技术，它具有高空间频谱效率、高测距精度、低功耗、低成本、小体积等诸多优点和潜力，但同时也面临其他多方面的挑战。

本文运用理论分析和仿真比较的方法对几种调制方式的信号及信号在不同信道环境下的传输情况进行了研究。

主要工作如下：

（1）本文从不同方面分析了无线信道的特性和超宽带信道的模型的特征参数。

（2）IEEE802.15.3a是以多径为主的的信道模型，对其信道冲激响应进行了仿真。

对四种仿真的条件下的仿真结果对比可以得出，在相同的收发机距离下，信号在NLOS情况下比在LOS环境中的传输时延更大，两种环境下信道的功率延迟剖面中都能隐约观察到信号成簇到达的现象；在NLOS环境中，信号衰减和时延都随收发机距离的增大（从2m到8m）而增大；在极端NLOS的传播环境下，多径信号相互重叠在一起，使整个信道显的不明显，在实际通信中要尽量避免这种情况。

参考文献

[1]黄华东，高枚纲等.UWB对蓝牙语音系统的电磁干扰分析，2010，

[2]张陆勇，UWB室内外信道模型分析.无线电通信技术，2009，

[4]张在深，毕国光.超宽带室内信道模型阴.电气电子教学学报，2010，

[5]郑继禹，林基明，超宽带多址通信信号的功率谱分析，电子学报，2009

[6]崔琪嵋，陶小峰，张平.频域谱最优合并超宽带接收技术.2010.

[7]马龙，王庭昌，军事通信中的UWB技术，军事通信技术，2004

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