毕业设计论文超宽带无线通信调制解调技术研究.docx

毕业设计论文超宽带无线通信调制解调技术研究.docx

《毕业设计论文超宽带无线通信调制解调技术研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文超宽带无线通信调制解调技术研究.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

毕业设计论文超宽带无线通信调制解调技术研究

超宽带无线通信调制解调技术研究

　摘　要：

随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。

超宽带（UWB）技术的出现，实现了短距离内超宽带、高速的数据传输。

其调制方式及多址技术的特点使得它具有其它无线通信技术无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。

本文主要介绍了UWB的技术特点，调制解调方式，同时利用SystemView软件对ＴＨ-ＰＡＭ调制解调系统进行仿真设计,最后对UWB的应用前景进行了分析与展望。

　关键词：

UWB；SystemView；TH-PAM;仿真

Ultrabroadbandwirelesscommunicationdemodulationtechnologyresearch

Abstract:

Alongwiththedevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,peopleonthehigh-speedshort-rangewirelesscommunicationdemandmoreandmore.Ultra-wideband（UWB）techniqueappears,realizedtheshortdistancesultra-wideband,high-speeddatatransmission.Itsmodulationmodeandmultipleaccesstechnologycharacteristicsmakeitwithotherwirelesscommunicationtechnologycannothavewidebandwidthandhighspeeddatatransfer,lowpowerconsumption,safetyperformanceishighercharacteristic.ThispapermainlyintroducesthetechnicalcharacteristicsofUWB,modulationdemodulationsystem,AtthesametimeusetoTH-SystemViewsoftwaresimulationPAMdemodulationsystemdesign.FinallytheapplicationprospectofUWBisanalyzedandprospect.

Keywords：

UWB；SystemView；TH-PAM；Simulation；

1引言

1.1　课题研究背景及意义

无线通信技术的飞速发展，给人们日常生活带来极大地便利，同时，人们对无线通信也提出了更高的要求，要求其能够提供更高的传输速率和传输质量。

近年来，无线局域网、无线因特网、无线个人区域网等概念的提出，要求能够在室内环境条件下无线数据传输速率达到100Mbps，以构建个人化的信息网络系统。

在室内环境下实现如此高的无线传输速率，超宽带技术将是一个非常有竞争力的方式。

超宽带（UWB）技术，也称冲击无线电技术，是近几年在国际上兴起的一种革命性的无线通信技术，与其他无线通信技术相比有很大不同：

不需要使用载波，而是依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号（通常情况下）传输数据，因而占用的频带非常宽，通常在几GHz量级。

UWB技术与下列名词是同义的：

极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和雷达信号。

UWB脉冲通信由于其优良独特的技术特性，越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。

超宽带无线电是对基于正弦载波的常规无线电的一次突破。

几十年来，无线通信都是以正弦载波为信息载体，而超宽带无线通信则以纳秒级的窄脉冲作为信息载体。

其信号产生、信道特性、调制解调、信号同步和实际应用等方面都与常规无线通信有很大的差别；在信号隐蔽性、系统处理增益、多径分辨能力、数据传输速率、体积和成本等方面，具有独特的优势。

因此，建立和完善超宽带无线通信的理论基础，解决其关键技术（调制解调技术），对无线通信的发展具有重要的科学意义和现实意义。

　SystemView仿真软件简介

SystemView是一个信号级的系统仿真软件，主要用于电路与通信系统的设计、仿真，是一个强有力的动态系统分析工具，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。

SystemView以模块化与交互式的界面，在大家熟悉的Windows窗口环境下，为用户提供了一个嵌入式的分析引擎。

使用SystemView，你只需要关心项目的设计思想和过程，而不用花费大量的时间去编程建立系统仿真电路模型。

用户只需使用鼠标器点击图标即可完成复杂系统的建模、设计和测试。

而不必学习复杂的计算机程序编程，也不必担心程序中是否存在编程错误。

利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统，各种多速率系统，因此它可用于各种线性或非线性控制系统的设计和仿真。

用户在进行系统设计时，只需从SystemView配置的图标库中选出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。

SystemView的库资源非常丰富，包括含若干个图标的基本库及专业库，基本库中包含多种信号源、接收器、加法器、乘法器，各种函数运算器等；专业库有通信、逻辑、数子信号处理、射频/模拟等；它们特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、无绳电话、寻呼机、调制解调器、卫星通信等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路进行理论分析和失真分析。

SystemView能自动执行系统连接检查，给出连接错误信息或尚悬空的待连接端信息，通知用户连接出错并通过显示指出出错的图标。

这个特点对用户系统的诊断是十分有效的。

SystemView的另一重要特点是它可以从各种不同角度、以不同的方式，按要求设计多种滤波器，并可自动完成滤波器各指标。

在系统设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的窗口用于检查、分析系统波形。

在窗口内，可以通过鼠标方便地控制内部数据的图形放大、缩小、滚动等。

另外，分析窗中还带有一个功能强大的接收计算器，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。

SystemView还具有与外部文件的接口，可直接获得并处理输入/输出数据。

提供了与编程语言VC++或仿真工具Matlab的接口，可以很方便的调用其函数。

1.3　本文主要内容

本文的主要内容可分为三个部分。

第一部分主要介绍超宽带无线通信技术的特点；第二部分主要介绍超宽带无线通信（UWB）的调制解调原理；第三部分介绍系统的设计思路以及仿真实现过程，在该部分，我利用SyetemView仿真软件针对设计思路的每一个子块,进行了仿真实现，最后完成TH-PAM系统的整体仿真模型设计；最后一部分，针对已经设计的TH-PAM系统进行结果分析，主要包括关键步骤的结果分析，并得出最后结论。

2超宽带无线通信技术概述

2.1　超宽带无线通信技术的产生与发展

超宽带（UWB）有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。

1989年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）首先采用超宽带这一术语，并规定：

若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。

此后，超宽带这个术语才被沿用下来。

 其中，为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、为信号在-20dB辐射点对应的下限频率。

图1给出了带宽计算示意图。

可见，UWB是指具有很高带宽比（射频带宽与其中心频率之比）的无线电技术。

绝对带宽,相对带宽

 为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会（FCC）开始在产业界广泛征求意见。

美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。

图1信号带宽计算示意图

  2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。

根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。

根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1GHz～10.6GHz。

为保护现有系统（如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等）不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3dBm/MHz.。

图2示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。

当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。

图2FCC对室内、外UWB系统的辐射限制

  自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带（IR-UWB）系统、基于直扩码分多址（DS-CDMA）的UWB系统、基于多带正交频分复用（OFDM）的UWB系统等。

在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。

当前，UWB技术已成为短距离、高速无线连接最具竞争力的物理层技术。

IEEE已经将UWB技术纳入其IEEE802系列无线标准，正在加紧制订基于UWB技术的高速无线个域网（WPAN）标准IEEE802.15.3a和低速无线个域网标准IEEE802.15.4a。

以Intel领衔的无线USB促进组织制订的基于UWB的W-USB2.0标准即将出台。

无线1394联盟也在抓紧制订基于UWB技术的无线标准。

可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一[1]。

2.2　UWB的技术特点

（1）　传输速率高，空间容量大

 根据仙农（Shannon）信道容量公式，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，系统无差错传输速率的上限为：

 C=B×　　....................................

（1）

  其中，B（单位：

Hz）为信道带宽，SNR为信噪比。

在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz～7.5GHz。

因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。

例如，如果使用7GHz带宽，即使信噪比低至-10dB，其理论信道容量也可达到1Gb/s。

因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合（如高速WPAN）是非常合适的，可以极大地提高空间容量。

理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE802.11.a高出1～2个数量级。

（2）　适合短距离通信

 按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。

随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。

因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr（d）。

根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数

  C（d）=B×……………………………………………

（2）

  另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。

众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。

由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。

研究表明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。

因此，UWB系统特别适合于短距离通信。

 （3）　具有良好的共存性和保密性

  由于UWB系统辐射谱密度极低（小于-41.3dBm/MHz），对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。

因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。

同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。

  （4）　多径分辨能力强，定位精度高

由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。

因此，UWB信号的多径分辨率极高。

极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。

对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。

无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。

在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。

因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。

但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散（频率选择性衰落），接收机必须通过牺牲复杂度（增加分集重数）以捕获足够的信号能量。

这将对接收机设计提出严峻挑战。

在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。

 （5）　体积小、功耗低

  传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。

收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。

因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。

FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点[1]。

3UWB的调制与解调原理

3.1　UWB脉冲成形技术

 任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息。

对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为：

  s（t）=∑Ing（t-T）　……………………………………………………（3）

  其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g（t）为时域成形波形。

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g（t）的设计。

对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500MHz，且信号能量应集中于3.1GHz～10.6GHz频段。

早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2GHz以下。

FCC对UWB的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需进行调整。

近年来，出现了许多行之有效的方法，如基于载波调制的成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波（PSWF）正交脉冲成形等。

  3.1.1　高斯单周脉冲

  高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。

各阶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。

早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲，信号频率成分从直流延续到2GHz。

按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。

图3为典型的2ns高斯单周脉冲。

图3典型高斯单脉冲

3.1.2　载波调制的成形技术

 原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求。

因此，传统的用于有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。

此时，超宽带信号设计转化为低通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频谱在频率轴上灵活地搬移。

  有载波的成形脉冲可表示为：

 w（t）=p（t）cos（2πfct）（0≤t≤Tp）　…………………………………（4）

  其中，p（t）为持续时间为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。

若基带脉冲p（t）的频谱为P（f），则最终成形脉冲的频谱为………………………………………（5）

  可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p（t），只要使p（t）的-10dB带宽大于250MHz，即可满足UWB设计要求。

通过调整载波频率fc可以使信号频谱在3.1GHz～10.6GHz范围内灵活移动。

若结合跳频（FH）技术，则可以方便地构成跳频多址（FHMA）系统。

在许多IEEE802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术。

图4为典型的有载波修正余弦脉冲，中心频率为3.35GHz，-10dB带宽为525MHz。

图4有载波修正余旋脉冲

  3.1.3　Hermite正交脉冲

  Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法。

结合多进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速率。

这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。

这种脉冲成形方法的特点在于：

能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求。

  3.1.4　PSWF正交脉冲

  PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。

  与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进行频谱般移。

因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度。

3.2　UWB调制原理

3.2.1　脉冲位置调制（PPM）

3.2.1.1　二进制TH-PPM调制

受到广泛关注的跳时脉冲位置调制是最典型的超宽带无线通信调制方式，其信号波形如下：

（t）=………………………（3.1）

式中：

上标k代表多用户系统中第k个用户；为无调制情况下的脉冲重复周期（或时间帧）；p（t）是持续时间为的窄脉冲，；为第k个用户伪随机跳时序列的第j个码元（0<），跳时序列周期为；是由跳时码控制的单位发射脉冲时延；表示由要传送的二进制符号控制的发射脉冲时延（有时称为时间调制指数），{0,1}，[]表示取整运算，每个脉冲波形传送一个二进制符号，设为单脉冲的能量，则每比特的信号能量为=；的绝对值表示了第k个用户所发射的脉冲串中第j个脉冲的起点时刻。

脉冲带宽，每个信息比特的持续时间为=，信息速率为=1/。

通常，选择+）/<1，但若（）/太小，在多址系统中不同用户可能产生冲突，若选取较大的+）/和性能好的跳时序列，多址干扰可等效为高斯随机过程。

跳时序列周期越长调制信号功率谱的平滑程度越好，抗检测性能越好；跳时序列的自相关性越好，不同用户跳时序列之间的互相关性越小，系统性能越好。

和在同一数量级，为了提高系统性能，应调整使p（t）与p（t-）相关性最小。

为保证多址通信系统性能，采用的窄脉冲应满足

dt=0……………………………………………………………（3.2）

常用的脉冲有高斯脉冲及其微分后的脉冲波形。

这里，假设发射信号为高斯脉冲，接收脉冲为其一阶微分。

接收脉冲用W（t）表示，以区别与发射机的激励脉冲p（t）。

这样在上述假设下，接收脉冲可表示为

W（t）=2………………………………………………（3.3）

其幅度谱为

F（f）=1/2（）…………………………………（3.4）

式（3.3）和式（3.4）中，为脉冲的幅度，为脉冲的中心频率。

接收脉冲的自相关函数为

=…………………………………………………（3.5）

采用式（3.3）所示的窄脉冲，调制信号频谱衰减快，无旁瓣，功率谱平滑。

3.2.1.2　多进制TH-PPM正交调制

多进制TH-PPM调制方式主要有正交调制和等相关调制，其主要区别在于信息符号控制脉冲时延的机理不同。

设符号集中有M个待发符号，对于正交调制方式，每个符号的发送信号为

（3.6）

为保证同一用户不同符号所发信号正交，取，此时，正交调制信号的归一化互相关系数为

………………………………………………（3.7）

3.2.1.3　多进制TH-PPM等相关调制

等相关调制比正交调制复杂。

在等相关调制中必须满足以下条件之一：

（1）

（2）为素数；

（3）=p（p+2），p和p+2是一对素数。

在构造等相关调制信号集时，首先将循环Hadamard矩阵的第一行和第一列去掉，然后将修正Hadamard矩阵中的元素+1映射为，将元素-1映射为0，例如，一个修正的Hadamard矩阵如下………………………………………………（3.8）

信号集表示为

………………………………………………（3.9）

定义矩阵

…………………………………（3.10）

则可表示为

……………………………………………（3.11）

由的第i行元素表示要发送的第i符号所控制的脉冲的起点，每个符号的发送信号为

………（3.12）

此时，等相关调制信号的归一化互相关系数为

……………………………………………（3.13）

式中

………………………（3.14）

的选取原则是使得取得最小值，即

……………………（3.15）

3.2.2　脉冲幅度调制（PAM）

TH-PAM调制也是超宽带无线通信的一种典型调制方式，信号波形为

…………………………………（3.16）

式中：

对于二进制系统，；对于多进制系统，。

其他有关符号的说明同TH-PPM调制方式。

TH-PAM与TH-PPM的主要差别在于，前者用信息符号控制脉冲幅度，后者用信息符号控制发射信号的时延。

此外，OOK（On-Off-Key）调制是PAM的一种特殊形式。

3.2.3　DS-UWB调制

直接序列超宽带（DS-UWB）是超宽带无线通信的另一种调制方式，信号波形为

…………………………（3.17）

式中：

是第k个用户的二进制信息符号；是第k个用户的伪随机序列，可用于实现多址通信；表示脉冲重复周期；表示信息周期；，每个信息符号用个脉冲表示。

3.2.4　混合调制

前面讨论的都是采用了比较单一的调制方式，下面介绍一中混合调制方式，该方式采用DS-UWB和PPM相结合，调制信号为

………（3.18）

这种混合调制方式可用于四进制系统，式中：

，是第k个用户的两个相互独立的二进制数据符号序列，其他符号说明同前。

3.2.5　载波干涉超宽带（CI-UWB）调制

载波干涉（CI）脉冲波形首先在TDMA系统提出和应用。

在超宽带无线通信中，当脉冲重复时间间隔小于最大多径时延扩展时，多径传播将导致系统性能恶化，为进一步提高超宽带无线通信在多径环境中的传输速率和频带利用率，将CI脉冲波形引入超宽带无线通信。

CI脉冲波形通过N个时域重叠的正交子载波产生，信号波形的表达式为

CI（t）=………………………………（3.19）

式中：

常数用以确保每比特信号的能量；频率间隔=；N=/；

g（t）是单位幅度的持续时间为的矩形波形。

假设在每个时间内发送K（K）比特信息，则在一个时间内，发送信号为

（3.20）

考虑关系式=和N=，式（3.20）可改写为

（3.21）

式中:

[]表示取整运算。

需要特别注意的是，CI-UWB是一种与采用高斯脉冲不同的超宽带技术，CI脉冲波形的能量不是分布在连续的频域，而是分布在离散的单频上。

因此，这种调制方式的超宽带系统与常规无线电系统的共存性需要特别注意[2]。

3.3　UWB的解调原理

3.3.1　TH-PPM信号解调

TH-PPM接收机解调原理框图如图3.3所示。

TH-PPM接收机对接收信号r（t）采取相关解调。

为简化分析，假设仅考虑单用户k且信号已同步，则

r（t）=A………