UWB超宽带通信系统的设计与仿真本科毕业设计.docx
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UWB超宽带通信系统的设计与仿真本科毕业设计
本科毕业设计
题目（中文）：
UWB超宽带通信系统的设计与仿真
（英文）：
TheDesignandSimulationofUWBCommunicationSystems
湖南师范大学树达学院本科毕业设计诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除设计中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业设计作者签名：
年月日
湖南师范大学本科毕业设计任务书
毕业设计题目
UWB超宽带通信系统的设计与仿真
作者姓名
刘勇
所属院、专业、年级
树达学院通信工程专业2007年级
指导教师姓名、职称
江沸波讲师
预计字数
8000
开题日期
2011-2-25
选题的目的和意义：
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。
由于超宽带技术具有不干扰电视信号、有效利用无线电资源、能准确读取位置和距离信息等优点,所以它为雷达跟踪、准确定位和无线通信开启了一扇新的大门。
总之,超宽带无线电作为无线通信领域的革命,不论在军用、警用通信,还是在民用通信中都将有着广阔的应用前景。
主要研究内容：
拟建立一个超宽带通信系统的仿真模型，并在Simulink交互式集成环境中搭建UWB通信系统仿真模型框图,通过在仿真中对系统的仿真数据进行观察分析,证明建立的仿真模型用在UWB通信中是可行的。
应达到的技术指标或要求：
需设置好该仿真系统的各个模块参数,保证仿真后的误码率小于10-5，中心频率大于2.5GHz的UWB通信系统的-10dB带宽至少为500MHz。
主要设计方法或技术路线：
首先分别建立超宽带通信系统的三个模块：
发射机，无线信道，接收机，以及三个模块的参数设置和具体的配置要求，最后在matlab系统下进行simulink仿真，观察仿真结果，验证系统的合理性。
。
完成本课题应具备的环境（软件、硬件）：
硬件:
CPUintelcore2T5750,1G内存,XP系统的PC机
软件:
MATLAB7.0
各阶段任务安排：
第一阶段：
2011年春节前确定论文题目，并完成任务书，与老师进行交流。
第二阶段：
2011年开学第一周—第七周根据题目和开题报告搜集相关资料并着手进行设计与实验。
第三阶段：
第八周完成初稿，并交于老师批阅，听取老师的意见，进行修改。
第四阶段：
二稿完成，并交于老师批阅，在老师的指导下进行完善。
第五阶段：
三稿完成，交于老师批阅并定稿。
第六阶段：
在老师的组织下进行模拟答辩，找出问题并解决问题。
第七阶段：
准备并完成正式答辩。
主要参考资料：
[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.
指导教师意见：
指导教师签名:
开题报告会纪要
时间
地点
与
会
人
员
（记录人手写）
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
会议记录摘要：
会议主持人签名：
记录人签名：
年 月日
指导小组意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
二、湖南师范大学树达学院本科毕业设计评审表
毕业设计题目
UWB超宽带通信系统的设计与仿真
作者姓名
刘勇
所系（部）、专业、年级
理工系（部）通信专业2007年级
指导教师
姓名、职称
江沸波讲师
字数
12000
定稿日期
2011-5-15
中
文
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
英
文
摘
要
Duetoitshigherdatarate,lowerpowerattenuationandstronganti-multipathinterferencecapacity,UWBwirelesscommunicationtechnologyisregardedasthekeytonext-generationwirelesscommunicationtechnology.ThispaperfirstlyintroducestheUWBwirelesscommunicationtechnology’shistory,currentsituationanddevelopmentprospects,andthendoessometheoreticalresearchandsimulationexperimentsaboutUWBwaveformdesign、transmitterstructure,ultra-widebandwirelesschannelmodelingandreceiverstructure.Finally,usingSimulinksoftwareasthesimulationtoolstoestablishthetransmitter、receiverandchannelmodelofUWBsystem,theperformanceofUWBwirelesscommunicationsystemissimulatedundertheCM1modelandthesimulationresultsareanalyzed,thisstudyhassomepositivesignificancefordesignahigh-performanceultra-widebandwirelesscommunicationsystem.
关键词
UWB;Waveformdesign;Channel;Receiver;Simulation
毕业设计指导教师评定成绩
评审基元
评审要素
评审内涵
满分
实评分
选题质量30%
目的明确
符合要求
选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和综合训练的基本要求
10
选题恰当
题目规模适当
5
题目难易度适中
5
联系实际
题目与生产、科研、实验室建设等实际相结合，具有一定的实际价值
10
能力水平35%
综合运用
知识能力
能将所学专业知识和机能用与毕业设计中；设计内容有适当的深度、广度和难度
5
应用文献
资料能力
能独立查阅相关文献资料，能对本设计所涉及的有关研究状况及成果归纳、总结和恰当运用
5
实验（设计）
能力
能运用本学科常用的研究方法，选择合理可行的方案，能对实际问题进行分析，进行实验（设计），具有较强的动手能力
5
计算能力
原始数据搜集得当；能进行本专业要求的计算，理论依据正确，数据处理方法和处理结果正确
5
外文应用
能力
能搜集、阅读、翻译、归纳、综述一定量的本专业外文资料与外文摘要，并能加以运用，体现一定的外语水平
5
计算机应用能力
能根据设计题目要求编程上机或使用专业应用软件完成设计任务
5
分析能力
能对设计项目进行技术经济分析或对实验结果进行综合分析
5
设计质量35%
插图或图纸质量
能用计算机绘图，且绘制图纸表格符合标准
5
说明书撰写水平
设计说明书齐全；概念清楚，内容正确，条理分明，语言流畅，结构严谨；篇幅达到学校要求
15
规范化程度
设计的格式、图纸、数据、用语、量和单位、各种资料引用和运用规范化，符合标准；设计栏目齐全合理
5
成果的实用性与科学性
较好地完成设计选题的目的要求，成果富有一定的理论深度和实际运用价值
5
创见性
具有创新意识，设计具有一定的创新性
5
正文部分成绩（上表）：
总成绩：
评定等级：
外文资料译文成绩：
评阅教师评审意见：
评阅教师签名：
说明：
此表指标部分为正文部分计分表，正文部分成绩＝实评总分×0.9，外文资料译文成绩满分为10分。
总成绩＝正文部分成绩＋外文资料译文成绩。
评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，总成绩90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。
若译文成绩为零，则不计总成绩，评定等级记为不及格。
三、湖南师范大学树达学院本科毕业设计答辩记录表
毕业设计题目
UWB超宽带通信系统的设计与仿真
作者姓名
刘勇
所系（部）、专业、年级
理工系（部）通信工程专业2007年级
指导教师
姓名、职称
江沸波讲师
答辩会纪要
时间
地点
答辩
小组
成员
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
姓名
职务（职称）
答辩中提出的主要问题及回答的简要情况记录：
会议主持人签名：
记录人签名：
年月日
答
辩
小
组
意
见
评语：
评定等级：
负责人（签名）：
年月日
学
院
意
见
评语：
毕业设计学院最终评定等级：
负责人（签名）：
学院（公章）年月日
学
校
意
见
评语：
评定等级：
负责人（签名）：
年月日
摘要1
Abstract1
1绪论2
1.1超宽带无线通信的概述3
1.2超宽带无线通信技术的研究历史及现状4
1.3本文所做的工作5
1.4本文的结构5
2超宽带无线通信系统发射机设计6
2.1超宽带脉冲的产生7
2.2高斯脉冲信号9
2.3超宽带无线通信的调制技术10
2.3.1单脉冲调制11
2.3.2多脉冲调制12
3超宽带无线信道建模13
3.1超宽带信道的基本概念13
3.2超宽带信道模块设计15
4超宽带相关接收模块设计16
4.1自相关模块16
4.2互相关模块17
5超宽带（UWB）无线通信系统的simulink建模18
5.1系统的总体结构18
5.2仿真模型的发射机19
5.3仿真模型的接收机20
5.4仿真模型的信道结构21
6系统的仿真分析22
6.1发射端信号仿真分析23
6.2接收端信号仿真分析23
6.3接收信道仿真24
6.4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
UWB超宽带通信系统的设计与仿真
通信工程专业2007级刘勇
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
TheDesignandSimulationofUWBCommunicationSystems
LiuYong，Grade2007,CommunicationEngineering
Abstract:
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;Simulation
1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]。
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