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1、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41.1 UWB通信技术简介41.2 UWB的技术特点61.3 UWB以及相关技术的比较81.4 UWB研究发展前景9第2章 超宽带系统基本原理简介102.1 UWB无线电通信的基本原理102.2 IR-UWB脉冲11第3章 超宽带通信信道模型113.1 无线信道特性123.2 多径效应12第4章 IR-UWB 无线通信信道仿真134.1 IR-UWB信号仿真144.1.1典型IR-UWB信号及其功率谱密度仿真144.2 IEEE802.15.3a标准信道模型144.3 PPM-TH-UWB信号通过不同

2、信道环境的仿真分析154.3.1 IEEE802.15.3a信道环境下的信号传输15总结与展望17参考文献18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（PS

3、D），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。

4、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。1.1 UWB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（spark

5、gap）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，

6、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123。2002年2月28日，美国英特尔公司主办的开发商会议“Intel Developer Forum（IDF）Spring 2002”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Time Domain、美国Multispectral Solutions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

7、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（emission mask）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Texas Instrument、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

8、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（Task Group）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

9、解散。至今，UWB还在争论之中。1.2 UWB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45：（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。

10、（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0.20ns1.5ns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W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

11、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1030dB的

12、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。1.3 UW

13、B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（

14、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10cm10m。它采用2.4GHz ISM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UWBHomeRF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