通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（一）

1、通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（一）                        1 引言 超寬帶（UWB,Ultra Wide Band）無線技術(shù)在無線電通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此被認(rèn)為是未來幾年電信熱門技術(shù)之一。1990年，美國國防部首先定義了“超寬帶”概念，超寬帶無線通信開始得到美國軍方和政府部門的重視。200

2、2年4月，美國FCC通過了超寬帶技術(shù)的商用許可，超寬帶無線通信在民用領(lǐng)域開始受到普遍關(guān)注。目前“超寬帶”的定義只是針對(duì)信號(hào)頻譜的相對(duì)帶寬（或絕對(duì)帶寬）而言，沒有界定的時(shí)域波形特征。因此，有多種方式產(chǎn)生超寬帶信號(hào)。其中，最典型的方法是利用納秒級(jí)的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來實(shí)現(xiàn)1。超寬帶無線電是對(duì)基于正弦載波的常規(guī)無線電的一次突破。幾十年來，無線通信都是以正弦載波為信息載體，而超寬帶無線通信則以納秒級(jí)的窄脈沖作為信息載體。其信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時(shí)間很短，多徑分量在時(shí)域上不易重疊，多徑分辨

3、能力高，通過先進(jìn)的多徑分離技術(shù)或瑞克接收機(jī)，可以充分利用多徑分量。目前，典型的超寬帶無線通信調(diào)制方式以TH-PPM、TH-PAM為主，本論文中，介紹超寬帶無線通信中的調(diào)制技術(shù)，主要討論TH-PPM、TH-PAM的基本原理，并且對(duì)比調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，性能的好壞，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真，從仿真圖中較清楚的研究調(diào)制方式，從而得出正確的結(jié)論，細(xì)致的研究超寬帶無線通信中的調(diào)制技術(shù)。關(guān)鍵字：超寬帶 調(diào)制方式 PPM調(diào)制 PAM調(diào)制 OFDM調(diào)制2 概述 2.1 總述 近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術(shù)領(lǐng)域極大的重視。超寬帶通信技術(shù)以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為短距離無線通信極具競爭力和

4、發(fā)展前景的技術(shù)之一。FCC(美國通信委員會(huì)) 對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對(duì)帶寬(在- 10dB 點(diǎn)處) (fH - fL)/fc > 20 %(fH ,fL ,fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率) 或者總帶寬BW> 500MHz。1它與現(xiàn)有的無線電系統(tǒng)比較,在花費(fèi)更小的制造成本的條件下,能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(100500MbPs) 、更強(qiáng)的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ,同時(shí)具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內(nèi)) 。2.2 UWB基本原理 發(fā)射超寬帶(UWB) 信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達(dá)0. 5 %) 的

5、沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的6;由信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制,同時(shí),為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。                       &

6、#160;                (2-1)                          (2-2)單周期脈沖的寬度在納秒級(jí)(0. 11. 5ns) ,重復(fù)周期為251000ns ,具有

7、很寬的頻譜,如圖2-1 所示。實(shí)際通信中使用的是一長串的脈沖,由于時(shí)域中信號(hào)的周期性造成了頻譜的離散化,周期性的單脈沖序列頻譜中出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰。這些尖峰將會(huì)對(duì)信號(hào)構(gòu)成干擾,通過數(shù)據(jù)信息和偽隨機(jī)碼來進(jìn)行編碼P調(diào)制,改變脈沖與脈沖間的時(shí)間間隔,可以降低頻譜的尖峰幅度2。圖2-1 單周期脈沖的時(shí)間域和頻率域的表示                        

8、;           (2-3)其中,w ( t) 表示發(fā)送的單周期脈沖, dj , tj 分別表示單脈沖的幅度和時(shí)延。a  PAM- UWBPAM是一種通過改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中,一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在 - 1 , + 1之間變化(對(duì)于雙極性信號(hào)) 或在M 個(gè)值之間變化(對(duì)于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復(fù)頻率,都可以增加一個(gè)固定平均功率譜密度的UWB

9、系統(tǒng)所能達(dá)到的吞吐量和傳輸距離,可以看出這一效果與增加傳輸功率的峰值的效果是相似的。8采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)的超寬帶信號(hào)波形如下:4                                      

10、0;            (2-4)其中, dj 是信息序列, Tf 是脈沖重復(fù)周期。根據(jù)dj 的不同取值, 可將PAM調(diào)制方式分為以下三種:（1） OOK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為0) ; （2）PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為2) ; （3）BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號(hào)的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號(hào)的幅度為- 1) 。對(duì)于這三種方式,在超寬帶的PAM

11、調(diào)制方式中多采用BPSK方式。b  PPM- UWB脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱時(shí)間調(diào)制(TM) ,是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標(biāo)準(zhǔn)或特定時(shí)刻來表示某個(gè)特定信息的3。二進(jìn)制PPM 是超寬帶無線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法,相對(duì)其它調(diào)制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個(gè)重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機(jī)來接收檢測信號(hào),而這種接收機(jī)有著非常好的性能。采用脈沖位置調(diào)制( PPM) 的超寬帶信號(hào)波形如下:             

12、60;                                (2-5)其中, dj 取0 或1 ,為調(diào)制因子, 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時(shí)脈沖就會(huì)相應(yīng)滯后一個(gè)時(shí)延。圖2-2 給出了上述四種調(diào)制方法的信號(hào)波形圖,對(duì)這四種調(diào)制方式給出了一個(gè)比較直

13、觀的描述。除了這些對(duì)脈沖的調(diào)制方法外,用偽隨機(jī)碼或偽隨機(jī)噪聲(PN) 對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼以得到所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜時(shí),根據(jù)編碼的不同即擴(kuò)頻和多址技術(shù)不同,超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時(shí)的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴(kuò)的超寬帶系統(tǒng)(DS - UWB) 、跳頻的超寬帶系統(tǒng)(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(tǒng)(MC - UWB) 等9。圖2-2 不同調(diào)制方式的信號(hào)波形42.3  UWB 技術(shù)特點(diǎn) 由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點(diǎn)4:(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道

14、容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來的效應(yīng),這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據(jù)香農(nóng)信道容量公式,即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低,也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps1Gbps。(3)多徑分辨能力強(qiáng)。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)常規(guī)無線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)1030dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB。(4)

15、隱蔽性好。因?yàn)閁WB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置, 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。(6)抗干擾能力強(qiáng)。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 010. 001 ,具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強(qiáng)。一般來說,UWB 抗干擾處理增

16、益在50dB 以上。(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備成本將很低。由于UWB 信號(hào)無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時(shí)間很短,一般在0. 20ns1. 5ns之間,有很低的占空因數(shù),所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要5070mW 的電源,是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一10。盡管如此,UWB 在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術(shù)的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點(diǎn),建立信道模型,解決多徑傳播;需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù);研究新的

17、調(diào)制技術(shù),進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。                             2.4  UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成框圖 UWB發(fā)射機(jī)直接發(fā)送納秒級(jí)脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機(jī)比現(xiàn)有的無線發(fā)射設(shè)備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機(jī)組成框圖如圖2-3所示5。 

18、60;                  圖2-3  UWB發(fā)射機(jī)組成框圖調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時(shí)延控制脈沖信號(hào)發(fā)生器的發(fā)送時(shí)刻，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的UWB信號(hào)由天線輻射出去。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的一個(gè)關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當(dāng)于一個(gè)濾波器。接收機(jī)與發(fā)射機(jī)類似，兩者的區(qū)別在于接收機(jī)的基帶信號(hào)處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號(hào)處理器的輸出控制可編程時(shí)延電路，

19、為可編程時(shí)延電路提供定時(shí)跟蹤信號(hào)，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。圖2-4  UWB接收機(jī)組成框圖2.5  UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景 UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下,UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì),最大可以提供高達(dá)1000Mbps 以上的傳輸速率,使UWB 同其它短距離無線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯,如表1 所示。現(xiàn)有的各種無線解決方案(例如802. 11 ,Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ,UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制,UWB 的應(yīng)用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆,通信因而變得更為方便6。2.6  結(jié)束語 無線通信已經(jīng)迅速