超宽带Rake接收机

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1、学 院专业班级姓 名学 号题 目UWB-PPM-THrake接收机题目类型设计开发一、选题背景及依据1、超宽带无线电技术在国内外的发展历程及研究现状。UWB因其优良的技术特性、并可缓解日益紧张的频谱资源,在最近几年蓬勃发展。它被看作是下一代无线通信的革命性技术。首个UWB信号是Hertz在1887年设计产生的。2002年，美国正式将3.1GHz-10.6GHz频带向作为室内通信用途的UWB开放，标志着UWB开始用于民用无线通信。随后几年中，一些国家和地区如日本、新加坡和欧盟等的无线电管理部门都颁布了类似的法令。英国将数字通信行业定义成带领整个国家走出经济困境的希望，而这个数字网络的核心就是超宽

2、带的项目，2008年7月，BT宣布了其宏伟的超宽带战略：投资12亿英镑，在四年内覆盖英国一千万用户。而国内，2001年11月国家863计划通信主题发布了我国第一个关于超宽带的预研课题超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术，由东南大学移动通信国家重点实验室超宽带课题组承担。2005年5月国家863计划通信主题发布了基于多带体制/基于脉冲体制的超宽带无线通信关键技术研究与系统演示课题，该课题分两个研究课题由东南大学、清华大学和中国科学技术大学承担。在我频谱规划方面，我国从2006年开始进行UWB频谱规划的准备工作。经过2年多的调研，2008年12月，我国的UWB频谱规划正式发布，包括UWB信号的

3、射频指标、应用场所限制、设备核准等方面的内容。目前在工业和信息化部的支持下，一批科研机构、高校和企业正在联合进行UWB技术标准化的工作。2、超宽带无线电技术的生产需求状况及前景。UWB技术是现今正被广泛研究和推向应用的一种新兴无线技术，由于其窄脉冲高浸透能力、高数据速率（100Mb/s1.3Gb/s）、低功耗、低费用等特点，为包括宽带泛在/普适通信在内的各类无线技术新发展与新应用开辟了大量新机遇；同时，由于其占用极宽带宽资源，与其它系统共享频谱，这给干扰、协调、兼容等相关领域的研究又带来了新的挑战。面对全球环境污染严重、资源紧缺，节约资源是可持续发展的重要策略。日前电子产品日新月异，不仅质量、

4、技术要求越来越高，商家价格也有下调趋势，故而成本必须更低。而且各个产业之间的距离缩小，联网需求更加重要。UWB技术有很大的发展空间。由于UWB在噪音标准之下调制数据，与频带内的其它无线通信标准并存而不相互干扰，随着其发展，行业领先者已经开发出UWB芯片产品，开始推出支持UWB的商业应用。当前，人们看好UWB技术的利用价值，最主要集中在消费电子应用领域。笔记本电脑、PDA、数码相机、扫描仪、打印机、摄录像机、以及MP3播放器等消费电子产品，均可以利用UWB技术进行高效率高品质的视频和音频数据传输。许多国家都已明确了全面实现数字电视网络的目标，UWB技术将在数字电视网络的许多环节上，充分发挥高速、

5、无线和低干扰等优势。XtremeSpectrum公司在不久前展示的一块UWB芯片样品，可以将数字电视信号同时沿着6个不同的信道传向6台电视机。海尔采用了飞思卡尔公司的UWB无线芯片，推全球首款UWB电视，即将先后在中国和美国捆绑上市液晶电视和媒体服务器。新加坡Cellonics公司研发的一种新调制技术，更是将UWB的应用拉近了现实当中，它演示了UWB技术在消费电子产品中传输多媒体信号的过程，其质量之高、功耗之低而技术之简单，使更多的人对UWB在消费电子中的应用更加满怀信心。未来，在家庭网络的应用中，借助于UWB技术，可以以家庭为单位建立局域网，使电脑和其它电子通信设备之间通过无线互传信息，从而

6、减少房间布线、提高设施移动性。在定位检测应用中，消防员、警察和灾难救援人员可以利用UWB技术侦察出藏在厚墙另一侧、深埋在地下甚至是人体内部的目标物；汽车制造商可利用UWB技术建立汽车传感器、防撞系统、智能高速公路感测系统，而且其定位精度甚至超越了GPS全球定位系统，所以UWB将在定位检测领域有更大的突破。超宽带的潜在应用还有穿透地面雷达系统、用于医疗监控或体育训练感应器的人体区域网等。此外，用UWB技术的发射机和接收机在制造、运行和维护方面相对蓝牙而言比较简单。UWB收发信机中，信息可被几种不同技术调制，如M_ary脉冲幅度调制或PPM调制发射脉冲。在接收端，天线收集信号能量经放大后通过匹配滤

7、波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。相对于超外差接收机而言,它实现相对简单,没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，制造成本低。 3、选择此题的目的和意义。由前文可知，UWB技术作为短距离高速通信技术，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的，故其成为移动通信未来的一个发展方向，也是当前研究的一个热点，不论在军用还是在民用方面都会大有作为。而室内环境中超宽带(UWB)信号经过密集多径传播会产生严重的时间弥散, 采用Rake接收是提高UWB接收机性能的重要手段。本论文紧跟技术前沿领域，以UWB系统Rake接收机为研究对象，采用PPM-TH-UWB的信

8、号发射方式，不论在学术上还是实用性上都是有重大的意义的，是对本科阶段学习成果的总结和检验，也可为未来的科研之路打下的坚实的基础。本论文涉及的UWB系统接收机的关键技术包括同步技术、脉冲信号的设计和产生、信道估计，统筹数据量、数据速率、通信距离、通信速度及用户数量，以实现更加理想的无线通信系统。4、主要参考文献：1 王一强,孙罡,侯祥博. UWB超宽带技术研究及应用J. 通信技术, 2009,(03) . 2 施彩华,胡耀明. 基于ML信道估计算法的超宽带Rake接收机研究J. 中国电子科学研究院学报, 2009,(01) . 3 章坚武,高锋,刘凤忠. 超宽带Ad Hoc网络距离辅助QoS路由

9、协议J. 计算机工程与科学, 2009,(02) . 4 梁彩凤,王树勋,孙晓颖,丁锐. 改进的超宽带传输参考系统及其性能J. 吉林大学学报(工学版), 2007,(04) . 5 刘志敏,杨毅,徐颖清. 无线网状网组网技术及实验研究J. 中兴通讯技术, 2008,(02) . 6 刘翔. 超宽带无线通信相关技术的研究J. 科技创新导报, 2009,(05) . 7 Maria-Gabrella. 超宽带无线电基础. 电子工业出版社，2005年8 王秀红,王东,庞伟正. 具有陷波特性的小型超宽带天线的设计J. 应用科技, 2009,(02) . 9 綦俊炜,李一兵,毕晓艳,殷潜. 基于线性多用

10、户检测的DS-UWB接收机研究J. 应用科技, 2008,(05) . 10 弓楠. 超宽带(UWB)无线通信技术分析J. 电子元器件应用, 2009,(08) . 二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程1、超宽带信号1.1 定义通常超宽带无线电（Ultra Wide Band Radio），要求波形的瞬时相对能量带宽大于0.20-0.25的无线通信技术。美国FCC规定，UWB的使用频段范围是3.110.6GHz，且其发射功率必须在1mW以下，且对于相对带宽的表示式为 式中，、分别为功率教峰值功率下降10dB时所对应的最低频率和最高频率。1.2 分类UWB无线通信按实现

11、方式可分为两大类，即脉冲无线电IR和多频带OFDM。脉冲无线电是指采用冲激脉冲作为信息载体的无线电技术。这种脉冲传输技术的特点是，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。多频带是指在这种方式中，整个有效带宽被分为最小带宽为500MHz的若干个子带。通信时，可以根据信息速率、系统功耗的要求以及其他系统共存的要求等，动态的使用部分或者全部的子带，通过同时发送多个不同频带的UWB信号来提高频谱的利用率。2、UWB无线通信系统超宽带通信的理论基础是信息论中的“香农公式”，即： 式中，C 是信道容量，B 是信道带宽，S 是信号的功率，N 是噪声的平均功率，S/N 是信噪比。UWB信

12、号的带宽一般高达数GHz，这样不仅可以降低信噪比，而且相对于扩频信号来说还可以继续增加信道容量。因此从香农公式可以看出，UWB具有高容量无线通信的潜力。就超宽带无线通信的实现方案而言,目前超宽带无线通信的实现方案主要有三种:无载波脉冲方案、单载波DS-CDMA方案和基于MB-OFDM的超宽带无线通信系统方案。无载波脉冲方案采用的调制方式有脉冲位置调制PPM、二进制移相键控调制BPSK和脉冲幅度调制PAM。单个无载波窄脉冲信号具有两个突出的特点: 一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个窄脉冲,二是激励信号包括很宽的频谱(从直流到微波波段)。 无线信道 UWB 接收机 UWB 发射机数据源 图一

13、（单个用户）超宽带无线通信系统模型2.1 发射机端在本论文中，我们采用基于PPM的TH-UWB发射方案。发射机端产生基带窄脉冲序列,并通过跳时-脉冲位置调制TH-PPM调制方式携带信息,产生UWB信号。基带窄脉冲序列直接发送到空中,而无需对载波进行调制。脉冲生成器重复编码器发送编码器PPM调制器 数据源 图二 TH-PPM-UWB信号发射系统框图基本脉冲位置调制(PPM)调制方法：产生脉冲宽度为ns级的信号源是UWB技术的前提条件，系统中的单脉冲可以采用多种不同的波形,如高斯波形、升余弦波形等。分别研究在正弦调制信号、一般周期调制信号及随机调制信号三种情况下，PPM调制信号的功率谱密度计算很困

14、难，不便于实际运用。 基于TH-PPM的调制方法：TH-PPM信号是一种跳时信号,即对伪随机序列进行调制,用脉冲不同的位置来传送信息。经此方式调制的信号，发射的能量集中在脉冲重复频率的整数倍处，TH码有减少最强功率谱线数目的作用。跳时PPM调制使模拟调制方法与目前无线通信中的数字调制一致起来。这种调制方式具有很多的优点,例如功率谱密度离散谱最小，连续谱相对最窄，具有抗干扰强,保密性好等优点。2.2 信道模型目前UWB技术主要用于室内密集多径环境下的高速无线通信，其信道不同于一般的无线衰落信道。信道模型是用于表示给定环境下的无线传播特征的一组数学表达式、图表或者算法。作为信息的载体，信号在信道中

15、传输时会发生多种变化。由于超宽带脉冲信号的特殊性(如持续时间为纳秒级、很宽的带宽等)，因此，它的信道特征会有一些与窄带连续波通信系统所不同的特点。能较好体现超宽带信道特征的模型有Ghasemzadeh-Greenstein模型，Pendergrass-Beeler模型，-K模型，S-V模型以及IEEE802.15.3a信道模型。IEEE 802.15.3a提出的信道模型具有的特点是：既能够给出对实际信道重要特性比较准确的描述，又能保持信道模型的相对简单和易用。多径模型通常包括的参数有多径到达时间、平均延迟扩展，最大延迟扩展、平均多径强度模型、多径幅度特性、信道时变特性、信道的线性或非线性作用造

16、成的扭曲等。关于UWB室外传播，可以引用统计模型。本文中，我们根据不同的信道估计算法选取最优的信道模型。2.3 接收机端UWB通信系统接收部分采用Rake接收机。Rake接收机是克服无线多径传播衰落, 即形成多径传播信号分集接收的基本手段。在IR-UWB调整方式下按不同的调制方式，Rake接收机可以分为以下三类： UWB PPM-THRake接收机，具有很强的多径分辨能力，信号复杂度相对较低，系统结构简单。理想情况下的接收性能最好,在实际应用中可以采用选择最优的路径个数分量进行合并或者把其达到最优个数前的所有路径进行分量合并。前一种接收机因为采用了选择性接收的方法所以性能要优于后一种接收机,但

17、是其接收机要复杂。随着支路数的增加,接收机的性能也相差不多,所以在实际应用中要充分考虑到UWB接收机实际应用在那种环境和实现的难易程度等因素,来决定采用何种接收机方式。 UWB PAM-DSRake接收机，虽然在同样性能的条件下，二进制反极性PAM只需要二进制正交PPM的一半能量，但是从传输的平均错误概率来看，采用二进制反极性信号的错误率大于二进制正交信号。故此类接收机的结构相对简单，但是其传输速率相对较低，抗多用户干扰能力弱。 UWB PAM-THRake接收机，优点抗用户干扰能力强，传输速率相对较高；缺点是抗窄带干扰的能力差，信号及系统复杂度相对较高。3、 UWB PPM-THRake接收

18、机3.1 UWB PPM-THRake接收机原理Rake接收机的简单原理是对每个路径使用一个相关接收机,各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关,然后对每个相关器的输出进行加权,并把加权后的输出相加合成一个输出,以提供优于单路相关器的信号检测,然后在此基础上进行解调和判决。如果在收机中采用单个相关器，则一旦该相关器的输出受到衰落的影响，则接收就机不能校正该值。因此，只根据单个相关器进行比特判决将可能产生大的误码率。相反，在Rake接收机中，如果某个相关器的输出受到了衰落的影响，而其它相关器则可能没有受到衰落影响，则可以通过对被衰落的输出加一个很的小权系数将其抑制。因此，Rake接收机给出的基

19、于L个独立判决统计量的组合提供了一种分集接收方式。它是一项主要的抗衰落技术，可以显著提高多径衰落信道下无线通信系统的可靠性。3.2 UWB PPM-THRake接收机的合并及多径选择方式加权系数的选择方法有多种，总体的原则是使Rake接收机的输出信噪比最大。接收机常用的分集有选择性分集SD、等增益合并EGC及最大比MRC合并。3.2.1 选择路径方式SD方式是选择具有最后信号质量的多径分量，然后只通过对该分量的判决得到发射符号。3.2.2 合并多径分量方式EGC方式和MRC方式为合并多径分量的方式。在EGC方式下，首先将不同的分量在时间上对齐，然后不进行任何加权将它们直接相加。在MRC方式下，

20、加权系数是基于每个相关器输出的功率或者信噪比来确定的。如果某个相关器输出的功率或者SNR较小，则其加权系数也小，其输出能量也相应减小，达到压制该分量的效果。在接收端由L个分集支路（此处略提，L的选择不同会导致Rake接收机的不同），经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在多径支路中，按照信噪比越大所对应的加权系数越大的原则进行合并。也就是信噪比越大，对合并后信号贡献越大。最大比合并是一种最优的线性合并方式，输出信噪比最大。上述方式中,多径分量的利用是建立在如下假设之下的:相同发射脉冲的不同(独立)分量能够被分别分析且在最终判决前合并。MRC合并性能最好，EGC合并

21、性能次之。3.3 UWB PPM-THRake接收机结构及性能分析Rake接收是一种利用互不相关的可分离的路径有效地捕获信号能量，从而达到克服衰落提高系统可靠性的目的多径分集技术。它的基本原理是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量提取出来，并对它进行延时和相位的校正，使之在某一时刻对齐，并按一定的规则进行合并，变矢量合并为代数求和，有效地利用多径分量，提高多径分集的效果。 图三 Rake接收机结构图补充：4、 仿真及调试 首先熟悉Matlab的应用方法，基于Rake接收机的原理，用Matlab实现Rake接收机，并进行仿真，分析仿真结果。 三、毕业设计（论文）工作进度安排2011年1月，跟导师见面，初步了解题目内容，完成任务书，制定详细的研究方案及工作安排，确定研究方案。2011年2月至3月，通过上网、借阅书籍了解超宽带无线通信原理及Rake接收机，并撰写开题报告。2011年3月5日，开题报告的答辩。2011年4月，深入学习，分模块设计、仿真、调试。2011年5月，对整体仿真系统进行调试，并分析仿真结果。2011年6月，整理资料，撰写论文，准备答辩。指 导教 师意 见指导教师签字_ 年 月 日院 系毕 业设 计领 导小 组审 核意 见难 度综合训练程度是否隶属科研项目 教学院长（公章）_ 年 月 日