超宽带定位.doc

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1、超宽带定位技术的研究与应用摘 要超宽带UWB(Ultra Wide Band)技术，又称为冲激无线电技术，其波形的相对能量带宽大于0.25，自被FCC(国际联邦通信委员会)允许通过以来一直备受关注，现己成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。超宽带技术在诸多应用领域中都表达出极大的优势，在无线定位方面更是优于传统的无线定位方式。超宽带定位技术由于具有功耗低、多径分辨率高、信号隐蔽性好，尤其是能提供非常高的定位精度等优点，成为无线定位技术中极具潜力的技术。因此对超宽带定位系统的研究具有重要的应用价值。本文的主要研究内容就是超宽带在LOS环境下的测距定位。第五章基

2、于超宽带的定位方法是本文的重点，本章首先介绍了UWB在无线定位领域的优势与局限性，接着介绍了基于超宽带技术的无线定位方式，对于TOA定位方式只做了简单的LSE位置估计，而对更加实用的TDOA定位方式则进行了更加深入的研究，在介绍TDOA定位方式这节中主要介绍了四种典型的TDOA双曲线定位算法，即Fang算法、Chan氏算法、Taylor算法及基于Chan与Taylor的一种改进算法，本节最后又分别对四种算法进行了MATLAB仿真，并在本章最后进行了仿真结果比较，进而选出较好的定位算法方案。关键词:超宽带技术;TDOA定位方式;Fang算法;Chan氏算法;Taylor算法The Researc

3、h And Application Of UWB Positioning TechnologyAbstract UWB ( Ultra Wide Band ) technology, also known as the impulse radio technology, the waveform of the relative energy bandwidth greater than 0.25, since the FCC ( International Federal Communications Commission ) is allowed to pass has been of co

4、ncern, has become the field of wireless communications research and development of a hot spot, and is considered the next generation one of the key technologies for wireless communication.Ultra wide band technology in many fields have showed great advantage, in a wireless location is more superior t

5、o the traditional wireless positioning method. UWB positioning technique with low power consumption, high resolution signal multipath, good concealment, especially can provide very high positioning precision, a wireless positioning technology in the great potential of the technology. Therefore for U

6、WB positioning system the research to have the important application value.The main content of this paper is the broadband environment in LOS location. The fifth chapter is based on UWB positioning method is the focus of this paper, this chapter first introduces UWB in wireless location field streng

7、ths and limitations, and then introduced the UWB based wireless positioning method for TOA positioning way, only some simple LSE location estimation, and the more practical TDOA positioning means for a more in-depth study, introduces the TDOA positioning way this section mainly introduces four kinds

8、 of typical TDOA hyperbolic location algorithm, Fang algorithm, Chan algorithm, Taylor algorithm and Chan and Taylor based on an improved algorithm, the festivals most and then respectively on four algorithms of the MATLAB simulation, and the at the end of this chapter are compared with simulation r

9、esults, then select the better localization algorithm scheme.Key words: Ultra wide band technology; TDOA; Fang algorithm; Chan algorithm; Taylor algorithm目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 超宽带定义11.2 超宽带技术的历史21.3 选题意义31.4 超宽带通信技术国内外研究现状41.4.1 国外研究现状41.4.2 国内研究现状51.5 本文主要内容5第2章 超宽带通信62.1 超宽带信号基本通信原理62.1.1 超宽

10、带理论基础62.1.2 脉冲波形62.1.3 调制方式62.1.4 收发信机的结构72.1.5 功率谱密度82.2 超宽带通信的信号形式82.2.1 基带窄脉冲无线电方式92.2.2 调制单载波方式92.2.3 调制多带载波方式92.3 超宽带通信的关键技术102.4 超宽带技术的实际应用122.5 几种无线技术比较14第3章 超宽带信号的脉冲设计与调制方式163.1 超宽带脉冲信号的设计要求163.2 超宽带脉冲的设计目标163.3 常见的超宽带脉冲信号波形163.3.1 高斯脉冲信号163.3.2 三角包络窄脉冲信号173.3.3 升余弦脉冲信号173.3.4 Hemrtie正交脉冲信号1

11、83.3.5 PSWF正交脉冲信号183.4 超宽带脉冲信号的产生183.4.1 简单的高斯脉冲183.4.2 高斯脉冲的叠加213.4.3 频谱自适应脉冲223.5 超宽带通信的调制方式243.5.1 单脉冲调制243.5.2 多脉冲调制24第4章 无线定位技术264.1 无线定位技术概述264.2 测距与定位的基本理论264.2.1 测距的基本概念264.2.2 定位的基本概念284.3 常用无线定位技术介绍294.4 无线定位几何模型304.4.1 圆形球形定位模型304.4.2 双曲线面定位模型314.4.3 角度定位模型324.4.4 混合定位模型334.5 影响定位精度因素344.

12、6 定位协议与定位精度评价指标344.6.1 定位协议344.6.2 定位精度评价指标35第5章 超宽带定位技术375.1 超宽带定位技术的优势与局限375.1.1 技术优势375.1.2 技术局限性385.2 基于超宽带的定位方式395.2.1 TOA/TDOA定位方法395.2.2 RSS定位方法395.2.3 AOA定位方法405.3 基于TOA/TDOA的超宽带定位技术405.3.1 定位问题的LSE表示405.3.2 TOA球形定位技术415.3.3 TDOA双曲线定位技术425.4 TOA的最小二乘法位置估计445.5 TDOA主要定位算法及仿真505.5.1 Fang算法及仿真5

13、05.5.2 Chan算法及仿真535.5.3 Taylor算法及仿真585.5.4 基于Chan和Taylor的改进算法及仿真59第6章 结论与展望62致 谢64参考文献65附录一（英文文献）67附录二（中文翻译）77第 96 页第1章 绪论UWB技术是一种与常规无线电完全不同的通信方式，具备很多技术上的优势，在公共安全、军事、航空、医疗以及消费类电子产品等应用领域有独特的应用价值与广阔的应用前景。在FCC宣布UWB无线通信技术准许民用以后，科研机构与各大公司对UWB技术的关注与研究在不断的升温，作为国内外研究的热点技术，本文对UWB通信与定位技术进行研究。1.1 超宽带定义UWB 是一种无

14、载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术， 适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定，从3. 1GHz 到10. 6GHz之间的7. 5GHz 的带宽频率为UWB 所使用的频率范围。从频域来看，超宽带有别于传统的窄带与宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1% ， 相对带宽在1% 到25% 之间的被称为宽带， 相对带宽大于25% ，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1-1表示这三个概念。表1-1 三个概念的区别信号带宽窄带1%宽带%125

15、%超宽带（UWB）25%从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB 是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行， 而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离，据资料表明，UWB 信号的有效传输距离在10m 以内， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。绝对带宽= （1.1）相对带宽= （1.2）式中，为信号高端频率，为信号低端频率，为信号的中心频率。1.0 1.6 1.9 2.4 3.1 4 5 6 7

16、 8 9 10.6 频率（GHz）功率802.11a802.11bHomeRFUWB信号GPSPCS微波炉，无绳 ，蓝牙与传统无线信号的重叠FCC第15部分的功率限制图1-1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系-53.3)dBm/MHz(辐射功率EIRP 0.96 1.61 1.99 3.1 10.6 频率（GHz） 频率（GHz）-61.3-51.3-41.3-51.3-61.3-75.3-63.3室内室外图1-2 FCC对UWB通信与测量系统的限界规定1.2 超宽带技术的历史对超宽带（UWB，Ultra Wide Band）技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约

17、可以追溯到20世纪50年代末与60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)-冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定： （1.3）然而，实际上直到采样示波器与亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察与测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年

18、，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术与许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生与接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。表1-2 一些UWB里程碑事件时 间人 物事 件19691984年Harmuth（

19、美国天主教大学）发表“用于雷达与无线通信的非正弦波”19721987年Ross与Robbins（Sperry Rand公司）Van Etten（罗马空军实验室）发明用于雷达与通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等19802000年Fullerton(Tine Domain公司)McEwan(Lawrence Livermore实验室)Morey(Geophysical Survey Systems公司)Young等（OSU公司）Beckener等（Power Spectra公司）基于雪崩晶体管的系统与天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机与采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳

20、朵”与天线等堆砷化镓半导体开关管2002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术与产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术与标准的研究与攻关。1.3 选题意义随着人类社会的不断发展，人们对无线通信的要求也在不断提高，希望其能够提供更高的数据传输速率与传输质量。然而，由于无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，可利用的频谱资源日趋饱与。在这样的背景下，超宽带技术引起了人们的重视。超宽带UW

21、B(Ultra Wide Band)技术，又可称为冲激无线电技术，其波形的相对能量带宽大于0.25，自2002年2月被FCC（国际联邦通信委员会）允许通过以来一直备受关注，现已成为无线通信领域研究开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。 众所周知全球定位系统(GPS)是一个常用的定位系统，在室外环境，尤其是在视野开阔的天空定位几乎达到了完美的地步。但在许多应用场合仍有较大的局限性。而超宽带是一种与传统通信技术有很大差异的、全新的通信新技术。它通过发送与接收具有纳秒至微秒级以下的冲激脉冲来传输数据，而并不采用正弦载波，其所占的频谱范围很宽，具有GHz量级。由于UWB系统发射的功率谱

22、密度非常低，UWB系统可以在信噪比很低的情况下工作，UWB信号几乎被淹没在各种电磁干扰与噪声中，故具有保密性好、截获率低、隐蔽性好等优点，能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。同时，UWB信号具有很高的传输速率，目前的演示系统表明，在近距离上(3到4m)的传输距离可达480Mb/s。抗多径衰落能力强。由于UWB信号定位精度高且具有很强的穿透能力，可探测地雷等地下物体、墙壁后方空间的物体，所以在透视成像雷达、人体医学成像、穿地探测雷达等方面也得到了越来越多的应用。该技术尤其适用于室内密集多径环境与军事通信应用中。国外公司为军方开发的UWB通信/定位系统，己从实践上证明了UWB无线电定位的优越性

23、能。因此，对UWB定位技术的研究是十分有必要与有意义的。1.4 超宽带通信技术国内外研究现状1.4.1 国外研究现状 近年来，UWB的研究在国际上倍受重视，各国都在致力于超宽带技术及其产品的开发。在美国国防部重点技术计划中，己经连续几年把UWB列为研究计划项目中的重点课题。许多著名大学与实验室，如美国MIT Lincoln实验室、LOS Alamos国家实验室、Ohi。州立大学、Georgia理工学院、英国RSRE实验室等都开展了UWB的研究。在UWB研究中美国走在前列ETHER-WIRE&LOCA-TION,Ubise等多家公司推出了UWB芯片与系统。日本、荷兰、新加坡也不甘落后，都己经开始

24、着手UWB技术的开发，试图率先抢占UWB市场。美国AETHER WIRE&LOCATION开发的Localizers室内定位系统。该系统是通过待定位的超宽带接收机与几个参考定位的收发信机之间进行脉冲通信，通过监测信号中携带的伪随机码的时延来判断到不同参考点的距离。该系统知道3个以上的参考点就可以确定未知点的三维位置。Loealizers两点间最大距离30-6Om，测距精度为 1cm，公司对Loealizers节点的估计是体积 8 mm2，价格50美分，功耗30*10-6W。美国Ubise公司开发的Unbise室内定位系统，该系统是由传感器与漫游器组成，当一个漫游器有效时，它发射UWB脉冲与包含

25、识别符在内的传统RF信号，这被传感器用来确定漫游器的位置。Unbise室内定位系统的精度是15cm。漫游器的体积是 5.5cm*9cm*lcm，一节AAA电池可以供电1年，标准配置的Unbise系统砰个传感器，6个漫游器)的售价约为 1400美元。Sapphire系统是由 Multispeetralsolutions公司开发的UWB室内定位系统。该系统由多个漫游器(其中一个作为参考)、至少4个接收机与1个与计算机相连的控制中心。 SApphire的定位精度是0.3m，经过数据平滑后能达到0.lm，漫游器的直径只有3cm，5s平均输出的信号强度只有5nW。1.4.2 国内研究现状UWB技术在我国

26、的研究才刚刚起步。我国正在积极加入到UWB技术研究领域中去，很多科研机构与越来越多的高校己经将目光投向这一极具发展力的技术。信息产业部无线电管理部门也在积极筹划，与国外先进UWB生产商进行技术交流，争取尽早制定我国UWB管理框架，为我国UWB市场尽早制定技术规则。2001年9月初，我国发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。国内高校如电子科技大学、北京邮电大学、桂林电子工业学院等在UWB技术的研究方面取得了一定的进展。电子科技大学应用所在大功率窄脉冲产生器、

27、天线等方面取得了进展。北京邮电大学、北京理工大学、东南大学研究UWB系统的信号产生、Rake接收等技术，并获得了专利。国家自然科学基金项目的支持也对国内UWB研究起到了推动与促进作用。2004年9月28首届UWB中国论坛在北京召开，2005年10月12日第二届UWB中国论坛在香山饭店召开，2005年11月11日，全国超宽带无线通信技术学术会议在南京召开。以海尔集团与环旭电子集团为代表的中国企业在UWB技术产品开发上走在了世界的前列，与Freescale半导体合作展示并推出了UWB高清电视与家庭媒体中心等产品与系统，这标志着中国的企业在高新技术的应用开发领域正在迈向世界先进行列。1.5 本文主要

28、内容自从超宽带通信技术的出现，它的应用几乎贯彻各个应用领域，而它在无线定位中的应用更比传统的定位技术有更强的优势，本论文主要研究与实验仿真UWB在视距(LOS)环境下的测距定位。论文的主要研究内容如下：第一、主要介绍超宽带技术的含义及其体系中的基本术语并简要介绍超宽带通信系统的几种关键技术以及该技术的主要特点与应用领域。第二、简要说明UWB信号的脉冲设计并重点介绍几种常见的产生超宽带信号的脉冲设计。第三、1.介绍什么是无线定位技术2.解释测距的含义；3.介绍几种常用的无线定位技术；4.简要介绍几种影响UWB定位精度的因素；5.定位协议与定位准确性的评价指标。第四、这是本文的主要内容，先介绍UW

29、B在无线定位领域中的优势接着介绍了几种基于UWB的定位方式，因本文着重研究基于信号传播时间的定位方法，但对于TOA只做了简单的LSE位置估计，而对TDOA的定位方法却是进行了更加深入的研究，分别介绍了其Chan氏算法，Fang算法，Taylor算法；并在此基础上对一种LOS环境下的更加实用的改进算法进行了仿真分析。第五、进行总结并指出不足之处，然后对UBW定位技术的前景予以展望。第2章 超宽带通信2.1 超宽带信号基本通信原理2.1.1 超宽带理论基础超宽带通信的理论基础是香农公式： （2.1）式中：C=信道容量（bit/s）；BW=信道带宽；SNR=P/BWN，信噪比；P=所接受的信号功率；

30、N=噪声功率谱密度（W/Hz）。从式中可以看出我们可以通过增加信道的带宽，提高信号的功率或者减少噪声的功率三种方式来达到提高信道容量的目的。由式(2.1)知，信道容量C与信道带宽B呈线性增长关系，而与信号功率S却呈较为缓慢的对数增长关系，因此增加信号的带宽比增加信号的功率对于提高信道容量更有效。当信道容量C保持不便时，信号带宽与信噪比之间互相影响，即增加带宽B可以降低对信噪比的要求，而减小带宽B可以增加信噪比。超宽带信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，超宽带具有高容量无线通信的潜力。2.1.2 脉冲波形为使信

31、号能量能被天线有效地辐射出去，必须对所用脉冲的频谱特性有特定的要求，如低频分量少、不含直流分量、信号能量主要集中于射频部分等，因此脉冲无线电采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形，可以通过选择脉冲阶数与脉冲宽度来获取不同的中心频率位置与带宽。研究结果表明，高斯各阶导数的10dB带宽近似为脉冲宽度倒数的两倍。显然在脉冲宽度低于1ns时就可以获得大于2GHz的带宽，且随着求导次数的增加，中心频率的位置会逐渐上移。本文的第三章将介绍常见的UWB脉冲波形。2.1.3 调制方式与实际传输速率所对应的符号周期相比，这种ns级乃至亚ns级的脉冲宽度往往小了几个数量级，所以脉冲无线电传输的是一种占空比较低的信

32、号，根据这一特点，系统在传递一个符号时往往使用多个脉冲，以便获得附加处理增益。比如，设脉冲宽度为0.5ns，脉冲重复频率(PRF)为100MPulse/s，传输速率为10MbPs，那么一个符号可以扩散到10个脉冲上重复发送，可获得10dB的附加处理增益，外加20倍的占空比增益，可知系统获得的总处理增益为 13dB+10dB=23dB。这种处理方式在保持PRF与系统脉冲宽度不变的前提下，可通过改变附加处理增益灵活地调整传输速率。鉴于系统对功率有效性有较高的要求，脉冲无线电的调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(PPM)或二进制相移键控(BPSK)。除了对脉冲进行调制外，还要用伪随机码或伪随机噪声

33、对数据符号进行编码，以形成所产生的信号的频谱。最常见的就是脉冲位置调制跳时超宽带信号PPM-TH- UWB(Pulse Position Modulation Time Hopping Ultra Wide Band)与脉冲幅度调制直接序列超宽带信号PAM-DS- UWB(Pulse Am Plitude Modulation Direct Sequence Ultra Wide Band)。图 2.1 DS-BPSK 信息调制示意图2.1.4 收发信机的结构脉冲无线电形象地说明了UWB直接发射窄脉冲进行通信的特点。超宽带在实现方式上与传统窄带通信系统的收发机有明显的区别:脉冲无线电将经过频谱

34、成型后的宽带窄脉冲直接发生出去，信道上传输的是基带信号，接收机的主要组成部分是一个相关检测器，结构相对简单;而传统窄带通信系统一般用正弦载波调制方式来实现频谱搬移，信道上传输的是已调信号，接收机组成较复杂，需要进过逐级下变频之后再进行解调，以恢复原始信息。图2-2 传统信号收发信机的示意图图2-3 超宽带收发机结构图 图2-2与图2-3分别给出传统收发信机与超宽带收发信机的结构。传统收发信机在接收很弱的信号后需要放大，下变频成固定的中频。变频器其实是一个非线性的混频器，会产生很多的镜像、谐波、互调产物，因此还需要进行中频滤波，滤除没有落在中频范围内的频率分量，而落在中频范围内的频率分量的大小必

35、须满足系统的要求。而超宽带收发信机的结构就简单得多，调制方式可有很多选择，如二进制调制、多进制脉冲调制、脉位调制等等。它的脉冲宽度很窄，若是200ps，则经过成形滤波后，其能量集中在2到6GHz，在这种情况下功率放大器可以不需要，因为脉冲产生器仅需产生100mV的电压即可。信号在被天线发送之前需要经过一个带通滤波器，其带宽是4GHz，在接收端，将天线接收到的微弱信号放大后，经过匹配滤波器或相关解调恢复出有用信号。2.1.5 功率谱密度决定发送方案的一个重要因素之一就是信号的功率谱密度（PSD）特性。理想的UWB信号近似于白噪声，其PSD较为平坦而且幅度很低，故不会对现有的窄带系统形成明显的干扰

36、。周期性窄脉冲的PSD由离散谱线构成，经过PPM调制后，使功率谱变得较为平滑，不过伪随机跳时码可以起到更好的平滑作用，而且为随机码的选择在很大程度上决定了平滑性的好坏。如果采用BPSK调制，则信号的均值为零，功率谱中不含离散谱线，完全由高斯脉冲的频谱决定，其平滑度与白噪声仍有一定差距，所以也要通过伪随机码来进行平滑。显然，除了需要通过选择调制与多址接入方式的组合来获取更理想的功率谱密度特性之外，还需要设计理想的伪随机序列。2.2 超宽带通信的信号形式正如前面提到的，FCC公布的超宽带定义并没有限制超宽带信号一定要用冲激脉冲来产生，对其他可供选择的方案也是开放的。实现超宽带信号的方式分为基带窄脉

37、冲与调制载波两种，其中调制载波方式又有单载波与多载波之分，具体分类如图2-4所示。图2-4 超宽带三种实现方式2.2.1 基带窄脉冲无线电方式基带窄脉冲形式是超宽带通信最早采用的信号形式。它利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。通常通过脉冲位置调制(PPM)、脉冲极性调制或脉冲幅度调制(PAM)等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如高斯波形、升余弦波形式等。基带窄脉冲LIWB通信中，因为脉冲的宽度很窄，同时一般情况下占空比较小，所以有很好的多径信道分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发信机结构简单，成本较低。简单的结构、较小的占空比又使得系统的功耗很低。基于以上特点，目前采

38、用基带窄脉冲的UWB技术己广泛应用于雷达探测、透视、成像等领域。2.2.2 调制单载波方式采用单载波方式的UWB通信系统通过载波调制，将信号搬移到合适的频段进行通信。单载波方案的基本思想是同时使用整个7500MHZ可用频带。这里以Motorola公司向IEEE802.15.3a任务组提交的单载波DS-CDMA UWB方案为例，该方案有两个可用频段:低频段3.1-5.15GHz与高频段5.825-10.6GHz，UWB信号可以通过对载波的调制，在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传输。为了避免对美国非特许的国家信息基础设施(UNII)频段系统的干扰，两个频段之间的部分没有利用。2.2.3 调

39、制多带载波方式多带载波(MB-OFDM)方式将可用的频段分为多个子带，每个子带的带宽一般等于或稍大于500MHz。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，动态地使用部分或全部的子带，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。表2-1 三种UWB方案的比较IR-UWBDS-UWBMB-OFDM是否有载波调制否是是相对复杂度低高高相对功耗低高高满足FCC规定是是是频谱利用率较低一般高定位精度高较高一般2.3 超宽带通信的关键技术超宽带系统的基本模型如图2-5所示，主要由发射部分、无线信道与接收部分构成，由此超宽带技术的关键技术包括脉冲成形技术、调制技术与接收

40、技术等。图2-5 UWB系统的基本模型1） 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： （2.2）其中，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，且信号能量集中于3.110.6GHz频段。当今UWB系统脉冲的设计方法多种多样，层出不穷。脉冲波形是超宽带通信中的一项重要性能，直接影响它的传输速率以及与它无线通信系统的共存性

41、。脉冲成形技术中最具代表性的无载波脉冲是高斯单周脉冲，他的带宽已经大于2GHz，高斯单周脉冲是高斯脉冲的各阶导数，各阶脉冲波形可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。论文重点研究了比较典型的两种脉冲，即超宽带高斯脉冲与基于Hermite多项式的超宽带脉冲，在超宽带高斯脉冲中也研究了高斯单周期脉冲。2） 调制技术 调制的主要目的是使经过编码的信号的特性与信道的特性相适应，使信号经过调制后能够顺利通过信道传输。调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性与可靠性，也影响信号的频谱结构、接收机复杂度，在UWB系统中常用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制，基于OFDM的正交多

42、载波调制。其中基于超带宽脉冲的调制常用的有脉位调制（PPM)与脉幅调制(PAM)。文献指出：PPM方式是用每个脉冲出现位置的超前或者滞后的时间表示信息；PAM方式中，每个用户的下一块信息在时间上随机分布。正交多载波调制（OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。3）接收技术 目前对接收机在多径与各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机。在具体实现上，有几种路径选取方法可以用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。合并策

43、略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是实现难度较大。就UWB信道特性而言，选择4到6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能，同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为关键，如果采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计。4）空时处理技术MIMO技术能够提高系统容量，并显著改善系统性能。利用UWB信号的空间与时间特征，采用多天线阵列，能够提供阵列增益与分集增益，将空间与时间处理有效结合，可使UWB系统具有良好的抗符号间干扰与信道间干扰的能力。但MIMO UWB系统的复杂度太高，需要进一步实用化。5）抗干扰技术为了与现有的多种无线通信系统共存，必须解决UW

44、B无线通信系统与GPS、IEEE.802.11WLAN、室内无绳 以及3G等系统设备的互干扰问题，不能影响这些设备的正常工作。UwB系统的发射功率需要考虑以下两个重要方面。UWB对其他的共用频段系统的干扰是一种宽带干扰，相当于提高了窄带系统的背景噪声。这种干扰一旦超标，其他的窄带系统将无法正常工作，所以，UWB的发射信号功率谱密度必须远远低于其它窄带系统发射信号的功率谱密度。UWB系统也可能受到来自其他系统的强窄带干扰。为了有效地抑制这些窄带干扰，需要采用自适应的干扰抑制方案，这也是目前有待解决的问题。影响UWB与其他窄带系统间相互作用的因素还有很多，如设备间的隔离、信道传播损耗、调制技术、脉

45、冲波形以及脉冲重复频率、天线增益等。6）天线设计与系统实现超宽带的超宽带频谱、发射功率与应用范围对天线设计提出新的挑战，超宽带天线应当具有小型、宽带、波形尾部震荡小、效率高、成本低等优点。而在系统设计实现方面，基于正弦电磁波，正弦信号谐振以及付氏变换的频域分析等设计理论己经不能满足超宽带无线系统的需求，对于高速脉冲收发电路的设计与实现，高精度的匹配滤波、板上微控制器噪声的信号处理等。天线与脉冲产生器的联合设计是脉冲超宽带系统设计中的一个重要问题。脉冲超宽带无线通信大多采用相关接收，需要在接收端产生一个与接收脉冲相同的“模板”信号，这是实现超宽带无线系统的关键之一。人们迫切需求一种新的适应UWB

46、低成本与低复杂度的射频电路设计理论。7） 定时同步技术同步定时对于任何数字通信系统来说都是根本的任务。没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。定时同步是UWB通信系统中至关重要的问题，定时偏差与抖动将严重影响接收机性能。一般定时同步分为捕获与跟踪两个阶段。在捕获阶段，要求接收机快速搜索信号到达时间，并根据搜索结果调整接收机定时。在同步跟踪阶段，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步。UWB信道的密集多径特征进一步增加了定时同步的可靠性。总体上讲，目前提出的UWB系统定时同步方法可以分为两大类：数据辅助的定时同步(Data Aided)、盲定时同步(Non-data Aided)。数据辅助的同步方法借助于事先设计的导符号训练序列进行定时捕获与跟踪，采用的训练序列有M序列、Gold序列、巴克码等。结合判决反馈的方法可以进一步提高跟踪精度。