通信工程畢業設計-uwb超寬帶通信系統的設計與仿真-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 ...... 24 ....................................... 24 總結 ................................................... 25 參考文獻 ............................................... 26 致 謝 ................................................ 27 外文文獻翻譯 .......................................... 16 1 UWB超寬帶通信系統的設計與仿真 通信 工程 專業 2021 級 劉 勇 摘 要 : 超寬帶無線通信技術由于其較高的數據傳輸速率、較低的功率衰耗和強大的抗多徑干擾能力等優點，視為下一代無線通信領域的關鍵技術。隨著時代的進步以及電子產品的普及，人們對計算機、通信、家用電器等消費電子之間無線融合的需求指明了無線通信技術發展的主要方向。根據美國 FCC對 UWB技術的定義，相對帶寬大于 500MHz 的系統都可看作 UWB 系統，并分配 UWB系統可使用的頻段，在該頻段內， UWB 設備的發射功率需低于 ，以便與其他無線通信系統共存。 英特爾 (Intel)公司在 2021 年成立了 UWB 研究實驗室，并在 2021年 4 月展示了其傳輸速率高達 480Mb/s 的 UWB 設備。次年 3 月， sG3a 工作組收到了來自全球的 23 個提案。 本文所做的工作 本文設計了一個符合 超寬帶無線 5 通信系統模型，通過 simulink 平臺仿真驗證了其正確性。第二類是特殊脈沖，即滿足特定頻譜要求的脈沖，通信系統的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性 能、實現復雜度等諸多因素都取決于時域成形波形 P(t)的設計 。脈沖信號產生器還應該容易實現。試驗表明，當用 一 個滿足階躍函數的電流來激勵天線時，天線的輸出端就會產生 一 個脈沖，而且這個階躍電流跳變越陡峭，所產生的脈沖寬度就越窄 [6]。a 為脈沖波形的成形因子 增大，脈沖幅度減小，脈沖寬度變寬。高斯脈沖非常適合本文的分析，因為高斯脈沖可以直接通過調整形成因子 a 來改變波形，同時可以通過對原始脈沖微分來獲得很多的波形。峰值頻率和脈沖帶寬都會隨微分階數的增加而改變。 單脈沖調制 對于單個脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息 。在 PPM 調制中，脈沖的極性和幅度都不改變。因而在第 一 步中，把 PPM 調制稱為跳時 (Timing Hopping)擴譜 (THSS)，即每組脈沖內部的每 一 個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置 。因此，根據無線信道的基本特征，結合超寬帶脈沖信號 傳播的特殊性，通過分析超寬帶脈沖信號在不同環境下的傳播特性，建立相應的超寬帶無線信道電波傳播模型具有重要的意義。多徑傳播模型對傳輸技術的選擇和接收機的設計至關重要。 這個模型是將室內環境分成四種典型的情況 : CM1(0~4m,視距傳播 (LOS)),CM2(0~4m, 非視距傳播 (NLOS)), CM3 (4~10m,非視距傳播 (NLOS)),CM4(4~10m,極端情況下的非視距傳播 (NLOS)),特性如表 所示。在接收端 ,通過判決延遲 D 時刻獲得的接收脈沖信號的自相關值提取數據信息 ,TR 自相關接收系統的結構圖如圖 所示 [12]。 其中 OFDM 發射機 是 發射機模型 的核心模塊 ，其結構 如圖 所示： 1O u t 1F i xe d P o i n tA n a l ys i s( 1 6 b i t s )f p a n a l ys i sZ e r o S u f f i x,U n g r o u pF r a m e s ,andG u a r d P e r i o dZ e r o P a da n d S h i f tf o r F F TH o r i z C a tH o r i z C a tP i l o t sP S S e q u e n ceA s s e m b l eO F D MF r a m e s K N o r m a l i ze I F F TI F F T 1G r o u p D a t a f o rO F D M S ym b o l sF S S e q u e n ceZ e r o D CC o n ve r tC o n ve r tC E S e q u e n ce2 x S p r e a d i n g1I n 1 圖 OFDM 發射機結構 這個子系統的目的是要將 QPSK符號有效載荷轉變成 OFDM符號（每165 個樣本） 的 幀 中 ，并將它傳遞給 發射機的射頻 前端。 發射端信號仿真分析 圖 跳頻時序仿真圖 圖 三個子頻帶頻譜圖 23 由 圖 可知系統分三個頻段進行跳頻擴頻，其各頻段的頻譜圖如 圖 所示。 （ 4） 建立的超寬帶通信系統的仿真模型，并完成的 仿真實驗，使系統能夠滿足設計的要求。美國聯邦通訊委員會（ FCC）目前正在制定 措施 限制超寬帶通信系統 的輻射排放量 ， 與家用電腦 管理 的輻射排放量 相同，在 無牌經營的基礎上部署第 有目的的散熱輻射規則。英特爾架構實驗室（ IAL）目前正在內部資助研究項目，其目的是進一步探討延伸到高速率通信領域超寬帶技術的潛在好處和未來的挑戰。 30 雖然 產生一個 UWB波形有許多其他的 方法， 但 在本文中， 我們 著重 敘述脈沖的超寬帶波形 。在過去數年，甚至更短距離系統，從 10 到 100 米，已經開始出現 ,帶動了 以 數據 應用為主。正如電話功能的蜂窩電話網絡，趨勢 3 使 高帶寬 成為可能 ， 包括 在建的服務提供低功率短距離如使用藍牙和 IEEE 成為可能 。 ? （ 2）藍牙，是一種 低功耗模式，具有 在 額定 10米范圍內，峰值在空中的 1Mbps 的速度。 目前的低數據速率無線局域網（ WLAN）和無線個人區域網絡（ WPAN）能夠達到 110Mbps 的數據傳輸速率，通常用于諸 如分組交換數據和無線語音電話應用，使用時分多址（ TDMA）語音電路。 MAC 層最重要的無線網絡功能，包括信道接入控制，保持服務質量（ QoS），并提供安全性。因此，例如，語音電話和視頻電話會議應用在延遲和抖動性能 方面有 嚴格 要求。由于在 5GHz 范圍內的 U 型國家信息基礎設施帶下部的200MHz的可用頻譜， 12這種系統可以同時運行在一個 50 米環路 中 ，并可以聚集 648Mbps 的速度。例如： （ 1） 有 100 米額定工作范圍。 （ 2）擁擠的頻譜分割 卻以傳統的方 式 被 監管部門分段和控制 。原來的無線系統用于測量大型橋梁的 距離，以便使雙方聯系在一起。顯然，這種帶寬遠遠大于目前任何技術所采用的通信帶寬。 29 英特爾 174。在論文撰寫過程中， 江 老師時時關注，并細致入微的審閱我的論文，提出很多寶貴意見。 25 總結 超寬帶無線通信技術作為一項新興 的 無線通信技術，因其本質及具有信息傳輸速率很高、抗多徑干擾能力強、系統容量大、與現有通信系統頻譜共享、低功耗等諸多優越性而成為人類實現未來中短程高速無線通信的首選無線通信技術。 仿真模型的接收機結構 系統的接收機結構如 圖 所示： 圖 系統接收機模型圖 20 信號經過跳頻解擴和濾波，經過 OFDM接收 QPSK解調和解交織，最后經過維特比解碼接收。 OFDM信號使用跳頻（多頻 帶）技術進行擴頻 ,本系統采用三個子頻帶來實現 OFDM信號在 UWB 系統中的 應用 。根據超寬帶信號要求和各種相關器的特點 ,沖激無線電的相關器 設計通常采用模擬式相關器或混合式相關器。脈沖的性狀應與傳播路徑有關 ,不同的傳播路徑有不同的沖激響應。路徑損耗模型包括穿透障礙損耗、視距和非視距損耗。 多脈沖調制不僅可以通過提供脈沖重復頻率來降低單個脈沖的 12 幅度或發射功率，更重要的是，多個脈沖調制可以利用不同用戶使用的 SS 序列之間 的正交性或準正交性實現多用戶干擾抑制，也可以利用 SS 序列的偽隨機性實現窄帶干擾抑制。第二步為每組脈沖作為整體被調制。 BPM 調制過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。 10 IUWB(ImpulseUltra Wide Band，無載波脈沖 UWB)系統在多址通信信道中可以以很高的 速率傳輸數據。 注意到高斯脈沖有無限的持續時間，這將不可避免地導致脈沖混疊和符號間干擾 (ISI)。高斯函數的各階導函數表示的波形都是滿足上述條件 的。隨著脈沖信號階數的增加，過零點數逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。 高斯脈沖信號 在超寬帶通信系統中，所采用的基帶脈沖波形很少是 一 個周期的正弦波。提高脈沖重復頻率，實現高速率的數據傳輸 。 6 2 超寬帶無線通信系統發射機設計 超寬帶無線通信系統的輻射的頻譜由兩方面決定 :其 一 是脈沖信號的波形，可根據需要的頻譜特性選擇發送的脈沖波形 。 DSUWB 技術得到了以飛思卡爾、摩托羅拉等廠商為成員的國際 UWB 論壇的大力支持 。 2021 年 4 月，我國發布的“十五” 863 計劃中把“ UWB 無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術”作為有關通信技術主體研究項目， 4 鼓勵國內學者加強這方面的研究工作。 1989 年，美國國防部高級研究院計劃署 (DARPA, Defense Advanced Research projects Agency)首先提出了超寬帶這 一 術語。目前， WPAN 的主要技術有 :藍牙(Bluetooth)、紅外線 (IrDA， Infrared Data Association)、家用無線局域網技術 (Home RF， Home Radio Frequency)和超寬帶無線通信 (UWB)等。 Transmitter。 Simulation 畢業設計指導 教師評定成績 評審基元 評審要素 評審內涵 滿分 實評分 選題質量30% 目的明確 符合要求 選題符合專業培養目標，體現學科、專業特點和綜合訓練的基本要求 10 選題恰當 題目規模適當 5 題目難易度適中 5 聯系實際 題目與生產、科研、實驗室建設等實際相結合，具有一定的 實際價值 10 能力水平35% 綜合運用 知識能力 能將所學專業知識和機能用與畢業設計中；設計內容有適當的深度、廣度和難度 5 應用文獻 資料能力 能 獨立查閱相關文獻資料，能對本設計所涉及的有關研究狀況及成果歸納、總結 和恰當運用 5 實驗（設計） 能力 能運用本學科常用的研究方法，選擇合理可行的方案，能對實際問題進行分析，進行實驗（設計），具有較強的動手能力 5 計算能力 原始數據搜集得當；能進行本專業要求的計算，理論依據正 確，數據處理方法和處理結果正確 5 外文應用 能力 能搜集、閱讀、翻譯、歸納、綜述一定量的本專業外文資料與外文摘要，并能加以運用，體現一定的外語水平 5 計算機應用能力 能根據設計題目要求編程上機或使用專業應用 軟件完成設計任務 5 分析能力 能對設計項目進行技術經濟分析或對實驗結果進行綜合分析 5 設計質量35% 插圖或圖紙質量 能用計算機繪圖，且繪制圖紙表格符合標準 5 說明書撰寫水平 設計說明書齊全；概念清楚，內容正確，條理分明，語言流 暢，結構嚴謹； 篇幅達到學校要求 15 規范化程度 設計的格式、圖紙、數據、用語、量和單位、各種資料引用和 運用規范化，符合標準；設計欄目齊全合理 5 成果的實用性與科學性 較好地完成設計選題的目的要求， 成果富有一定的理論深度和實際運用價值 5 創見性 具有創新意識，設計具有一定的創新性 5 正文部分成績（上表）： 總成績： 評定等級： 外文資料譯文成績： 評閱教師評審意見： 評閱教師簽名： 說明：此表指標部分為正文部分計分表，正文部分成績＝實評總分 ，外文資料譯文成績滿分為 10分。 第七階段：準備并完成正式答辯。 主要設計方法或技術 路線： 首先分別 建立 超寬帶通信系統的三個模塊：發射機，無線信道，接收機，以及三個模塊的參數設置和具體的配置