通信工程畢業設計-uwb超寬帶通信系統的設計與仿真(完整版)

　　

【正文】 要求，最后在 matlab 系統下進行 simulink 仿真， 觀察仿真結果，驗證系統的合理性 。對本設計的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。 總之 , 超寬帶無線電作 為無線通信領域的革命 ,不論在軍用、警用通信 , 還是在民用通信中都將有著廣闊的應用前景。 第四階段：二稿完成，并交于老師批閱，在老師的指導下進行完善。 Waveform design。本文首先介紹了超寬帶無線通信技術的發展歷史、研究現狀和發展前景，然后對超寬帶無線通信中超寬 帶信號的波形設計發射機的結構、超寬帶無線信道的建模和接收機的結構進行了理論研究以及仿真實驗。超寬帶 (UWB，Ultra Wide Band)通信是 一 種能夠實現設備之間安全、互操作的無線通信技術，它使高速無線個人局域網 (WPAN, Wireless Personal Area Network)成為可能。 UWB 在 10m 以內的范圍實現無線傳輸，是應用于無線局 域 3 網（ WPAN）的一種近距離無線通信技術 [1]。摩托羅拉(Motorola)公司也于 2021 年生產出實用的 UWB 收發設備，并于 2021年獲得 FCC 的批準。在 2021 年 7月的會議上，通過討論和協商，這些提案融合成了兩大方案，即美國MSSI、 Xtreme Spectrum 公司等倡導的脈沖無線電方案和以 Intel、 TI為首提出的多頻段正交頻分復用 (MultiBand OFDM)方案。首先，本文根據 UWB 超寬帶通信系統的結構、協議、工作原理和 OFDM 技術在接收機和發射機系統的應用等原理對超寬帶通信系統的構建進行了分析，將超寬帶通信系統的模型分為接收機、無線信道、發射機 、譜分析和誤碼率分析五個模塊 ，然后利用 simulink 平臺實現了這些模塊。 在超寬帶脈沖無線系統中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單個 脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息 [4]。超 7 寬帶脈沖的產生方式主要有兩類 :低功率系統的集成電路設計和半導體器件實現。 脈沖產生器最易產生的脈沖波形其實是 一 個鐘形，類似于高斯函數波形。 高斯脈沖的頻譜函數為 , ? ? 222 22 22 22 222 2() fat fa taf t f tappP t p t e d t A e e d t e A e d t??? ??? ??? ???? ? ???? ??? ? ?? ? ?? ? ? （ ） 由 2te dt ?? ?? ??， b 為常數時，得到 2the dt b???? ?? （ ）因此，有 ? ? 2222fap aP f A e??? （ ） 高斯脈沖的各階微分形式為 : ? ? ? ? ? ?? ?kk kd p tPt dt? （ ）其中， k 為微分的階次。 脈沖寬度取決于脈沖形成因子 a。特別地，觀察 k 階導數的傅氏變換性質 [7]: ? ? 222fakkX f f e ??? （ ） 可以得到關于峰值頻率 peakF 、導函數的階 k 和脈沖形成因子。經典的單脈沖調制技術包括 :脈沖幅度調制 (PAM)、脈沖位置調制(PPM)、二相調制 (BPM)和開關鍵控 (OOK)等 。 11 PAM、 OOK 和 PPM 調制的共同優點是可以通過非相干檢測恢復信息 PAM調制和 PPM調制還可以通過多個幅度調制或多個位置調制提高信息輸速率。把 BPM 稱為直接序列 (Direct Sequence)擴譜(DSSS)，即每組 脈沖內部的每 一 個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。 超寬帶信道的基本概念 超寬帶無線信道的傳播模型可分為路徑損耗模型和多徑傳播模型。這兩個模型在超寬帶室內信道中并不是相互獨立存在的，在同 一 個無線信道中，二者綜合作用于發射脈沖信號 [10]。 表 CM1~CM4 信道模型特性 模型特性 CM1 CM2 CM3 CM4 平均能量延遲 (ns) RMS 延遲 (ns) 5 8 14 26 10dBNP NP(85%) 信道能量平均值 (dB) 15 信道能量標準差 (dB) UWB室內信道模型的通信環境比較復雜 ,通信距離比較短 ,通常在10m 以內 ,慢衰落、密集多徑和準靜止是它的主要特征。 D調 制 信 道相 關器判 決D脈沖數據輸出 圖 TR 自相關接收系統 互相關模塊 互相關接收機可以采用模擬式和混合式方式進行相關處理 ,其中模擬方式選用與接收信號 一 致的二階高斯脈沖信號作為模板信號 ,而混合方式可采用數字方波作為模板信號 ,系統結構框圖如圖 。 在子系統中的 第一個轉換器 將輸入信號轉換成定點數據類型。 接收端信號仿真分析 圖 接收端信號頻譜圖 圖 ，從圖 可知直流信號為零，信號受多徑衰落信道的影響較明顯。 由于時間和知識有限，系統也存在一些局限性，要使該系統真正實用化還需要更多的理論研究和實踐操作。這一規則的改變將使 UWB的 可以 啟用 的 頻譜更有效地利用現有的窄帶系統來覆蓋， 并使得有用的頻譜更為有效 ，但 目前 這是 不允許的 。 雖然短期超寬帶（ UWB）不是很有說服性，但它確實有助 于從傳統的“窄帶”系統技術以及新的“寬帶”系統通常描述中提到的未來3G蜂窩技術 中 分離出這種技術。 無線替代的手段 為了了解在 無線通信中 超寬帶無線通信 適用于哪些 目前的趨勢，我們 需要考慮一般通信系統試圖解決的問題。在這里，有線互聯網是基礎設施，而不是電話網絡。最后，趨勢 4讓這些本來 在幾年前不切實際技術的信號處理的使用成為 了 可能。研究表明，大約 10 藍牙“微網”能以最小的退化同時操作在同一個 10米的圓一個 10Mbps的產生總的速度。例如技術支持這些應用的 IEEE （ WiFi的）藍牙和 HomeRF網絡標準。 34 外文文獻原文 UltraWideband Technology for Shortor MediumRange Wireless Communications Jeff Foerster, Intel Architecture Labs, Intel Corp. Evan Green, Intel Architecture Labs, Intel Corp. Srinivasa Somayazulu, Intel Architecture Labs, Intel Corp. David Leeper, Intel Connected Products Division, Intel Corp. Index words: UWB, wireless, munications, LAN, PAN ABSTRACT UltraWideband (UWB) technology is loosely defined as any wireless transmission scheme that occupies a bandwidth of more than 25% of a center frequency, or more than . The Federal Communications Commission (FCC) is currently working on setting emissions limits that would allow UWB munication systems to be deployed on an unlicensed basis following the Part rules for radiated emissions of intentional radiators, the same rules governing the radiated emissions from home puters, for example. This rule change would allow UWBenabled devices to overlay existing narrowband systems, which is currently not allowed, and result in a much more efficient use of the available spectrum. Devices could, in essence, fill in the unused portions of the frequency spectrum in any particular location. 35 These recent developments by the FCC give Intel a unique opportunity to develop equipment that could potentially take advantage of the vast amount of usable spe。這些不同類型的流量對于服務參數的 不同 有不同的條件要求，量化為每個應用程序對這些用戶的網絡性能。 32 （ 3） 是預計有一個 50 米的工作范圍和 54Mbps 的峰值速度 的項目 。 按預期，新興的短期和媒介變化無線標準各有不同，隱含的空間容量 大小分配使用 。四大趨 31 勢正在推動短距離 尤其 是超寬帶 無線 通信的 普及： (1)對于無線數據能力的便攜式設備日益增加的 對 高帶寬 需求， 以及低于目前可用 技術的 成本和功耗。 不幸的是，不可能 尋在實現一個 同時 具備這五種特性 的通信和 雙向通信流系統，如果其他的要做好 ，必須放棄一個或多個特性。首先，超寬帶系統的帶寬，如美國聯邦通訊委員會（ FCC）的定義，是 25%以上的或超過 。 通過 FCC 最近 的這些 發展 給了 英特爾一個獨特的機會來發展 硬件設施 ，它們可以依靠 存在 于 無線領域大量的 潛在的 優勢 來 利用巨大的可用頻譜，而且正在提供一個 用 來驅動未來的高速率應用 引擎 的 整個行業 的 構思。從設計選題，方案論證到具體設計和調試， 江 老師都給予了很大的幫助。 誤碼率分析 本系統還分析了誤碼率，經過一段時間的仿真統計，其誤碼率為*105 滿足系統設計的基本要求。 通過 反快速傅立葉變換（ IFFT）塊和增益模塊， 通過其完成相關 算法的 定點運算。該提案支持 55480 Mb/s之間的數據傳輸速率變化 。 16 4 超寬帶相關接收模塊設計 在進行 UWB 相關接收設計時 ,設計合適的相關器對接收機的實現至關重要。根據沖激無線電應用實際 ,需要考慮到脈沖在反射或穿 透障礙物時其性狀的變化。路徑損耗模型也稱為大尺度模型。這樣，把第 一 步和第二步組合起來不難得到 一 下多脈沖調制技術 :PPMTHSS、 PPMDSSS、PAMTHSS、 PAMDSSS、 BPMTHSS、 BPMDSSS。當采用多脈沖調制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為 一 組脈沖，那么，多脈沖調制過程可以分兩步 :第 一 步為每組 脈沖內部單個脈沖的調制 。 BPM 調制和 OOK 調制方法是 PAM 調制的兩種簡化形式。 由上式進 一步可以得到 peakf 和 k 的關系式 : 1peakfka ?? （ ） 超寬帶無線通信的調制技術 在超寬帶脈沖無線系統中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單脈沖傳遞不同的信息，也可以用多個脈沖傳遞相同的信息。因此，同 一 波形可以通過改變脈沖形成因子的值來得到不同的帶寬。在滿足該條件的前提下，有多種脈沖波形可供考慮。各階微分脈沖波形均可由高斯 一 階導數通過逐 次求導得到。目前主要采用的有隧道二極管 (Tunnel Diode)，雪崩二極管 (Avalanche Diode)、雪崩三極管 (Avalanche Transistor)、階躍恢復二極管 (SRD， Step Recovery Diode)，飄移階躍恢復二極管 (DSRD， Drift Step Recovery Diode)和飄移階躍恢復三極管 (DSTR， Drift Step Recovery Transistor