通信工程畢業(yè)設(shè)計論文（一）

1、通信工程畢業(yè)設(shè)計論文（一）         1 引言 超寬帶（UWB,Ultra Wide Band）無線技術(shù)在無線電通信、雷達、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。2002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”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬（或絕對帶寬）而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多

2、種方式產(chǎn)生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來實現(xiàn)1。超寬帶無線電是對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的窄脈沖作為信息載體。其信號產(chǎn)生、調(diào)制解調(diào)、信號隱蔽性、系統(tǒng)處理增益等方面，具有獨特的優(yōu)勢，尤其是能夠在密集的多徑環(huán)境下實現(xiàn)高速傳輸。由于脈沖持續(xù)時間很短，多徑分量在時域上不易重疊，多徑分辨能力高，通過先進的多徑分離技術(shù)或瑞克接收機，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-

3、PPM、TH-PAM的基本原理，并且對比調(diào)制技術(shù)的優(yōu)缺點，性能的好壞，并進行動態(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、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義是:相對帶寬(在- 10dB 點處) (fH - fL)/fc 20 %(fH ,fL ,fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻

4、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) 、更強的抗干擾能力(處理增益50dB 以上) ,同時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) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0. 5 %) 的沖激脈沖。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,因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調(diào)制到更高的載頻上,而是用基帶信號直接驅(qū)動天線輸出的;由信息數(shù)據(jù)對脈沖

5、進行調(diào)制,同時,為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據(jù)符號進行編碼。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。                   (2-1)             (2-2)單周期脈沖的寬度在納秒級(0. 11. 5ns) ,重復(fù)周期為251000ns ,具有很寬的頻譜,如圖2

6、-1 所示。實際通信中使用的是一長串的脈沖,由于時域中信號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)了強烈的能量尖峰。這些尖峰將會對信號構(gòu)成干擾,通過數(shù)據(jù)信息和偽隨機碼來進行編碼P調(diào)制,改變脈沖與脈沖間的時間間隔,可以降低頻譜的尖峰幅度。圖2-1 單周期脈沖的時間域和頻率域的表示                 (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延。a 

7、 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(對于雙極性信號) 或在M 個值之間變化(對于M 元PAM) 。增加傳輸脈沖所占的帶寬或減少脈沖重復(fù)頻率,都可以增加一個固定平均功率譜密度的UWB 系統(tǒng)所能達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。采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)的超寬帶信號波形如下:        

8、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 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為0) ; （2）PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為2) ; （3）BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ,UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ,UWB 信號的幅度為- 1)

9、 。對于這三種方式,在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。b  PPM- UWB脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱時間調(diào)制(TM) ,是用每個脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標(biāo)準(zhǔn)或特定時刻來表示某個特定信息的。二進制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的一個重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機來接收檢測信號,而這種接收機有著非常好的性能。采用脈沖位置調(diào)制( PPM) 的超寬帶信號波形如下:          

10、0;           (2-5)其中, dj 取0 或1 ,為調(diào)制因子, 與脈沖寬度Tm (1/Tf ) 是一個數(shù)量級。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時脈沖就會相應(yīng)滯后一個時延。圖2-2 給出了上述四種調(diào)制方法的信號波形圖,對這四種調(diào)制方式給出了一個比較直觀的描述。除了這些對脈沖的調(diào)制方法外,用偽隨機碼或偽隨機噪聲(PN) 對數(shù)據(jù)符號進行編碼以得到所產(chǎn)生信號的頻譜時,根據(jù)編碼的不同即擴頻和多址技術(shù)不同,超寬帶系統(tǒng)又被分為跳時的超寬帶系統(tǒng)(TH - UWB) 、直擴的超寬帶系統(tǒng)(DS - UWB) 、跳頻的

11、超寬帶系統(tǒng)(FH - UWB) 和基帶多載波超寬帶系統(tǒng)(MC - UWB) 等。圖2-2 不同調(diào)制方式的信號波形2.3  UWB 技術(shù)特點 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:(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng),這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。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)送信號功率密度控制得很低,也可以實現(xiàn)高的信息速

12、率。一般情況下,其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百Mbps1Gbps。(3)多徑分辨能力強。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,窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達1030dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號的衰落最多不到5dB。(4)隱蔽性好。因為UWB 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)和地下進行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作

13、在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級。(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0. 010. 001 ,具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、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)時間很短,一般在0. 2

14、0ns1. 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,建立信道模型,解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù);研究新的調(diào)制技術(shù),進一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。         2.4  UWB發(fā)射機和接收機組成框圖 UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB

15、發(fā)射機比現(xiàn)有的無線發(fā)射設(shè)備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2-3所示。         圖2-3  UWB發(fā)射機組成框圖調(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)生的時延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天線輻射出去。脈沖信號產(chǎn)生電路的一個關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當(dāng)于一個濾波器。接收機與發(fā)射機類似，兩者的區(qū)別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電路，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，

16、保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。圖2-4  UWB接收機組成框圖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,最大可以提供高達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)勢非常明顯,如表1 所示?，F(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。2.6  結(jié)束語 無線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當(dāng)中,對容量不斷

17、增長的要求需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案,超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對于無線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競爭力的,隨著研究的深入,憑借多方面的優(yōu)勢,它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域,UWB 將有廣闊的發(fā)展空間。表1 幾種短距離無線通信比較IEEE802. 11aBluetoothUWB工作頻率2. 4GHz2. 4022. 48GHz3. 110. 6GHz傳輸速率54Mbps小于1Mbps大于480Mbps通信距離10m100m10m小于10m發(fā)射功率1 瓦以上1 毫瓦100毫瓦1 毫瓦以下容量空間80kbps/m230

18、kbps/m21000kbps/m2應(yīng)用范圍無線局域網(wǎng)家庭和辦公室互連近距離多媒體終端類型筆記本、臺式電腦、掌上電腦、因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)筆記本、移動電話、掌上電腦、移動設(shè)備無線電視、DVD , 高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)3 MATLAB 軟件工具介紹 3.1  MATLAB語言的概述 MATLAB是一種科學(xué)計算軟件，適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域的分析設(shè)計與復(fù)雜計算，它使用方便，輸入簡捷，運算高效且內(nèi)容豐富，很容易由用戶自行擴展。因此，它已成為大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究中最常用且必不可少的工具。MATLAB是“矩陣實驗室”（MATrix LABoratoy）的縮寫，它是一種以矩陣運算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對科學(xué)計

19、算、工程計算和繪圖的需求。與其他計算機語言相比，其特點是簡潔和智能化，適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習(xí)慣，使得編程和調(diào)試效率大大提高。它用解釋方式工作，鍵入程序立即得出結(jié)果，人機交互性能好，為科技人員所樂于接受。特別是它可適應(yīng)多種平臺，并且隨計算機硬、軟件的更新而用時升級。因而，MATLAB語言是數(shù)值計算用得最頻繁的電子信息類學(xué)科工具。它大大提高了課程教學(xué)、解題作業(yè)、分析研究的效率。3.2  MATLAB的歷史 在1980年前后，美國的Cleve Moler博士在New Mexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其他高級語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了MATLAB（MATrix

20、LABoratory，矩陣實驗室），它是集命令翻譯、科學(xué)計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過在該大學(xué)進行了幾次的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本。它是以著名的線性代數(shù)軟件包LINPACK和特征計算軟件包EISPACK中的子程序為基礎(chǔ)發(fā)展而成的一種開放型程序設(shè)計語言，其基本的數(shù)據(jù)單元是一個維數(shù)不加限制的矩陣，這就允許用戶可以根據(jù)數(shù)值計算問題的復(fù)雜程序，對問題進行分段甚至逐句編程處理，顯然這與C、FORTRAN等傳統(tǒng)高級語言完全不同。在MATLAB下，矩陣的運算變得異常的容易，后來的版本中又增添了豐富多彩的圖形圖像處理及多媒體功能，使得MATLAB的應(yīng)用范圍越來越廣泛，Moler博士等

21、一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了名為MathWorks的軟件開發(fā)公司，專門擴展并改進MATLAB。為了準(zhǔn)確地把一個控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，1990年MathWorks軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為SIMULAB，該工具很快在控制界得致函廣泛的使用。但因其名字與著名的軟件SIMULA類似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫出所需的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得MATLAB的控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面。3.3  MATLAB語言