DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真

闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真1目录摘要…………………………………………………………………………………………….....2第1章超宽带信号.............................................................................................31.1引言...............................................................................................................................31.2直接序列超宽带信号（DS-UWB）...........................................................................41.2.1DS-UWB的定义..................................................................................................41.2.2DS-UWB的特点..................................................................................................41.3课题的背景及意义.........................................................................................................4第2章DS-UWB信号产生过程的整体设计.............................................................62.1UWB无线传输系统的基本模型...................................................................................62.1.1脉冲形成技术.......................................................................................................62.1.2调制技术...............................................................................................................62.2所用仿真软件的介绍...................................................................................................................72.3UWB在无线多媒体局域网中的应…………………………………………………...7第3章DS-UWB的应用及发展前景……………………………………………..93.1UWB的应用........................................................................................................……..93.2未来趋势分析.................................................................................................................93.3UWB面临的挑战…………………………………………………………………….10第4章DS-UWB信号产生过程的MATLAB实现.................................................114.1DS-UWB信号的产生..........................................................................................…..114.1.1DS-UWB信号产生过程的算法........................................................................114.1.2DS-UWB信号产生的仿真过程......................................................…………..124.2DS-UWB系统的仿真结果分析…………………………………………………….13结论与展望.........................................................................................................17参考文献...................................................................................................…….19附录.......................................................................……………………………………………...19闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真2摘要超宽带（UltraWideband，UWB）通信系统具有通信容量大、发射功率低、抗多径干扰和电磁干扰、结构简单、保密性好等特点。已经成为短距离无线通信领域研究的热点，许多公司、研究机构和高校都投入了大量的人力和财力进行研究。本文介绍了直接序列超宽带系统的设计与实现，用MATLAB软件实现信号的发射，传输，接收过程,采用的是PAM脉冲幅度调制，并对其当前的应用和未来的发展做了相关论述。关键词：UWB，DS-UWB，PAM调制闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真3第1章超宽带信号1.1引言超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。此后，超宽带这个术语才被沿用下来。其中，fh为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fl为信号在-20dB辐射点对应的下限频率。图1给出了带宽计算示意图。可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术[1]。为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。图1.1.1信号带宽计算示意图2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。之所以用-10dB来代替原来-20dB的标准，是因为UWB信号允许的发射功率很低，其功率大小可以接近噪声的功率。在这样的情况下，-20dB很难被检测到。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1GHz～10.6GHz。为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3dBm/MHz。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真41.2直接序列超宽带信号（DS-UWB）1.2.1DS-UWB的定义直序列超宽带技术(DS-UWB)是为无线个人局域网络(WPAN)开发的,并借鉴了超宽带通讯技术的长处。目前,IEEE组织正在考虑的DS-UWB方案将使基于802.15.3a标准的设备既能提供高性能,又能为高速率的多媒体及手持设备提供低功耗和低成本的扩展能力[2]。DS-UWB设备应用将依据FCC针对美国市场而制定的超宽带规则并且与世界其它地区制定的规则基本一致,但其传输功率非常低。实际上,DS-UWB的传输水平与其它无线技术所被允许的传输水平大致相同或更低,基本上达到每MHz频谱-41.3dBm的极限。由于这一低传输极限的要求某一特定的DS-UWB设备在整个信号带宽当中当具有总共约1/10mW或-10dBm传输功耗。1.2.2DS-UWB的特点·a.它是单频带方式或窄脉冲方式，多个传输任务可共享整个频带的频率，频率利用率高；·b.对现有的、许可频带内的用户造成的干扰少，能有效抵抗多径衰落；·c.能够进行高精度定位和跟踪；·d,易于实现低功耗、低速数据流的无线传输，也可实现高速率、高QoS的多媒体业务等。1.2.3DS-UWB技术DS-UWB技术最早是由XtremeSpectrum公司提出并研制出三个芯片的套片，分别为射频模块、MAC模块和基带处理模块，后被Motorola公司旗下的Freescale半导体收购。这一技术采用的双频段脉冲无线电扩频方式，频段中不考虑5.2-5.8GHz，每一个频带用短脉冲传送，带宽超过1GHz(即脉冲无线电)，使用每符号24个码片的DS-SS调制，纠错方式采用R-S码和卷积码[3]。它有效地利用了香农理论，实现准确定位，达到较高的频谱利用率。但是在标准的实施过程中，易受当地政策对频率资源规划的限制。1.3课题的背景及意义2002年2月14日，美国联邦通信委员会修订了第15标准(Part15rules)，它是管理包括UWB设备在内的使用非授权频段的无线设备的标准。在FCC的指导下，对UWB的使用提供了在短距离(不足10米的范围)、低发射功率(平均等方向性辐射能为-41.3dBm/MHz)，闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真5其有极高的容量(几个Gbps)的要求。FCC对UWB信号的定义是UWB带宽大于500MHz(UWB带宽指-10dB带宽)，或分数带宽(即带宽与中心频率的比)大于0.20。传统的通信系统一般分数带宽都小于0.01，WCDMA系统的分数带宽约为0.02，而在UWB系统中其分数带宽等于O.2或0.25。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段3.1-10.6GHz内，以极低的功率工作。较低的带内带外发射功率限制确保了UWB设备不会对现存授权频段的设备及其他重要无线设备产生干扰。从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而UWB技术是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲对数据进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。香农理论认为，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比(SNR)的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、SNR的降低而增加。这样，对于WPAN，在发射距离较近的情况下，信号的传播损耗较小，可以通过增加信号带宽来提高系统的容量。闫朵朵：DS-UWB系统信号的产生及MATLAB仿真6第2章DS-UWB信号产生过程的整体设计2.1UWB无线传输系统的基本模型与传统的无线发射机结构相比，UWB的发射机结构相对简单，易于实现，如传统蓝牙系统是一种低功耗的无线传输技术，它的集成电路是经典的超外差电路，发射机部分包括压控振荡器、锁相环同步器、参考振荡器，因为脉冲产生器只需产生大约100m