超宽带信号的研究
超宽带信号的研究
摘要
随着美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带技术发布的初步规定及对其所作的定义，超宽带脉冲无线电技术成了民用和军用研究的热点。与传统通信技术不同的是，UWB 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。UWB 脉冲极短，直达波与多径反射、折射波，在时间上不易重叠，因此，其时间分辨率强，适合于多径分量丰富的室内无线信道传输；本文首先介绍了超宽带通信的背景及意义，分析了国内外研究现状和超宽带技术的主要研究方向，然后通过对超宽带信号的研究，引出直接序列扩频超宽带信号，通过推导并分析了DS-UWB 信号的功率谱，指出DS-UWB 信号的功率谱是由发送脉冲信号的频谱和编码频谱共同决定，并且用计算机进行仿真，证实了伪随机码周期越长，频谱越平坦。
关键词：超宽带；直接序列扩频；功率谱密度；通信技术
Study of Ultra Wide Band Signal
Abstract
With the United States Federal Communications Commission (FCC) on the ultra wide band technology released the preliminary requirements and its definition, ultra wide band impulse radio technology has become a hot spot for civil and military research.Different from traditional communication technology, UWB is a non carrier communication technology, using nanosecond and picosecond non sine wave narrow pulse data transmission, occupied a wide spectral range for in high speed, short distance wireless personal communication .The UWB pulse is very short, direct wave and multipath reflection, refraction,which is not easy to overlap in time.Therefore, its time resolution is strong, and it is suitable for the indoor wireless channel transmission with rich multipath component.This paper firstly introduces the background and significance of ultra wide band communication.The current research status and the main research direction of ultra wide band technology are analyzed. Then through the research of ultra wide band signal and direct sequence spread spectrum ultra wide band signal.By deducing and analyzing the power spectrum of the DS-UWB signal, the power spectrum of the DS-UWB signal is determined by the spectrum of the transmitted pulse signal and the coding spectrum.And using the computer simulation, it is proved that the pseudo random code cycle is longer, the spectrum is flat.
Keywords：Ultra wide band;Direct sequence spread spectrum;Power spectral density;Communication technology
目录
1 绪论 (1)
1.1 超宽带信号研究的背景及意义 (1)
1.2 超宽带技术的历史及研究现状 (2)
1.2.1 历史 (2)
1.2.2 国外研究现状 (2)
1.2.3 国内研究现状 (3)
1.2.4 超宽带技术的主要研究方向 (4)
1.3课题研究的主要内容 (5)
2 超宽带信号的研究 (6)
2.1超宽带信号的定义 (6)
2.1.1相对带宽 (6)
2.2 UWB的特点和优点 (7)
2.3 超宽带技术的主要应用 (8)
2.4 超宽带信号的分类 (9)
3 直接序列扩频超宽带信号 (10)
3.1直接序列扩频的概念 (10)
3.2直接序列扩频超宽带信号的性能分析 (11)
3.2.1高斯信号的特性 (11)
3.2.2 直接序列扩频超宽带信号的时域表达 (14)
3.2.3直接序列扩频超宽带信号的功率谱分析 (15)
3.3 系统仿真 (17)
结论 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
1 绪论
1.1 超宽带信号研究的背景及意义
众所周知，随着无线与移动通信的迅猛发展，WLAN和WPAN需求和应用也在不断增长，短距离无线与移动通信别树一帜，无线局域网、蓝牙技术以及超宽带技术等各种热点技术相继出现，均显现巨大的应用潜力。现在的短距离无线网络一般都是孤立地工作在室内家庭、办公环境或室外相对比较封闭的环境。尚没有与大型的无线广域基础设施集成，但现状有望超宽带技术的发展和突破。
超宽带（Ultra wideband,UWB）无线电技术又称脉冲无线电技术，它由De Rosa在1942年提交的随机脉冲系统的专利中首次提出[1]。20世纪60年代对时域电磁学的研究进一步促进了UWB技术的发展。从其出现到20世纪90年代之前, UWB技术主要采用其最初的脉冲通信形式,并主要应用于军事上的雷达和低截获率、低侦测率的通信系统。近年来,随着微电子器件的技术和工艺的提高, UWB技术开始应用于民用领域,并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮,被认为是下一代无线通信的革命性技术。
UWB 信号不同于传统窄带信号的特性是其信号的持续时间很短，导致巨大的瞬时带宽和低功率谱密度，由此可以实现通信系统性能的优越性和方案设计的简单性，使UWB 系统相对于传统窄带系统在密集多径环境和高媒体数据速率条件下具有明显的技术优势。
(1)高速大容量通信系统的传输速率和容量直接取决于系统带宽，在这一点上超宽带信号的优势是其它窄带通信系统难于比拟的。
(2)低功率谱密度由于UWB信号本身巨大的带宽及美国联邦通信委员会（FCC）对UWB系统的功率限制，使UWB系统相对于传统窄带系统的功率谱密度非常低，低功率谱密度使信号不易被截获，具有一定保密性，同时使对其它窄带系统的干扰可以很小。
(3)强抗多径能力信号带宽的增加，UWB 时域信号变窄，使得时间分辨率增强，接收多径反射延时信号与直达信号的时间差一般大于脉冲宽度，两信号在时域上是可分离的，因此UWB 信号具有很强的抗多径能力；同时这一特性也使接收端能方便地采用Rake 方式收集多径能量提高接收信号的信噪比。这两个优点使得超宽带信号非常适合城区以及室内密集多径环境下的高速、移动无线通信。
1.2 超宽带技术的历史及研究现状
1.2.1 历史
超宽带技术的历史渊源，最早可追溯到1895年马可尼在意大利用感应线圈和顶负荷天线实现了1.5英里(1.609公里)的火花放电式莫尔斯电报试验，该试验系统符合超宽带无线电这个词的含义；1942年，Louis de Rosa提交了两项脉冲技术的专利申请1945年，Conrad H. Hoeppner提出的有关脉冲通信技术的专利申请获得批准；60年代中后期，美国斯伯利电子研究中心的Gerald Ross博士和Henning Harmuth为脉冲通信技术的发展做出了很大的贡献，他们研究了脉冲传输系统的主要部件和脉冲收发信机的设计，主要集中在脉冲的产生和检测技术；1974年，Moray申请了一个能探测地下地貌的雷达系统的发明专利，该系统采用脉冲超宽带技术，这项专利后来被推广应用在商用领域；1978年，Ross GF博士以“时域电磁学及应用”为标题对脉冲超宽带技术作了比较全面的论述，内容涉及了超宽号的产生和处理技术、时域特征分析技术、天线技术以及在雷达上的应用等从80年代开始，时域电磁学的研究成果开始被应用于无线通信，特别是在密径环境下的短程通信。现代超宽带通信的应用开始于1993年美国南加州大学Scholtz教授提出的超宽带多址通信概念。90年代初，超宽带技术引到了美国军密切关注，开始斥巨资资助超宽带技术的研究。主要研究军用电台和无线组目标是建立保密性好的通信、定位一体化的移动网络。
1.2.2 国外研究现状
本世纪以来，国外很多研究机构和高校纷纷对超宽带技术展开了全面的研究。2001年5月，美国南加州大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院从美国国防部申请到了短距离超宽带通信系统的创新性研究项目。美国国防部高级研究计划局委托佐治亚理工学院的移动和便携无线电研究组，展开了超宽带Ad-Hoc（特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，即点对点）网络节点在恶劣环境下的可靠性和稳定性研究[2]。美国罗格斯大学的WINLAB实验室在其申请到的超宽带项目中，主要研究超宽带系统建模、信道建模、调制和解调算法、信号的定时和同步算法以及物理层和数据链路层收发芯片的设计。2002~2004年，加州圣地亚哥大学无线通信研究中心开展了对超宽带技术通信和定位的研究，研究超宽带技术如何能更快、更方便、更安全地应用于计算机之间通信。美
国奥斯汀大学超宽带研究与工程中心研究了超宽带系统与全球定位系统的兼容性问题。美国斯坦福大学还建立了通信试验网，测试超宽带系统对全球定位系统的干扰。芬兰奥卢大学无线通信研究中心启动了超宽带研究项目，主要研究超宽带系统与GSM、UMTS、GPS等系统的共存性问题，并研制出了自组织无线个域网的通用平台，该通用平台具有精确的室内定位能力。目前，亚洲国家中国、以色列、日本、韩国和新加坡也开展了超宽带技术的相关研究，正在积极争取制定超宽带无线电技术的国际标准。国外研究机构在超宽带通信理论研究方面取得了长足的进步，研究了超宽带通信技术与常规无线通信技术(如窄带系统、GSM系统、GPS系统和WCDMA系统等)的共存性、脉冲超宽带的多用户检测、脉冲超宽带信道估计、最佳接收机、脉冲超宽带的ad-hoc网络、和脉冲超宽带功率谱等方面的问题。超宽带通信的研究从最初以脉冲为主导，发展到脉冲与多种超宽带通信技术并存。在脉冲超宽带方面，脉冲从最初的高斯系列脉冲发展到多种脉冲并存；在调制技术方面，从最初提出的脉冲位置调制发展到多种调制方式并存。
1.2.3 国内研究现状
国内的研究机构也纷纷开展了超宽带技术的研究工作，目前，已有多个大学的研究项目得到了国家自然科学基金和863重大项目的支持，涌现一大批研究成果。其中东南大学、清华大学、中国科技大学提出了不同的宽带短距离高速通信的技术方案，提交了有实用价值的发明专利，搭建了超宽带系统的演示平台。东南大学超宽带课题组自2000年开始，率先在国内开展了超宽带通信技术的研究，并在超宽带技术领域获得多项国家专利，其提出的DC-OFDM高速超宽带系统方案，成为我国国内第一套自主研制的、完整的、经过硬件实验系统验证的高速超宽带物理层通信系统方案，其设计的传输速率可大于480Mbps，在数字家庭和办公室高速无线网络，信息家电和无线多媒体通信等领域有广泛的应用前景。该方案可作为我国的超宽带通信国家标准物理层的备选方案，对实现我国超宽带技术的产业化、标准化，具有重要的意义。2007年，国家863计划又启动了高速超宽带芯片研发的新项目，开发我国有自主知识产权的超宽带芯片。中国科大无线网络通信安徽省重点实验室与同年承担了国家“863”计划课题“超宽带soc芯片设计及组网试验”。经过3年的努力，课题组完成了超宽带集成技术研究和关键专用集成电路芯片开发，实现了超宽带无线接入与互联的组网应用示范。这是脉冲超宽带技术走向工程实现的一个重要突破。国内企业看到了超宽带技术的市场前景，也积极参与超宽
带技术的研发，华为技术有限公司已经成功开发出了基于超宽带技术的视频传输演示系统和无线USB等。超宽带技术正逐步走向实用化、商业化阶段。
注:RFID(Radio Frequency Identification的)，即射频识别，俗称电子标签。毕光国，我国超宽带通信技术研究的先行者。他领导东南大学超宽带通信课题组率先在国内进行了超宽带通信技术的研究，并获多项国家专利。在国家“863”计划的资助下，提出了我国第一套自主设计研制成功的高速超宽带通信物理层方案，他指出高速UWB的传输速率目前可达100Mbps~1Gbps，传输距离可达10~20米，属于高速短距离传输；中低速UWB 传输速率一般在1Mbps以下，最高不超过30Mbps，传输距离可达100米以上，甚至几公里，属于中低速中短距离传输。其中，高速UWB应用标准的传输速率可达480Mbps，目前实际已可达到1Gbps，正在开发2Gbps的速率，并将进一步发展到5~6Gbps，预计在5~6年内，能够达到10Gbps~40Gbps。
1.2.4 超宽带技术的主要研究方向
目前国内外UWB通信技术研究主要集中在以下几个方向上：信号传播特性的研究与信道建模；UWB同其他通信系统的相互干扰；超宽带天线的设计；脉冲形状、脉冲产生电路和脉冲修形电路与天线的联合设计与优化；调制方式与伪随机码的选择；接收机的设计；MAC层的设计与优化等。超宽带无线电在极大的吸引力的背后,隐藏着许多极具挑战性的研究课题,超宽带无线电未来的研究方向主要有以下几个方面：
(1) 建立时域内的超宽带无线电发射器的模型,考虑天线的紧凑型、低电压、集成化、天线的辐射效率、全向天线和定向天线的选择、极化分集和TE /TM模式的结合等。常规的天线设计是根据天线的传输函数从频域来解决,而超宽带无线电的天线最好从时域的角度考虑。
(2) 研究超宽带信号的产生和基本功能的优化。包括脉冲波形的选择,冲激脉冲波形形状的控制,极性的控制,时间位置和重复速率的控制。这些因素都会严重影响超宽带无线电系统的性能。产生波形通常采用雪崩二极管、隧道二极管和水银开关等方法,但由于寄生现象会影响波形的形状。
(3) 研究低电平超宽带无线电信号集合而造成的干扰,超宽带无线电与常规无线电相互之间的干扰在理论上和实践上都没有完全弄清楚。有效平衡功率和通信范围的关系,仿真结果表明在理论上能够有效的平衡,但还需要现场实验来验证。
(4) 研究用于超宽带无线电的跳时码的设计。跳时码序列的快速同步捕获与跟踪,应用于超宽带无线电的跳时码设计具有其特殊性，同时，超短脉冲使得同步捕获与跟踪更加困难，并且同步捕获的时间较长。研究超宽带无线电快速同步捕获和跟踪将是一项艰巨的任务。
(5) 研究移动Adhoc网络协议和路由协议，实现分布式的网络结构、盲捕获和自配置功能。研究适用于超宽带无线电技术的类似于“蓝牙”系统的组网协议。
(6) 研究基于超宽带无线电传输技术的无线IP协议。
(7) 研究提高超宽带无线电传输范围、数据传输速率、定位精度和更长的电源使用寿命。
(8) 研究超宽带无线电的测试技术,包括传输信道的测试、信道模型等。
1.3课题研究的主要内容
本课题主要是对超宽带信号进行研究，并进一步了解研究直接序列扩频超宽带信号。通过对直接序列扩频超宽带信号的功率谱推导和分析，实现在MATLAB7.0环境下编程、运行、仿真，从而为直接序列扩频超宽带信号的性能分析提供依据。因此了解超宽带信号，明白高斯形脉冲和直接序列扩频是我们学习理解超宽带信号的基础。
本课题的研究主要分为以下几个方面，描述如下：
第一章为绪论，首先介绍了超宽带信号研究背景及意义，其次是它的历史及国内外研究现状，最后对论文的主要内容进行说明。
第二章主要介绍了超宽带信号的定义和其优点并介绍了其主要应用。
第三章主要介绍了直接序列扩频超宽带信号的性能分析。利用MATLAB7.0为开发环境对程序进行模拟仿真，采用程序流程图对函数的运行进行详细的介绍，得到运行结果，最后对全文进行了总结，并对进一步的研究工作提出了建议。
2 超宽带信号的研究
2.1超宽带信号的定义
2.1.1相对带宽
关于超宽带信号最普遍的定义源自UWB 雷达系统，是指相对能量带宽超过0.20~0.25的电磁波波形，为了能够对UWB 的定义有更加深刻的理解，首先需要先了解波形能量带宽。能量带宽由频率
f L 和f H 决定，如果一个波形小于10%的能量不在该频率的范围内，则能量带宽为
f f L H -[3]。
图2.1超宽带信号的能量带宽
通过图2.1可以更好的了解能量带宽的概念，如果能量功率谱密度的下限频率和上限频率分别用f L 和f H 表示，那么中心频率就可以表示为()2/f f L H +。所以相对带
宽即为能量带宽和中心频率的比值[4]。
因此如果一个信号的3dB 绝对带宽大于500 MHz 或分数带宽大于20% ，那么这个信号就是超宽带信号[5]。这个定义使超宽带信号不再限定于脉冲发射,相对带宽f f
（或
分数带宽）定义为
()()[]2/f f
f f f L H L H f +-= (2-1) 式中：f H 为功率谱的最高频率, f L 为功率谱的最低频率。()2f f L H +为功率谱
的中心频率。因此，分数带宽被定义为总带宽和中心频率的比值。
2.2 UWB 的特点和优点
(1)共同分享频谱资料
UWB 技术是一种全新的、可以与其它系统共同分享使用频谱的技术。它的使用频谱可以从3.1GHz 到10.6GHz ，可拥有7500MHz 的宽度，并且它的频段不需要按照特有的方式划分。与此同时，通过限制发射功率(EIRP 小于等于- 41. 3dBm /MHz ) ，这样， UWB 也能够避免对其它的系统造成干扰[6]。这样的频谱使用方式，是拥有非常重要的意义，特别是在频谱资源非常紧张的今天，这也是UWB 受到广泛关注的主要原因之一。拥有极宽的频谱和极低的发射功率，也使UWB 系统具有更高的传输速率，相对简单的系统、超低的成本和功耗等优点。
(2)简单系统、高传输速率，低成本，低功耗
一方面，应用超宽带的优点，UWB 通信传输速率可以超过1Gbps 。并且过去的无线通信系统，遭到频带较窄的限制，必须利用高阶调制等方式使得频谱能够达到更佳的使用率，这样才能够取得超过100Mbps 的快传输速率。这就在对信噪比提出了很高的条件的同时也使得系统的复杂度得到了提升。而且因为UWB 系统的宽频带，即便传输速率超过1Gbps 时，所需的信噪比依旧不那么高，这就既使得系统变得较为简单，又降低了系统的成本和功耗。
另一方面， 由于UWB 的发射功率面临严苛的制约，那么频带宽度为1500MHz 的UWB 系统，它的发射功率就应该小于等于- 9. 54dBm ，因此UWB 系统拥有低的功率损耗的特点在信号发射上。
但是，如果对UWB 通信选取固有的基带窄脉冲方式，那么会因为不需要对载波进行解调和调制，还将进一步降低系统的成本和功耗。与此同时，和以前通信中的大功率脉冲和雷达相比，低功率的脉冲更容易产生，实现起来成本也更低。
(3)衰减小，穿透力强
UWB信号选取基带窄脉冲的方式，与普通无线通信信号不同，它是利用正弦载波夹带信息，从而使其在空间中的衰减特性产生区别。由天线发射的正弦电磁波在自由空间中的衰减和距离的平方成反比, 它是一种球面波，在室内多径信道前提条件下，衰减和距离的3~4次方成反比[7]。而具有较强的定向性且具有适当波形的UWB瞬态脉冲，它的衰减与距离成反比或更小[8]。所以，在功率相同的情况下，采用一般的调制载波的信号比基带窄脉冲形式的UWB信号能传输的距离近。此外，由于有较多的低频分量在基带窄脉冲中，所以无论在室内传播还是在室外传播的时候它可以对树木、墙壁等障碍物的有一定的穿透能力，这种特点为UWB技术在透视成像及在室内环境下的多种应用提供了便利。
(4)高精度定位
信号的定位精度由其带宽直接确定。UWB信号的带宽一般超过500MHz，比一般的无线通信信号都要高，所以，它能够实现更高的的定位精度。因为基带窄脉冲形式的信号带宽通常在数GHz，所以厘米量级是其定位精度[8]。
2.3 超宽带技术的主要应用
与常规的窄带无线通信系统相比，超宽带通信系统拥有很多优点，例如：空间频谱效率高、信号衰减小，穿透力、传输速率高、定位精度高、体积小功耗低等，因此超宽带技术可以应用于智能交通、无线多媒体局域网、雷达定位等系统。并且它可以涉及到军事、公安、救援、医疗、测量等各个领域。
(1) 为了确保可以提供高质量的多媒体业务的无线网络，各种多媒体设备通常希望能够使用数十兆甚至更高的的数据速率。从信号传播的角度考虑，由于多径影响的消除，而使超宽带无线电可传输高速率数据[9]。所以，目前能够符合这种要求的最合适的技术之一就是超宽带技术。
(2)由于超宽带系统能同时具有无线和定位这两个功能，所以它可以应用于传感器网络、库存盘点、人员监护与救生、消防、公共安全及智能交通系统中，为汽车防撞系统、测速、监视系统、智能收费系统等提供低成本、高性能的解决方案。
(3)采用基带脉冲方式的超宽带系统，具有较强的穿透阻碍物的能力，它能够穿透墙壁树干等阻碍物，在军事、勘探、安全等领域具有很大的应用潜力。
(4)利用超宽带信号保密性高、定位能力强和体积小的优点，可以把超宽带信号应用于军事领域，用于谍报收集、侦探、武器制导等。
2.4 超宽带信号的分类
根据传输技术不同分为两类：
(1)脉冲超宽带
指采用时域上很短的冲击脉冲作为信息载体，信息数据符号通过对窄脉冲(脉冲宽度通常在纳秒级)进行调制，以获得非常宽的带宽[10]。
a. 调制方式：
①脉冲位置调制(PPM)
②脉冲幅度调制(PAM)
b.扩频方式：
①跳时扩频(TH-SS time hopping spread spectrum )
②直接序列扩频(DS-SS direct sequence spread spectrum )
(2)多频带超宽带
3 直接序列扩频超宽带信号
3.1直接序列扩频的概念
直接序列扩频就是在发射端直接利用高码片速率的扩频码序列扩展发送信号的频谱[10]。然后在接收端，用相同的扩频码序列相乘解扩，恢复出原始的发送信息。
在发射端，欲传输的基带信号与一个码片速率很高的伪随机码进行时域相乘，其输出为一个频谱带宽被扩展的扩频码流，然后将此扩频码流变换为射频信号发射出去，在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，它与本地的伪随机码进行时域相乘，得到解扩信号，经信息解调器恢复成原始数字信号，只有当()()t c t c '=时，才能进行正确的解扩和解码[10]。
图3.1直接序列扩频
图3.2 DS 系统各点的波形
（a ）发射部分
（b ）接收部分
3.2直接序列扩频超宽带信号的性能分析
3.2.1高斯信号的特性
多址通信UWB 信号主要有高斯形脉冲、方波脉冲、正交椭圆波函数等载体。因为高斯形脉冲和单周正弦波相似，频谱结构中有较弱的直流以及近似直流的频谱，这样能使狭小的脉冲信号更好的传输，使其接收端能够更容易的进行有关检查和鉴别[11]。
基本高斯脉冲可以表示为
()()e K y t t g τ-=211 (3.1)
其中：τ为时间因数，K 1是常数，- ∞< t < ∞。
将基本高斯函数进行一阶微分可得到高斯单周期脉冲，将基本高斯函数进行二阶微分可得到高斯二阶脉冲。且可以用下面的式子表示：
()()()e K y t t t g ττ--=22222 (3.2)
()()[]()e t K y t t g τττ--=2222332-1/2 (3.3)
上式中：τ为时间因数，K 2，K 3是常数，- ∞< t < ∞。()()()t t t y y y
g g g 321,,进
行傅立叶变换后可得到其频域：
()(){}()()e K e K y Y f dt e t t F t ft j g g πτπττπ--2
221111===-?∞
∞- (3.4) ()()()
e K Y
f f j f
g πτππτ-2222= (3.5)
()()()e f j K Y f f g πτπτπ-2
2233= (3.6)
下图给出τ=50ps 时各阶高斯脉冲的频域图
图3.3各阶高斯脉冲的频域图
其函数的程序流程图为如下：
图3.4各阶高斯脉冲频域程序流程图
下图给出τ=50ps时各阶高斯脉冲的时域图
图3.5各阶高斯脉冲的时域图
图3.6各阶高斯脉冲时域程序流程图
通过式3.4~3.6可以计算出信号带宽。以上图为例，基本高斯函数的带宽为5.3GHz ，高斯单周期脉冲函数的带宽为7.21GHz ，高斯二阶脉冲函数的带宽为7.35GHz 。中心频率是3-10GHz ，由此可以得到分数频率超过20%，是UWB 信号。所以可以根据系统设计的不同需求，选择合适阶次的高斯信号。
3.2.2 直接序列扩频超宽带信号的时域表达
根据UWB 信号多址接入方式的不同，可以分为基于频分复用的时分复用(TDMA-UWB)、正交频分复用(OFDM-UWB)和基于码分复用的跳时码分复用(TH-UWB)、直接序列扩频(DS-UWB)等。在这里对DS-UWB 信号进行分析讨论。通过下面的过程可以产生具有UWB 特性的信号：首先，对要发射的二进制序列用二进制PN 码序列或伪随机码进行编码；其次，可以对一串窄脉冲进行幅度的调制。这一过程可以看作是一种极端方式用来使用DS-SS 系统，此时在时域上的脉冲是方波或具有典型时间T c 的奈奎斯特型脉冲。让切普间隔远远大于脉冲宽度，能使DS-SS-UWB 的解析表达式很容易被得到。在以往的DS-SS 系统中，对载波进行幅度调制时使用二进制相移监控BPSK 方式后可以得到RF 发射信号。如果没有特别的要求，在DS-UWB 中，这一过程可以被省略。更详尽的直接序列扩频超宽带信号可以由图3.7中给出的方式产生。假设待传数据的二进制序列为b ，b 的传送速率()s bit T R b b 1
=。且),,,,,,(110 b b b b k k b +=，其中{} 1-1 ，
∈b k 。图3.7中的第一个系统将每个比特重复次，进行重复编码后可形成新的序列),,,,,,,,,,,,(),,,,,(11100010 b b b b b b b b a a a k k k a ==，那么速率为
R N R b s a ?=，PN 序列),,,,,(10 c c c k c =是伪随机序列，它的重复周期也是[12]。
由图可得c a d ?=，这里主要求的是内积，c a d j
j j =，速率为T s /1，{}1,1-∈d j 。其中。当序列d 进入脉冲形成后可以变成冲击序列。也就是Difac 脉冲序列，它可以通过冲击响应是()t p 的发送脉冲形成滤波器，并将输出信号s(t)发出信道。那么
()()T d s j j j t p t s -=
∑+∞
∞=- (3.7)
图3.7直接序列扩频超宽带信号传输图
3.2.3直接序列扩频超宽带信号的功率谱分析
显而易见，式(3.7)所示的信号并不是广义平稳的，但是可以通过加上一个随机相位θ，θ在[0,T s ]上服从均匀分布并且与d 相独立，这使信号相位的不确定性进一步加强。这时
可以将DS-UWB 的随机过程写为：
()()θθ+-=
+∑+∞-∞=T d s j j j t p t s (3.8)
要计算出上式的功率谱密度，首先要计算自相关函数s(t)，然后再计算自相关函数的傅式变换得到。
式(3.8)的自相关函数为
()()()()θτθθτθ+-++-=+++∑∑+∞-∞=+∞-∞=T p T d d s s s h h h k h t k t p t t s ***
(3.9)
上式中：< ˙>表示的是内积，b *表示b 的共轭。因为θ与d 相互独立，所以：
()()()()[
]∑∑∞+-∞=∞+-∞=+++-++-?=+++k s s m m k k T p T d d s m k t k t p t t s θτθθτθ***
(3.10)
上(3.10)式中序列d 的自相关函数)(m R d 为等号右侧的第一项，因为θ是均匀分布
的，所以第二项是：
()(
)()()()()()()ξξτξξξτξθθτθθτθd m p d m T T p d m k t T k t p m k t k t p T p T T p T T T p T T T T p T s s s h t h t k s s s s
k s k s s s s s s -+=-+=+--++-=+--++-?
?
∑?∑∑∞
+∞-+++∞+-∞=∞+-∞
=+∞-∞
=**)1(*0*
/1/1/1 (3.11)
又因为(3.10)可以表示为
()()()()()ξξτξθτθd m p m t t s T p R T s s m d s -+=+++?∑∞+∞-∞+∞=*-*
/1
(3.12)
式(3.12)中后一项中的积分项是p(t)的自相关函数，由于式（3.8）所示的随机过程是广义平稳的。且上式与时间t 无关，所以要想得到功率谱密度只需要对式（3.12）做傅式变换即可。
()()()()f T m f P T f P e R T f p P c s fm j m d s DS s //)(2
22==-+∞
-∞=∑π (3.13) 式中：将p(t)进行傅立叶变换后得到P(f)，d 的自相关函数的离散时间傅氏变换用编码频谱密度)(f P c 表示，又因为)(m R d 是偶函数，所以能够推导出：
()()()()()T R R e R P s m d d fm j m d c fm m T m f s ππ2cos 2012∑∑∞
=-+∞-∞=+== (3.14) 从式(3.13)可以看出，发送脉冲信号的频谱P(f)和编码频谱决定了DS-UWB 信号的频谱。将待发送信号a 和伪随机序列(PN 序列)c 求内积，即可得到序列d ，而)(m R d 是序列d
的自相关函数，因此，PN 码的循环周期N s 越短，d 的相关性就越强，那么P c 中的非0
离散谱线就越多；反之，N s 越长，d 的相关性越弱，P c 的非0离散谱线就越少[13]。如
果N s 为无限接近无穷大时，即序列d 信号不相关，则在m 不为0时，0)(=m R d ；这时P c
就和f 无关，P(t)的性质完全决定了DS-UWB 信号的频谱。增大N s 的值能够减弱功率谱
中的离散谱线，但也会增大信号的冗余，从而使传输率下降，所以N s 的值不能过大。
3.3 系统仿真
要想利用计算机仿真计算DS-UWB 信号的功率谱密度，可以将其分为两个部分：
(1)编写程序产生DS-UWB 信号，在此程序中共包含了三个步骤：
①包含了要产生的UWB 信号的所有参数特性：如输出信号的抽样频率；二进制源比特数；DS 码的周期等。
②包含发射链路模块的仿真命令，此时需要注意去掉由卷积产生的多余的比特。 ③包含产生图形输出的程序代码。
利用上述程序可以产生信号u 0，
产生信号u 0的命令是通过式(3.7)得出的。 (2)编写程序产生信号的功率谱密度
上面命令的输出存储在矢量u 0中，代表着待检验的信号。这个信号的每比特发射
脉冲数为10==N N s p ，脉冲形状为二阶高斯微分。
通过利用式(3.14)可以分析信号u 0的频域特性。
并将上述得到的输出存储起来，表示信号u 0的功率谱密度，其输出如图：
图3.8 DS-UWB 信号u 0的功率谱密度（N s =10）
超宽带天线的研究与设计
超宽带天线的研究与设计 李庆娅李晰唐鸿燊 摘要：本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。 关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性 Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed. It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground. The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz. Also, it has good radiation characteristics. Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved. Key word s: Ultra-wideband antenna; differential antenna; band-notch characteristics 1 引言 近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a 和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。 在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。 本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。 2 天线设计 本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。
超宽带UWB无线通信技术
超宽带（UWB）无线通信技术 摘要本文介绍了UWB的概念、主要技术特点，并把UWB与目前较为广泛使用的IEEE802.11、Bluetooth等短距离无线通信技术进行了比较，最后对UWB的应用前景进行了分析与展望。 UWB（Ultra Wide Band，超宽带）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术。这种原来专属军方使用的技术随着2002年2月美国联邦通信委员会（FCC）正式批准民用而备受世人的关注。UWB具有一系列优良独特的技术特性，是一种极具竞争力的短距无线传输技术。 1、UWB的概念 超宽带技术UWB（Ultra Wideband）是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而是利用纳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和宽带，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。 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（几十纳秒）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。 2、UWB的主要技术特点 UWB是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB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，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。 UWB具有以下特点： 2.1抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。 2.2传输速率高
超宽带(UWB)信号的时频特性
超宽带（UWB ）信号的时频特性1 孙超，周正 摘 要：由于超宽带（UWB ）信号属于非平稳信号，其时频特征更能反映信号的本质属性。为了研究UWB 信号的特征，首先介绍了目前常用的三种UWB 信号的调制方式，然后提出使用时频分析的方法对UWB 信号进行分析，使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换（STFT ）对采用不同调制方式生成的UWB 信号进行分析，并且根据不同UWB 信号各自的特点，结合仿真结果从时域和频域联合特征的角度对UWB 信号进行了新的认识，并提出需要进一步进行研究的问题。 关键词：超宽带；时频分析；短时傅立叶变换 美国联邦通信委员会（FCC ）对超宽带（UWB ）无线系统的定义是分数带宽大于20％或者10dB 带宽大于500MHz [1]。 自从2002年FCC 开放3.1～10.6GHz 频带给UWB 设备使用之后，就掀起了UWB 技术用于民用高速率、低功耗通信设备的研究热潮，新的技术、新的产品不断涌现。目前UWB 的调制方式主要有PPM ，P AM ，DS －UWB ，MB －OFDM 等，由于新的调制方式的使用，如何分析不同调制方式下的UWB 信号成为人们目前面临的新问题。由于UWB 信号的生成方式与传统的窄带信号不同，是典型的非平稳信号，目前建立在使用传统的傅立叶分析方法分析信号的手段无法完全确定UWB 信号的特征，需要采用新的分析方法以达到正确认识UWB 的目的。 本文使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换分析3种常见的UWB 信号，从时频域的角度对UWB 的特征进行分析。 1、UWB 信号的生成[2] 产生UWB 信号最常用和最传统的方法是在非常短的时间内发射脉冲信号，这种方式被称为冲击无线电（Impulse Radio ，IR ）。常用的调制方式包括脉冲位置调制（PPM ）和脉冲幅度调制（P AM ），并且为了控制生成信号的频谱，数据符号编码需要进行伪随机化或者伪噪声化。此外，UWB 信号的调制方式还包括引入时间抖动的跳时（TH ）调制方式直接序列扩频（DSSS ）调制方式。根据FCC 关于UWB 信号的定义，可以将7.5GHz 的带宽分成14个子信道，其中每个子信道带宽为528MHz ，采用OFDM 调制方式，称为MB －OFDM 调制方式。本文将分析TH －PPM 、DS －P AM 和MB －OFDM 信号的时频特性，根据参考文献2，TH －PPM －UWB 信号的生成表达式为： ∑+∞ ?∞=???= j j j s a jT t p t s )()(εη （1） 其中p （t ）表示发射的脉冲波形，T s 为一个码元的周期，ηj 为跳时码序列，a j 为待传输的信息，取值为0或1，ε为脉冲偏移时间。 P AM －DS －UWB 信号生成形式为 -1- 1本课题得到国家自然科学基金项目（60372097；60432040；60572158；60572020）、北京市自然科学基金项目（4052021）、教育部博士点专项基金项目（20060013008）和韩国仁荷（UWB-ITRC ）合作项目的资助。 北京邮电大学无线网络实验室，北京（100876） E-mail ：zzhou@https://www.sodocs.net/doc/516701688.html,
用MATLAB建模实现信号的调制解调(DOC)
用MATLAB 建模实现信号的调制解调 1. 实验要求 用MATLAB 的调制解调建模实现信号的调制解调过程，需要文字报告、波形图。 （本文选用AM 、FM 调制进行仿真分析） 2. 实验原理 2.1 AM 调制解调的原理 2.1.1 AM 调制信号的产生 标准调幅（AM ）是指用信号m(t)去控制载波c(t)的振幅，是已调信号的包络按照m(t)的规律线性变化的过程，u(t)=(A0+a*m(t))*c(t)。调制过程如图2.1所示。 图2.1 AM 调制模型 2.1.2 AM 的解调 调制的逆过程叫解调，调制是一个频谱搬移过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。解调就是从已调信号的频谱中，将位于载频的信号频谱搬移回来。调制和解调都完成频谱搬移，各种调幅都是利用乘法器实现的，因此可以设想，在收端也可以利用乘法器进行解调[1]。已调信号u(t)乘以本地载波c(t),再通过低通滤波器得到解调信号dem(t)=u(t)*c(t)。如图所示，解调后dem(t)=A0/2+m(t)/2，所以在解调后要重新缩放。另一种解调方法，包络解调由于包络检波器电路简单，检波效率高，几乎所有调幅（AM ）式接收机都采用这种电路，如图2.3所示为包络检波模型。在MATLAB 中我们使用hilbert()函数找出已调信号包络dem(t) A0+m(t)。找出包络后也要重新缩放，最终解调出基带信号m(t)。 c(t) A0 m(t) u(t)
相干解调模型 2.2 FM 调制解调的原理 2.2.1 FM 调制信号的产生 角度调制是频率调制和相位调制的总称。角度调制是使正弦载波信号的角度随着基带调制信号的幅度变化而改变。 调频信号可以被看作调制信号在调制前先积分的调相信号。这意味着先对m(t)积分，再将结果作为调相器的输入即可得到调频信号。相反，先微分m(t)，再将结果作为调频器的输入也可得到调相信号。在模拟蜂窝移动通信中，调频是更为普遍应用的角度调制，这是因为FM 不管信号的幅度如何，抗干扰能力都很强，而在调幅中，正如前面所说的那样，抗干扰能力要弱得多[10]。 有两种基本的方法来产生调频信号：直接法和间接法。在直接法中，载波的频率直接随着输入的调制信号的变化而改变。在间接法中，先用平衡调制器产生一个窄带调频信号，然后通过倍频的方式把载波频率提高到需要的水平。 非线形调制要完成频谱的搬移但是他所形成的信号频谱不再保持原来基带频谱的结构，也就是说已调信号频谱与基带信号频谱存在着非线形关系，而解调正是从已调波中不失真地检出调制信号的过程。频率调频制：是瞬时频率偏移随基带信号成比例变化的调制[5]。 =dt t d ) (?) (t m K F (2-1) ?∞ -=t F d m K t τ τ?)()( (2-2) FM 公式： []?∞ -+=t F c m d m K t w A t S τ τ)(cos )( t A t m m m ωcos )(= ?? ????+=t A K t A m m m F c ωωωs i n c o s (2-3) dem(t) c(t) LPF u(t)
超宽带技术的应用与发展解析
超宽带技术的应用与发展 一、引言 随着计算机通信技术的不断发展，无线传输技术得到了广泛的应用，而超带宽（UWB）技术作为一种新型短距离高速无线通信技术正占据主导地位，超带宽技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于1.5GHz的无线发射方案，超带宽技术在2002年以前主要应用于雷达和遥感等军事领域，UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术具有以下优势：易于与现有的窄带系统（如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等）公用频段，大大提高了频谱利用率。易于实现多用户的短距离高速数据通信；目前，UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用正在不断发展。 二超宽带技术的特点应用 1、超宽带技术解决了困扰无线技术多年的有关传播方面的问题，如发射信号功率谱密度低、低截获大问题，具有对信道衰落不敏感的问题，又具有能力、系统复杂程度低、能提供厘米级的定位精度等优点；它在无线局域网、城域网和个人局域网的应用中，可提供低功耗、超带宽及相对简捷的通信技术，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，可实现ＰＣ与移动设备、消费电子等信息终端的小范围智能化互联，从而组建个人化的办公或家用信息化网络。超带宽（ＵＷＢ）无线通信技术以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特点成为最具有竞争力的ＷＰＡＮ实现技术，并已成功应用于多个方面。 ２、超宽带技术特点 （１）体积小、成本低、系统结构实现简单、 ＵＷＢ不使用载波，直接发射脉冲序列，不需要传统收发器所需要的上、下变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此ＵＷＢ设备集成更为简化。脉冲发射机和接收机前端可集成在一个芯片上，再加上时间基和一个微控制器，就可构成一部超宽带通信设备。 （２）传输速率高数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。为确保提供高质量的多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低于５０Ｍｂｉｔ／ｓ。在用商品中，一般要求ＵＷＢ信号的传输范围为１０ｍ以内，
超宽带信号的光学产生方法以及应用
封装、检测与设备 Package ，櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 Test and Equipment DOI ：10.3969/j.issn.1003－353x.2011.09.016 September 2011 Semiconductor Technology Vol.36No.9 719 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61077046）；吉林大学基本科研业务费资助项目（200903084）超宽带信号的光学产生方法以及应用 李沫，董玮 （吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春130012）摘要：为了实现跨越不同网络的无间断服务和随时随地的高速率数据接入，提出了采用光学 方法产生超宽带信号的技术，该技术的采用避免了额外的电光或者光电转换，节省了系统资源，有益于全光网络的形成。基于国内外的诸多研究成果，首先对利用光学方法产生超宽带信号的技术方案进行了认知与分析，在此基础上，以元器件为分类标准归纳总结出三类在光领域中产生超宽带信号的方法；然后结合实例对超宽带信号进行了应用分析，证明了超宽带信号的实用性与优越性；最后指出了超宽带系统未来的发展趋势以及存在的问题。 关键词：超宽带；色散设备；光学频率鉴别器；半导体光放大器；保偏光纤中图分类号：TN929.11文献标识码：A 文章编号：1003－353X （2011）09－0719－07 Optical Generation Methods and Applications of UWB Signals Li Mo ，Dong Wei （State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics Jilin University Test Region ，College of Electronic Science and Engineering ，Jilin University ，Changchun 130012，China ） Abstract ：In order to realize the continuous service across different network and high-speed data access of anywhere and anytime ，the technology of optical methods to generate UWB （ultra-wide band ）signals was proposed.With this technology ，the extra electro-optical or photoelectric conversion was avoid ，the system resources were saved and it was beneficial to form the all-optical network.Based on many research at home and abroad ，the technology using optical methods for UWB signal generation was analyzed.On this basis ，with components for classification standard ，the three methods that generate UWB signals in optical areas were summed up.The application of UWB signal was analyzed with examples.The practicability and advantages were proved.The future development of UWB systems and problems were pointed out. Key words ：ultra-wide band （UWB ）；dispersion equipment ；optical frequency discriminator ；semiconductor optical amplifier （SOA ）；polarization maintaining fiber （PMF ） EEACC ：6260 0引言 超宽带（UWB ）技术是近些年新兴起的一种脉冲通信技术，它具有传输速率高、多径分辨能力强、抗干扰性能强、带宽极宽、功耗低、定位精 准、保密性好等优点 ［1－3］ 。由于超宽带信号的无线传输距离短，常局限于几米到几十米。为了增加信 号的覆盖范围，使其能在光纤中传送，在光领域中产生超宽带信号而不需要额外的电光或光电转换是很有必要的。本文主要针对国内外的发展状况，归纳总结在光领域中产生超宽带信号的方法。 1超宽带信号的光学产生方法 UWB 是指系统的频带宽度（10dB 带宽）与 中心频率之比大于20%或者带宽大于500MHz 的通
一种超宽带天线的设计与研究毕业设计论文
摘要 超宽带天线广泛应用于如电视、调频广播、遥测技术、宇航和卫星通信等领域中。尤其是近年来兴起的超宽带无线通信技术，使此类天线成为当今通信领域的研究焦点。 本文设计并研究了两种类型的超宽带天线，一种是带两个对称臂的矩形平面单极子天线，另一种是弯折结构的平面单极子天线。 所研究的第一种天线实现了在工作频率范围内回波损耗都在-10dB以下，基本满足了超宽带通信的要求，天线的工作频带是 2.7-9GHz。回波损耗与频率的关系曲线产生两个低峰值，特别适合于双频带通信使用。文中研究了通过改变切口尺寸、介质损耗对低峰值频率位置的影响关系，还讨论了端口大小对仿真准确度的影响，得到系列结论。 所研究的第二种天线实现了真正意义上超宽带天线，天线结构简单，易于构建，小尺寸、低剖面，能够在回波损耗小于-10dB条件下有效地工作在2.8~9.5GHz的频率范围。 天线采用热转印法自制了实验模型，并通过矢量网络分析仪测量了回波损耗与频率的关系曲线，测量结果与仿真结构基本吻合。 两种天线的研究还包含了增益和方向图等，从而对天线性能进行了全面分析。 关键词: 超宽带天线；单极子天线；有限元法；电磁仿真；热转印法
Abstract UWB antenna is widely used in television, FM radio, telemetry, aerospace and satellite communications fields. In particular, with the rise of ultra-wideband wireless communications technology in recent years, making such antennas become the focus of communication research field. This paper studies two types of ultra-wideband antenna, one is a symmetric planar monopole antenna with two symmetrical rectangular incision, the other is bent planar monopole antenna structure. The first designed antenna can satisfy the demand of UWB communication that the Return Loss of the antenna in the scope of working frequency, which is between 2.7-9GHz, is below -10dB. Return loss vs. frequency curves generated two low peaks, which is particularly suitable for dual-band communications. A study of the incision by changing the size of the low dielectric loss peak frequency position of the relationship between port size also discussed the impact on simulation accuracy, get series conclusion. The study of the second antenna to achieve a truly ultra-wideband antenna, the antenna structure is simple, easy to build, small size, low profile, can be less than-10dB return loss under the conditions of effective work in the 2.8 ~ 9.5GHz frequency range. Antenna made by heat transfer method of the experimental model, and vector network analyzer by measuring the return loss versus frequency curve, the measurement results and simulation of structure of the basic agreement. thermal transfer printing technology The study also includes two antenna gain and pattern, etc., and thus a comprehensive analysis of antenna performance. Key words: UWB antenna; monopole antenna; finite element method; electromagnetic simulation
超宽带技术概述
超宽带（UWB）技术 一、UWB技术简介 UWB(Ultra Wide Band)是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。UWB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，适用于高速、近距离的无线个人通信。美国联邦通讯委员会(FCC)规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。 超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面：一个是传输带宽，另一个是是否采用载波方式。从传输带宽看，按照FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25％的为超宽带。超宽带传输技术直接使用基带传输。其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数1O亿个脉冲。然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB对传统的无线电波影响相当小。UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。 二、UWB技术的发展历程 现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术，又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术，出现于1960年，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到80 年代后期，该技术开始被称为"无载波"无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989 年首次使用了"超带宽"这一术语。为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起，美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。 2003年12月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关UWB标准的大讨论。那时关于UWB技术有两种相互竞争的标准，一方是以Intel与德州仪器为首支持的MBOA标准，一方是以摩托罗拉为首的DS-UWB标准，双方在这场讨论中各不相让，两者的分歧体现在UWB技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已有了追随者，三星在国际消费电子展上展示了全球第一套可同时播放三个不同的HSDTV视频流的无线广播系统，就采用了摩托罗拉公司的Xtreme Spectrum芯片，该芯片组是摩托罗拉的第二代产品，已有样片提供，其数据传输速度最高可达114Mbps，而功耗不超过200mw。在另一阵营中，Intel 公司在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用90nm技术工艺处理的UWB芯片；同时，该公司还首次展示多家公司联合支持的、采用UWB芯片的、应用范围超过10M的480Mbps无线USB技术。在5月中旬由IEEE802.15.3a工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举UWB标准，MBOA获得60%的支持，DS-UWB获取40%的支持，两者都没有达到成为标准必须达到75%选票的要求。因
超宽带天线设计与研究详解
超宽带天线的研究与设计 中文摘要 近几年来，超宽带天线的研究已经成为热潮。本文的思想也是研究小型化超宽带平板天线，让其在生活中的硬件设计产品中满足超宽带天线的技术需要。因为超宽带天线在WiMAX和WLAN的窄带系统和装载切口天线设计结构上产生的影响。实现WiMAX和WLAN频带的双凹槽在超宽带天线结构设计。在设计过程中主要是使用HFSS软件进行天线结构的仿真优化。主要利用了HFSS软件仿真和天线结构的优化设计过程。我们针对其超宽带天线的性能参数，相应的提升平面单极子天线的基础研究。传统平面单极子天线与狭槽，狭槽装载方法的横截面，提出了几种平面单极子天线从频域和时域研究，从而从单极子天线的相关性能参数出发，研究平面单极子天线在频率范围为3.1GHZ-11GHZ，使超宽带天线能够达到市场对硬件方面的应用需求。 关键词：平面单极子天线；超宽带；HFSS仿真 I
Research and design of ultra-wideband antenna Abstract In recent years, the research of ultra-wideband antenna has become a boom. Thought of this paper is to study ultra-wideband planar antenna miniaturization, let the life in the hardware design of the product satisfy the need of ultra-wideband antenna. Because of ultra-wideband antenna in WLAN and WiMAX narrowband systems and the impact loading of incision on the antenna design. Both WiMAX and WLAN band grooves in the ultra-wideband antenna structure design. In the design process is mainly using HFSS software for simulation of antenna structure optimization. Mainly using HFSS software simulation and optimization of the antenna structure design process. We according to the performance of ultra-wideband antenna parameters, the corresponding increase of planar monopole antenna of basic research. Traditional planar monopole antenna and the slot, slot loading method of cross section, and puts forward several planar monopole antenna from frequency domain and time domain research, thus starting from the related performance parameters of monopole antenna, the planar monopole antenna in the frequency range of 3.1 GHZ - 11 GHZ, the ultra-wideband antenna can meet the market demand for hardware applications. Key words: Planar monopole antenna; Ultra-Wideband; HFSS simulation 目录 I
超宽带技术的发展
超宽带技术的发展 随着无线通信技术的发展，21世纪的世界将很快从网络时代进入无线互联时代。新兴的无线网络技术，例如WiFi、WiMax、ZigBee、Ad hoc、BlueT ooth和UltraWideBand(UWB)，在办公室、家庭、工厂、公园等大众生活的方方面面得到了广泛应用，基于无线网络的定位技术的应用更加具有广阔的发展前景。根据投资银行Rutberg 公司、无线数据研究集团和国际数据公司等的预测，网络新技术将在未来的3年内达到几百亿甚至上千亿美元的营业收入，而无线定位技术的应用将在其中占有至少上百亿美元的份额。 除了全球定位系统(GPS)在导航和室外环境的应用定位以外，人们对室内定位、短距离定位等应用不甚了解。未来无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合，实现无缝的、精确的定位。现有的网络技术还不能完全满足这个要求，而UWB技术由于功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，在众多无线定位技术中脱颖而出，成为未来无线定位技术的热点。 UWB的定位优势 无线定位技术和方案很多，常用的定位技术包括红外线、超声波、射频信号等，但都不适合室内定位。红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性；超声波受多径效应和非视距传播影响很大，不能用于室内环境；而射频信号普遍用在室外定位系统中，应用于室内定位存在局限。 GPS是目前应用最为广泛的室外定位技术，它是20世纪70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要利用几颗卫星的测量数据计算移动用户位置，即经度、纬度和高度。一般用于车辆导航和手持设备。在此基础上，还出现了增强型GPS，辅助GPS 等技术，它们可以广泛用于航空、航海和野外定位等领域。利用GPS进行定位的优势是卫
数字调制信号调制解调与时频域分析
简明通信原理实验 报告六
实验6 Matlab 实验三数字调制信号调制解调与时频域分析一、MATLAB仿真内容： （1）运行样例程序，观察 OOK、BPSK、BFSK 信号的时域波形和功率谱谱，求已调信号的带宽。 （2）采用相干解调法对 BPSK 信号解调，绘制解调后的信号波形，并与原始信号进行比较，对仿真结果进行分析说明。 （3）编写 DBPSK 信号产生和解调程序，绘制 DBPSK 信号的时域波形和功率谱，绘制解调后的信号波形并与原始信号波形进行比较。（4）编写四进制相移键控信号 QPSK 的产生程序，绘制信号波形与功率谱。 二、MATLAB仿真结果： （1）运行样例程序，观察OOK、BPSK、BFSK 信号的时域波形和功率谱谱，求已调信号的带宽。 文本： clear all;close all; A = 1; % 载波幅度 fc = 2; % 载波频率 N_sample = 8; % 每个码元采样点数 N = 500; % 码元数 Ts = 1; % 码元长度 dt = Ts/(fc*N_sample); % 波形采样间隔 fs = 1/dt; % 采样频率 t = 0:dt:N*Ts-dt; T = length(t); d = (sign(randn(1,N))+1)/2; dd = upsample(d,fc*N_sample);
gt = ones(1,fc*N_sample); d_NRZ = conv(dd,gt); ht = A*cos(2*pi*fc*t); %%********** OOK信号 ****************** s_BASK = d_NRZ(1:T).*ht; [f1,s_BASKf] = myt2f(s_BASK,fs); figure subplot(211) plot(t,s_BASK);grid axis([0 10 -1.2 1.2]); ylabel('OOK'); subplot(212) plot(f1,10*log10(abs(s_BASKf).^2/T));grid axis([-fc-4 fc+4 -50 10]); ylabel('OOK功率谱密度(dB/Hz)'); %%********** BPSK信号 ****************** d_BPSK = 2*d_NRZ-1; s_BPSK = d_BPSK(1:T).*ht; [f2,s_BPSKf] = myt2f(s_BPSK,fs); figure subplot(211) plot(t,s_BPSK);grid axis([0 10 -1.2 1.2]); ylabel('BPSK'); subplot(212) plot(f2,10*log10(abs(s_BPSKf).^2/T));A = 1;grid % 载波幅度fc = 2; % 载波频率 N_sample = 8; % 每个码元采样点数 N = 500; % 码元数 ylabel('BPSK功率谱密度(dB/Hz)'); %%********** BFSK信号 ****************** d_BFSK = 2*d_NRZ-1; s_BFSK = A*cos(2*pi*fc*t+2*pi*d_BFSK(1:T).*t); [f3,s_BFSKf] = myt2f(s_BFSK,fs); figure subplot(211) plot(t,s_BFSK);grid axis([0 10 -1.2 1.2]); ylabel('BFSK'); subplot(212) plot(f3,10*log10(abs(s_BFSKf).^2/T));grid axis([-fc-4 fc+4 -50 10]); ylabel('BFSK功率谱密度(dB/Hz)'); xlabel('f');
超宽带无线通信技术及应用
超宽带无线通信技术及应用毕业设计（论文）专业 ___________ 无线电技术 班次11613 ____________________ 姓名 ___________ 曾麒麟
指导老师 ________ 杨新明 成都工业学院 二0 一四年
超宽带无线通信技术及主要应用 摘要：相对有线通信，无线通信最大的优点在于其可移动性。但是，却要面对恶劣的无线通信环境和有限的频谱资源的挑战。与此同时，人们对无线通信系统的要求在不断地提高，希望其能提供更高的数据传输速率。在这样的背景下, 超宽带技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通信领域研究开发的一个热点。超宽带的核心是冲激无线电技术，其带宽大于目前所有通信技术的带宽，且抗干扰性能强、传输速率髙、系统容量大、功耗低等优点，满足10m之内的无线个人局域网。本文介绍了超宽带无线通信技术（UWB）的发展背景，并对脉冲信号波形的产生、调制技术进行了分析讨论，以及对UWB接收机技术、多址技术等方面进行了论述。本文仅对UWB技术在无线个人局域网和军用中的应用进行了论述，以及提出了UWB技术的不足之处和解决方案，最后对UWB技术的开发和发展前景作了展望。 ［关键词］超宽带无线通信技术；无线个人局域网；多址技术；脉冲调制
成都工业学院 通信工程系毕业设计论文
目录 前言 0 第1章绪论 (1) 第2章UWB技术简介 (3) 2.1超宽带无线技术的背景 (3) 2.2超宽带无线技术的概念 (4) 2.3超宽带无线技术的主要特点 (5) 2.4超宽带与其他近距离无线通信技术的比较 (6) 2.5超宽带系统对其它系统的干扰 (8) 第3章超宽带技术的关键技术 (9) 3.1超快带系统的基本模型 (9) 3.2脉冲成形技术 (9) 3.2.1超宽带系统对脉冲波形的要求 (10) 3.2.2 高斯脉冲的时域波形 (10) 3.2.3高斯脉冲的频谱特性 (12) 3.2.4形成因子〉对高斯脉冲的影响 (14) 3.3超宽带脉冲调制技术 (15) 3.3.1脉冲位置调制（PPM (16) 3.3.2脉冲幅度调制（PAM (16) 3.3.3多频带脉冲调制 (17) 3.4超宽带系统多址技术 (17) 3.4.1............................................................................................ TH-PPM 多址方 式18 3.4.2D S-CDMA 多址方式 (19) 3.4.3P CTH超宽带多址技术 (20) 3.4.4几种多址技术的比较 (20) 第4章超宽带接收机关键技术 (22) 4.1RAKE 接收机 (22) 4.2多径分集接收策略和多径合并策略 (23) 4.2.1多径分集接收策略 (23) 4.2.2多径合并策略 (24) 4.3 定时同步技术 (24) 4.4信道估计技术 (25) 第5章UWB技术的标准化进程及其应用 (26) 5.1UWB信号的频谱管理 (26) 5.1.1规范UWB言号频谱的必要性 (26) 5.1.2F CC关于UWB言号频谱的规范 (26) 5.2超宽带技术的应用 (27) 5.2.1超宽带技术在高速无线网络中的应用 (28)
超宽带(UWB)技术
一、UWB技术简介 UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。 虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会(FCC)所定义比中心频率高25%或者是大于1.5G赫兹。很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率(RF)载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。 UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。 与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。 超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所喜爱，而且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。 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。