西南科技大学毕业设计（论文）开题报告 学 院 信息工程学院 专业班级 通信 0601 姓 名 胡进 学
号 20064635 题 目 基于 Matlab 的室内环境下 PAM-DS-UWB Rake接收机的研究 题目类型 研究型 一、选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列出主要参考文献）
从 2002 年至今，UWB 技术和它带动的通信市场发生了惊天动地的变化，现在国内外市场的走向初见明朗，一些产品已经逐渐占领了市场，比如超宽带（UWB）技术已经凸显出在数字显示、DVD 播放机、数字视频录像机等消费电子设备,及机顶盒、摄像机和数码相机等手持产品中的良好应用前景。而在未来,超宽带数据速率预计可以达到 1Gbps,而功耗可以低至 250mW,这将推动大量新型应用的涌现。比如,可以在 5 秒内进行多达 512MB 的数据、照片和电影同步传送的便携硬盘可以让消费者在家和办公室只需要有一个硬盘底座,这样他们可以随身携带如钱包大小的硬盘,从而保证对数据的随时读取。超宽带(UWB)无线通信由于其低成本、低功耗、高性能的特点,成为通信领域近年来广泛研究的课题,在短距离高速无线个域网应用中有十分广阔的前景。
现在有许多公司在进行 UWB 技术的研究开发工作。美国 XtremeSpectrun 公司能够提供在各种设备之间无线传输音频、视频的 UWB 芯片组,他采用双相调制技术和 IEEE 802. 15. 3 MAC 协议,传输速率达到 100 Mb/ s 。Intel 在 2000 年成立了 UWB 研究实验室,其实验室产品在 2～3 年内能达到 100 Mb/ s 的数据速率。Intel 认为 UWB 在短距离内可以达到 400～500 Mb/ s ,因此 Intel 称UWB 为无线 USB。Time Domain 公司利用 UWB PPM 技术,开发了两代 PulsON 芯片,第三代 PulsON 商用产品也即将问世。
美国 Discrete Time 公司开发了多频段 UWB 技术,他采用不同频段发送信息而不是发射单个脉冲。与单频段 UWB 相比,多频段 UWB 系统的每频段内可以用较低的速率发送信息,这降低了 UWB 的成本,具有较好的自适应性,可以与 802. 11a 共存。目前有不少技术公司都对 UWB 技术加大了开发力度。但由于之前 UWB 技术民用化的政策还没有得到批准,许多 UWB 技术公司目前主要是通过向美国军方出售 UWB 技术来维持生计。如 Time Domain 公司 2002 年在获得了的军方合同以后,其全年总销售收入达到了 750 万美元,比他在 2001 年所取得的 500 万美元的销售额有所增长。该公司最近已经在开始销售他的第一批 UWB 芯片集产品。在 FCC 批准了 UWB 技术民用市场之后,在硬 件方面,美国 Multispect ral Solutions 公司已经达到了即将开始提供 UWB 芯片组工业样品的阶段。在操作系统的支持方面,如果继续使用现有的软件,那么制造商的负担也许并不大,这是因为 UWB 只不过是相当于接口最下层的物理层规格。比如,英特尔将 UWB 定位于“无线 USB2. 0”。实际上,
尽管还面临着如何认证与个人电脑连接的设备等无线技术所特有的问题,但是只需提供用于控制终端产品的设备驱动程序,基本上就可以直接沿用上层程序。与此同时,飞利浦电子与美国通用原子公司( General Atomics ,GA) 已经开始联手进行 UWB 芯片组的开发工作了。飞利浦将接受 GA 的包括多频带技术“关键子频带”在内的 UWB 相关技术,使用面向 RF 的 BiCMOS 技术开发 RF 芯片。GA 的关键子频带技术是将 UWB 的频带分割成 15 个子频带进行信号传输的技术。由此我们可以看到,未来UWB 的市场前景还是十分广阔的,UWB 必将成为今后的主流无线互联标准呈现在我们面前。
超宽带通信技术能提供吉比特每秒的传输速率，为短距离无线通信系统提供了一个高速的传输平台，是下一代无线网络通信的核心技术之一。同步技术是高速率直扩超宽带无线通信系统(DS-UWB，Direct Sequence Ultra-wideband)必须解决的关键问题，同步系统的捕获速度、精度和稳定性严重地影响着超宽带通信系统的整体性能，如何在保证低复杂度的条件下，充分利用超宽带通信系统的特征，包括编码特性、调制特性以及多径信道传输特性等，来实现高速率、高精度和高稳定性的同步系统，已经是当前 DS-UWB 通信系统的主要研究课题。
此次课题意义在于超宽带(UWB)无线通信由于其低成本、低功耗、高性能的特点,成为通信领域近年来广泛研究的课题,在短距离高速无线个域网应用中有十分广阔的前景。但是 UWB 不是一个全新的技术，它实际上是整合了业界已经成熟的技术如无线 USB、无线 1394 等连接技术。由于其独特的传输范围和传输速率，UWB 这种通信方式比较适合在家庭内部使用，因此 UWB 市场应用前景非常广阔。对于处在信息化高速发展之时的我们来说我们务必要把握未来的脉象，研究和学习最新的知识，做一个有用的人才。
主要参考文献：
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Tramon
An — tennas
and
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二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程 超宽带( UWB) 通信技术在未来的高速无线通信中将会得到广泛的应用。但是，在实现这些基于超宽带物理层的应用时，将面临1个严峻的问题--时钟同步。该问题的产生主要是由于超宽带通信系统中所使用的低发射功率、极窄的脉冲传输波形。与传统的扩频通信系统一样，超宽带通信系统中的同步过程也包括捕获和跟踪2个连续的步骤。捕获过程可以使接收信号和本地生成的模板信号之间保持大致同步，通常同步误差小于 1／2个码片周期。在超宽带通信系统中，由于捕获中搜索位置的急剧增加使得捕获时间大为延长，并且捕获准确度也大为降低。跟踪过程则是采用锁相环技术使接收信号和本地生成的模板信号保持精确的同步。
超宽带通信系统的同步问题已经在很多文献中涉及。大多数文献通常就具体的同步算法进行讨论，其中一些算法是对传统扩频通信同步算法的改进，使其适用于超宽带通信中极窄脉冲位置同步所产生的更严格的定时要求。通信系统的同步过程可以看作是对接收信号中传播时延 r的估计过程。如果被估计参数是未知的，但是具有确定的值，那么在估计过程中就可以采用极大似然(ML)准则。根据极大似然准则的要求，被估计参数r的先验概率 必须已知。在这种情况下， 基于均方误差的参数估计具有Cramer—Rao界(CRBs)，这个界限是任何无偏估计子所能达到的最小方差值。Cramer-Rao界的一个很重要的用途就是 其可以作为极大似然估计子的最优界。要设计出一套好的基于DS-UWB的同步算法，首先我们要对DS-UWB系统有一个整体的认识。
1.DS-UWB系统描述
直接序列扩频(DS—SS)是一种目前普遍使用的数字调制技术，下面根据其基本理论，介绍它在UWB系统中的扩展应用。假设典型第k个用户的发送信号为：
其中， 为单脉冲传输波形，其脉冲持续周期为Tm; 为第 k个用户的待调制数据; 为扩频码．可以看 出，1个比特的数据信号在系统中用Ns个单脉冲传输波形表示，Ns=Tf／Ts表示扩频增益,Ts表示码片长度。假设用于捕获的数据没有经过调制过程，那么，对于任意的j，
。不失一般性的情况下， 可以对任意用户k的传输波形进行讨论。
对于多径衰落信道，可以采用延时触发的形式建模，假设信道有L个抽头，可以分别用 L个衰落 和时延 表征，则信道的冲击响应可以表示为
。在超宽带通信系统中， 通过观察发现， 同一脉冲信号的各个多径成分是以簇组的形式到达接收机的，可以由修正的S-V模型进行描述。假设每个簇组到达接收机的时刻服从参数为A的泊松分布：
并且，在每个簇组中，各多径成分的到达时刻也服从参数为 的泊松分布：
那么，修正后的超宽带通信系统信道冲击响应表示为：
其中，X服从对数正态分布的随机变量，为信道的幅度增益；N为被观察的簇组数量；K(n) 为第n个簇组中包含的多径成分的数目； 为第n个簇组中第k条多径的衰落系数；Tn 为第n个簇组的到达时间； 为第n个簇组中第k条多径的时延。IEEE基于以上的研究定义了4种不同信道模型，分别用CM1～CM4表示。图1所示为CM1(视距传播)信道脉冲响应模型的时延特性
根据对半稳态随机过程的要求，在传输信号的1个符号周期内，信道的衰落和时延要保持不变。换言之，如果在远远大于T×N的时间窗T中观察传输信号的衰落，那么多径效应造成的符号间干扰就可以被忽略。在接收机端，相应的接收信号可以表示为
其中， 为每个脉冲的传输能量； 为第j个传输脉冲的幅度；Ts表示平均的脉冲重复间隔； 为能量规一化的基本脉冲波形;m(t)为其他用户所引起的多址干扰；n(t)为热噪声；其他参数与前面的定义相同。
2.rake接收机（重点内容）
经过多径信道后的信号时发射信号 经衰减、时延、最终失真之后得到的多个信号的叠加。如果在观测时间T内（ ）传播信道波动和路径有关的失真可以忽略，那么接受信号可以表示为
其中n（t）是接收机输入端的AWGN。
对于冲激无线电传输，上式可以重写为
这里：X是新到的对数正态分布幅度增益；
是每个脉冲的发射能量；
N是在接收位置观测到的簇的数目；
K（n）是第n簇内的多径分量数目；
是第n簇内第k条路径的信道数目；
是第j个发射脉冲的幅度；
Ts是平均脉冲重复周期；
是第j的脉冲的时间抖动；
是第n簇内k条路径的时延。
对于信道冲激响应的每一个实现，信道洗漱包含的能量都进行归一化，即
所以得
其中 是一个发射脉冲的总接受能量。与AWGN信道不同的是，此时的 是散布在一段时间内的，并且是出现在不同多径分量上的，如果接收机能够接受到所有这些多径分量上的能量，检测器就可以使用 进行判决。实际上，由于接收机只能接受到一部分（ 个）多径分量，判决过程中使用的有效能量 小于 ，即
只有当同一个脉冲的两个多径分量的到达时间小于脉冲持续时间 时，不同的分量在接收机才会发生重叠。在这种情况下，不同路径上的信号不是相互独立的，也就是说，时刻t观察到的脉冲幅度受紧跟时刻t之前或之后的多径分量的影响。考虑到传播信道的特性，接收端独立路径的数目与 有关：
越小，接收机输入端的独立分量数目越多。在IR-UWB系统中， 值是ns级的，甚至不足ns，因此 假设所有的多径分量都互不重叠，接受到的波形是由相互独立的分量组成的（Win和Scholtz。1998）。因此，理论上，通过将同一个发射脉冲的许多相互独立的多径分量合并，IR-UWB可以利用信道的多径传播特性。在这种情况，我们称接收机利用多径信道的时间分集提高了判决过程的性能。
接收机可以采用不同的策略利用分集：选择性分集（SD）、等增益合并（EGC）及最大比（MRC）合并。所谓SD方式，就是接收机选择具有最好信号质量的多径分量，然后只通过对该分量的判决得到发射符号。选择最好的路径通常就是选择瞬时信噪比最大的路径，这与单纯选择第一条路径相比，可以保证性能有所提高。另一种增加SNR的方法是合并多径分量而不是选择信号质量最好的路径。具体地说，在EGC方式下，首先将不同的分量在实践对齐，然后不进行任何加权将它们直接相加。在MRC方式下，不同的多径分量首先经过加权，然后再合并到一起。其权重按照使判决过程中的SNR最大的原则确定。在接收端存在高斯噪声情况下，通过给每个多径分量乘以个正比于相应接受信号幅度的权重，可以使SNR达到最大。换句话说，MRC方式在合并之前对接受分量进行了调整。调整的方法是放大最强分量，衰减较弱分量。在没有ISI的单用户通信系统中，可以获得最好性能的方法是MRC，它可以保证合并后输出的SNR最大。
在上述所有方式中，多径分量的利用时建立在如下假设之上的：相同发射脉冲的不同分量能够被分别分析且在最终判决前合并。因此AWGN信道最佳接受机不适用于此处，以为无论是单脉冲还是多脉冲，其结构是一个与单个波形匹配的相关器。现在我们分析的这种情况必须包括更多的相关器，它们与同一个发射脉冲波形的多个多径分量匹配。这样的方式由（Price and Green，1958）提出，称为接收机。
> 表示信道冲激响应的持续时间, 是Rake合并器输出的判决变量,它被送给检测器.这显示了Rake接收机的结构,它由 各并行器与合并器组成,合并器确定用来对发射信...