无线传感器网络中的传输参考超宽带技术研究

摘要

无线传感器网络是物联网的重要组成部分，是一种采用大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传输参考超宽带技术是一种采用非相干接收的超宽带技术，具有极低的复杂度和功耗，非常适合无线传感器网络等应用。本文研究了传输参考超宽带中的关键技术，设计了典型的无线传感器网应用系统，完成了以下研究成果:
　　(1)混沌信号具有天生的宽带特性，其中的差分混沌键控和调频差分混沌键控可看作传输参考超宽带的一种。本文基于传统的差分混沌键控和调频差分混沌键控系统，提出了适合于这两个系统的改进方案，分析了设计参数对于系统性能的影响，讨论了如何选择参数以获得性能和复杂度的平衡。
　　(2)传输参考超宽带系统的参考和信息部分可以时分、频分、码分等，参考和信息部分通过信道后具有相同的衰落特性。本文分析和比较了三种不同方式的传输参考超宽带系统的性能，并提出了统一的传输参考超宽带模型。
　　(3)传输参考超宽带信号的功率谱极宽，会给同频的无线系统带来干扰。本文分析了时分、频分、码分等三种传输参考超宽带信号的功率谱特性，提出了认知传输参考超宽带的概念。文中提出随机化参考部分以消除离散谱的影响，通过跳时码优化设计、高斯脉冲延时合成等方式实现信号功率谱的陷波设计，降低了对同频段无线系统的干扰。
　　(4)为了改善传输参考超宽带系统的接收性能，本文分析并比较了普通传输参考、平均传输参考接收机的硬判决和软判决性能，提出了一种采用了平均接收方式的应用于码分复用传输参考超宽带的次最优接收机。文中还讨论了参考和信息能量的最优分配，并提出利用发射机的陷波设计和接收机的陷波滤波器联合工作以消除窄带干扰的影响。
　　(5)本文最后还讨论了居室环境监控无线传感器网络、基于Zigbee的定位脉搏信号监控系统和基于DM642的定位视音频采集器等无线传感器网络系统的设计方法。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 无线传感器网络概述

1．1．1 物联网概述

1．1．2 无线传感器网络概述

1．1．3 无线传感器网络的应用

1．1．4 无线传感器网络的物理层技术

1．2 超宽带技术的特点和发展

1．2．1 超宽带的定义和特点

1．2．2 超宽带通信的发展历史

1．3 传输参考超宽带技术的特点和发展

1．3．1 传输参考超宽带系统的特点

1．3．2 传输参考超宽带通信的发展历史

1．4 传输参考超宽带研究的研究方向

1．5 本文的研究内容

第二章 传输参考超宽带系统的设计和分析

2．1 引言

2．2 不同传输参考方式比较和分析

2．2．1 时域传输参考超宽带系统

2．2．2 频域传输参考超宽带系统

2．2．3 码域传输参考超宽带系统

2．3 改进的混沌传输参考超宽带系统设计

2．3．1 改进的DCSK系统的设计和分析

2．3．2 改进的FM-DCSK系统设计和分析

2．4 统一的传输参考超宽带模型的分析

2．4．1 统一的传输参考超宽带发射机模型

2．4．2 统一的传输参考超宽带接收机模型

2．5 本章小结

第三章 认知传输参考超宽带系统发射机设计

3．1 引言

3．2 传输参考超宽带的功率谱特性分析

3．2．1 TH-TR-UWB信号的功率谱特性分析

3．2．2 TH-FSR-TR-UWB信号的功率谱特性分析

3．2．3 CM-TR-UWB信号的功率谱特性分析

3．3 认知传输参考超宽带功率谱设计

3．3．1 传统基于脉冲波形优化的陷波功率谱设计

3．2．2 离散谱消除设计

3．2．3 基于跳时码的陷波带构造设计

3．2．4 改进的高斯脉冲延时加权合成的陷波功率谱特性设计

3．4 本章小结

第四章 传输参考超宽带的接收机优化设计和分析

4．1 引言

4．2 传统的TR-UWB系统接收机性能分析

4．2．1 STR接收机性能分析

4．2．2 ATR接收机性能分析

4．3 接收机的优化设计

4．3．1 优化能量分配对接收机性能的分析

4．3．1 采用降噪预处理的CM-TR-UWB系统接收机设计

4．4 抗窄带干扰的传输参考超宽带系统设计

4．4．1 窄带干扰分析

4．4．2 抗窄带干扰的认知传输参考超宽带系统设计

4．4．3 认知传输参考超宽带系统抗窄带干扰的性能分析

4．4．4 认知传输参考超宽带系统的仿真和分析

4．5 本章小结

第五章 无线传感器网络的应用系统的研究和设计

5．1 引言

5．2 居室环境监控无线传感器网络系统的研究和设计

5．2．1 系统设计

5．2．2 控制流程设计

5．3 基于Zigbee的定位脉搏信号监控系统的研究和设计

5．3．1 系统原理

5．3．2 系统设计

5．4 基于DM642的定位视音频采集器的的研究和设计

5．4．1 系统设计

5．4．2 测试结果

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

论文中的主要英文简写说明

论文中的主要符号说明

在读期间发表的学术论文及主要参与工作