基于正交互补码的UWB通信系统的设计与研究

摘要

作为短距离高速无线通信的主流核心技术，超宽带(Ultrawideband，UWB)技术被认为是短距离室内无线衰落环境下，实现高速可靠数据传输的最有效方法之一。UWB系统的带宽为3.1-10.6GHZ，其发射功率低于-41.3dBm/MHz(1mW/MHz)，具有抗干扰性能强、传输速率高、低功耗、保密性好和易实现等特点。基于超宽带技术的上述特性，其正逐步成为无线个域网和无线局域网的主要物理层传输技术和标准。因此研究并提高超宽带无线通信系统的性能，对无线通信相关技术的发展具有重要意义。
　　 针对超宽带系统的典型应用环境，即室内短距离高速无线信道，必然存在复杂的多径干扰(Multipathinterference，MI)和多址干扰(Multipleaccessinterference，MAI)。近年来提出的正交互补码(OrthogonalComplementaryCode，OCC)具有理想的自相关特性和互相关特性，作为扩频码可以有效抑制多径干扰和多址干扰，用它与新型调制方式(OffsetStacking，OS)相结合可实现可变速率传输。UWB系统以共享频谱方式占用极宽的带宽以提高传输速率，而这必然会与共享频段内的窄带系统产生干扰。非线性Chirp脉冲可以有效抑制窄带通信系统对超宽带系统产生的干扰，将其作为OCCUWB系统的发射脉冲可同时抑制窄带干扰、多址及多径干扰。
　　 本文首先对超宽带技术的基本理论做了详细介绍，主要包括以下几个方面:首先阐述了UWB的定义、主要优势、关键技术及应用前景。详细介绍了超宽带的调制及多址实现方式，分析了UWB系统的典型脉冲（高斯脉冲及Hermite脉冲）的时频特点。最后分析研究了IEEE802.15.3aUWB多径信道的信道特征及RAKE接收机的基本原理。
　　 论文随后介绍了序列的相关性质，给出了互补码和正交互补码的定义。在多址环境中，分配给每个用户的正交互补码是由若干个元码构成，同一个用户的元码发送时不能叠加在一起，必须采用某种方式区分这些元码，为此论文提出了串行OCCUWB系统的设计方案，并对系统的误比特率性能进行了推导。理论及仿真分析表明，在多径信道下这种基于OCC的超宽带系统可以减轻多址干扰和多径干扰，且在同步或异步传输的AWGN环境下，采用OCC可以完全消除系统的多址干扰。在多径环境下OCC较单码（如m序列、Walsh码等）具有更强的抗多址干扰和多径干扰的能力。本文还介绍了窄带干扰信号模型和Chirp脉冲的相关基础理论，并研究了能够抑制窄带干扰的非线性Chirp脉冲，将其作为串行OCCUWB系统的发射脉冲，通过仿真验证了系统的窄带干扰抑制能力和多址及多径干扰的抑制能力。
　　 论文最后讨论了基于OS调制的OCCUWB系统的实现方案，抗多址和多径干扰的原理以及RAKE接收机的结构，并对系统的抗干扰性能进行了分析。仿真结果表明，在AWGN信道下，基于OS调制的OCCUWB系统性能不受多址干扰的影响，只受噪声的影响;在多径信道下，不同偏移间隔对系统的性能影响不同，且基于OS调制的OCCUWB系统性能优于串行OCCUWB系统。在最后一章作者总结了论文工作并展望了未来的可能研究工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超宽带概述

1．1．1 超宽带定义及特点

1．1．2 超宽带物理层关键技术

1．1．3 超宽带的应用前景

1．2 论文的研究内容及意义

1．3 论文结构安排

第二章 超宽带通信技术分析

2．1 典型超宽带波形

2．1．1 高斯脉冲

2．1．2 Hermite脉冲

2．2 超宽带多址技术及调制方式

2．3 UWB传播信道

2．4 RAKE接收机

2．5 本章小结

第三章 互补码性能分析及研究

3．1 序列的相关性分析

3．1．1 非周期部分相关函数

3．1．2 周期(非周期)相关函数

3．2 互补码序列集的性质

3．3 完全互补序列集的性质

3．4 正交互补序列集的性质与设计

3．4．1 正交互补序列集的性质

3．4．2 正交互补序列集的构造

3．5 本章小结

第四章 基于OCC的DS-UWB系统的设计研究

4．1 串行OCC UWB系统的设计和分析

4．1．1 系统模型和信道模型

4．1．2 系统理论性能分析

4．1．3 仿真结果分析

4．2 基于OCC的具有窄带干扰抑制能力的Chirp UWB系统分析研究

4．2．1 窄带干扰建模模型

4．2．2 线性调频脉冲信号

4．2．3 非线性调频Chirp信号分析

4．2．4 抑制窄带干扰的修正非线性Chirp脉冲设计

4．2．5 基于OCC的Chirp UWB系统的分析研究

4．3 本章小结

第五章 基于OCC的OS-UWB系统的设计研究

5．1 OS扩频调制分析

5．2 AWGN信道下基于OS调制的OCC UWB系统的分析研究

5．3 多径衰落信道下基于OS调制的OCC UWB系统的分析研究

5．4 仿真结果与分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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