毕业设计_--超宽带无线定位技术的研究(编辑修改稿)

毕业设计_--超宽带无线定位技术的研究(编辑修改稿)内容摘要：

个 UWB脉冲， 是帧长。 图 34 是对二进制序列 进行 PAMDS 调制的信号仿真波形，这里的扩频序列是 ，重复编码率为 5，每个比特由五个帧组成，前面五个脉冲对应二进制“ 0”，后面的五个脉冲对应二进制“ 1”。 产生信号波形的具体参数分别为：脉冲发射功率 30dB，帧长 =2ns，码片宽度 =1ns，高斯脉冲的形成因子 ，脉冲宽度 =。 图 34 PAMDSUWB 发射机产生信号 MBOFDMUWB MBOFDMUWB 是 载波调制的 UWB 系统中典型的实现方式。 它在原理和 结构上与传统的通信系统有很多相似之处，因此传统通信系统的各种先进技术， 如 CDMA、 OFDM、多输入／多输出 (MIMO)、 Turbo 检测等，都可以应用在 MBOFDM— UWB 系统中。 当然由于 UWB 信号具有超宽的带宽特性，这些技 术的应用与传统的应用方式又有许多不同地方。 MBOFDMUWB 的实现方法是在 FCC 规定的频带范围 ～ 10． 6 GHz 内，把这 的带宽分割成最小带宽为 500 MHZ 的若干个频带，给定用户 的数据在相继的时 间内在不同的子带上传输。 图 35 是 MBOFDMUWB 系统发 射机的简化原理图。 数 据加 扰卷 积 码编 码交 织I F F T插 入 导 频加 入 C P , G ID A Ce x p ( j 2 π f t )交 织 控 制 器 图 35 MBOFDMUWB 发射机原理图 在发射端，数据经过卷积编码后进行比特交织，然后进行四相移相键控(QPSK， Binary Phase Shift Keying)映射和正交扩频编码。 接着进行快速傅里叶反变换 (IFFT， Inverse Fast Fourier Transform)产生基带调制信号，基带调制信号加上循环前缀、 保护间隔后，生成 OFDM 符号。 多个 OFDM 符号加上导频符号后形成一个数据包，一个已调的 OFDM 信号由调制在不同载波频率上的几个并行射的信号组成。 导频符号的信道估计部分是通过加入 6 个周期的 OFDM 训练序列构成的，该训练序列由 IFFT 产生，并在时域输出的结果中添加 37 个零后缀。 这部分导频符号可以用做信道频域响应估计，生成的数字信号经过数模变换(DAC， Digital to Analog Converter)后，成为基带模拟信号。 最后基带模拟信号利用时频编码调制多个不同的载波，相加合并后由同一天线输出。 图 36 是仿真产生的一个 MBOFDMUWB 符号。 这里的实现参数是： OFDM 的载波数为 128，每个符号的持续时间为 ，包含了 ns 的保护时间以及 的信息时间长度，其中保护时间又包含 的循环前缀和 的初始间隙。 图 36 一个 MBOFDMUWB 符号 MBOFDMUWB 是实现 WPAN 的最佳选择之一，在数字化无线家庭网络、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有广阔的应用前景，由于多频 带的各个子带技术都是基于传统的通信方案传输的，这种方式有利于 实现商业化。 目前， MBOFDMUWB 已经成为高速无线个域网 (HRWPAN)的物理层技术的标准。 UWB 信号的接收 UWB 信号在信道传输的过程中会受到路径损耗、阴影衰落和多径衰落等的 影响，另外还可能会有多址干扰、窄带干扰以及背景噪声的影响，这样到达接收 机的信号波形会存在严重的失真。 因此接收机的设计问题就是找到一种尽可能最佳的方式从接收信号中提取有用的信号，实现信息正确的解调和恢复。 在单径、加性高斯白噪声 (AWGN， Additive White Gaussian Noise)信道中，UWB 最佳接收机由相关器和判决器组成；在多径传播环境下，最佳接收机的性 能不再是最佳，需要使用 Rake 接收机收集多径能量以提高接收性能，但是因为 需要信道估计和同步， Rake 接收机的结构比较复杂；为了减少接收机的复杂性，可以采用基于发射参考脉冲 (TR， Transmitted Reference)的接收机方案，但是其传 输速率下降 3 dB。 下面就针对最佳接收机和 Rake 接收机这两种接收机进行分析。 无多径时 AWGN 信道的最佳接收机 在 AWGN 信道中，接收信号主要受热噪声的污染，热噪声可以通过白高斯 随机过程 来表示，发射信号为 ，这里假设信道是单径信道且无多址干扰， 则接收信号表示为： （ 33） 为了保证系统传输的可靠性和功率效率，这里采用相干检测。 相干接收的最 佳接收机结构如图 37 所示。 图 37 最佳接收机框图 假设收、发信号已经同步， 为本地模版信号，则模版信号为： （ 34） 这里，重复编 码率为 ，帧长为 ， 是传送一个比特的时间， 是j 的函数，其单位能量对不同的调制方式是不同的，这里以 PAMDSUWB 信号为例， 其中： (35) 接收信号 r（ t）与本地模版信号 进行相关，输出为 y（ t），在第 n 个符号间隔末，即 t=n 时，判决变量可以表示为： (36) 其中 ,“ ”是发送信息符号“ 1”的情况，“ ”是发送信息符号“ 0”的情况， 是信号“ 0”与“ 1”的相关系数 (PPM 为“ 0”， PAM 为“ 1” )。 是单个脉冲 的能量， 是比特能量， ，是均值为 0、方差为的高斯随机变量。 令 为第 n 个发送信息符号，则最大似然 (ML， Maximum Likelihood)判断规 则表示为： (37) 可以得到 UWB 最佳接收机的误比特率为： 其中， Q( )是误差函数， 是比特能量， 在 PPM 为“ 0”， PAM 为“ 1。 通过 仿真，对不同信噪比和不同调制方式的 UWB 最佳接收机的误比特率进 行了比较，图 38 给出了 2PPM和 2PAM在不同信噪比情况下的误比特率曲线图。 由图中可以看出，在单径 AWGN 信道中， UWB 最佳接收机的误比特率随着噪 比的升高而下降；在相同信噪比的情况下，采用 PAM 调制比 PPM 调制的误比特 率性能要好。 图 38 AWGN 信道中 2PPM 和 2PAM 的误比特率曲线 多径信道的 Rake 接收机 UWB 系统应用的典型环境是室内密集多径环境，发射信号经过多径信道的 衰减、时延和失真之后，在接收端得到 多个信号的叠加。 接收端 UWB 多径信号 可以表示为单个发射脉冲经过时延和衰减之后的脉冲序列，接收到的信号可表示 为： (38) 这里， h(t)表示信道冲激响应， L 表示多径数目， 是各径幅值的衰减系数， 是各径对应的时延。 是传送一个比特的时间，重复编码率为 ， 帧长为 ， 是脉冲能量， n(t)是高斯白噪声。 在这种情况下，接收到的 UWB 信号能量是散布在一段时间内的，出现在不同的多径分量上，因此需要使用 Rake 接收机，从可分辨的多径信号中构筑合并 的脉冲波形，从而提高传输特性。 这里考虑 L 个叉指的 Rake 接收机，有 L 个多径对应的附加时延分别为别为，且有 0 ，接收机由 L 个相关器组成，分 别将接收信号 r(t)与本地参考信号时延 后的模板 相关。 考虑第 n 个信息符号的检测， 则第 L 个相 (t)关器的输出为： = (39) 其中， 为接受信号与模板信号互相关输出的幅值， 均值为 0、方差为的高斯随机变量。 Rake 接收机的结构如图 39 所示： 图 39 Rake 接收机框图 当信道为频率选择性衰落信道时，对于发信号的宽带特性，收信号 r(t)具有内在的多径分集。 在此情况下， Rake 接收机可利用分集技术，从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形，以提高传输特性。 各相关器输出的合并有不同的方式，以形成判决变量，如等增益合并（ EGC）、最大比值合并（ MRC）、选择式合并等。 第四章 UWB 无线定位系统 引言 定位通常是指确定地球表面的物体在某一 参考系中的位置。 定位技术的研究在很多领域都是比较热门且富有挑战性的问题。 传统的定位技术和导航有着密不可分的关系，导航是引导交通工具或者其它物体从一个位置移动到另一个位置的过程，这一过程通常需要定位进行辅助。 随着定位技术的发展和定位服务需求的不断增加，人们对定位与导航的需求包括在复杂的室内环境中，如在机场大厅、 仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境，利用各种定位技术确定移动终 端或其持有者、物品与设施等在室内的位置信息。 位置信息是判断提供何种服务的重要信息之一。 近年来，定位技术开始应用 于蜂窝网系统设 计、信道分配、切换、小区服务区域确定、 E911 紧急援助、交 通监控与管理等领域。 在机器人、普适计算以及无线传感器网络等研究领域中， 很多研究者们提出了各种各样的定位方法以解决实际问题，并且取得了很多进 展。 在很多军用和民用的场合同样都需要精确的定位信息，比如儿童搜寻，寻找 失落的宠物、行李，贵重物品定位，跟踪搜索和解救人员等等因此研究无线定 位技术可以解决很多实际应用的问题。 在众多的定位技术中， UWB 由于窄脉冲的带宽很宽，测量定位参数 TOA 时理论上可以达到很高的精度，因此应用于室内静止或者移动物体 以及人的定位 跟踪与导航，具有独特的优势。 无线定位技术 无线定位技术有很多种实现方法，在对目标进行定位时，首先要依据信号的 形式来确定定位所需要的参数，然后根据定位的几何模型建立对应的方程组，对 方程组求解就能获得目标的坐标信息。 下面对无线定位的相关技术进行研究。 无线定位的概述 无线定位技术和方案很多，全球定位系统 (GPS， Global Positioning System) 是目前应用最为广泛的室外定位技术。 常用的室内定位技术从信号形式上看，包 括红外 (IR， Infrared)、超 声波 (US， Ultrasonic)和射频识别技术 (RFID， Radio Frequency Identification)等，这些都是传统室内无线定位系统主要的形式。 UWB 是近几年新发展起来的无线定位技术，能够实现高精度的定位。 这些技术各有特 点，下面分别介绍。 GPS： GPS 是 20 世纪 70 年代初，美国出于军事目的而开发的卫星导航定位 系统，是目前应用最为广泛的室外定位技术，能达到的定位精度范围在 520 m。 它主要利用几颗卫星测量的经度、纬度和高度数据计算移动用户的位置，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 卫星有效覆盖的范围大，且定位导航信号是免费的。 其缺点是定位信号到达地面 时强度较弱，不能穿透建筑物，因此不适合室内定位，而且定位器终端的成本比 较高，不适用于无线传感器网络等要求低复杂度和低能耗的场合。 WiFi 定位：这是 IEEE 802． 11 提供的一种定位解决方案。 目前，它应用于小范围的室内定位，成本比较低。 WiFi 定位的不足之处是它的收发器只能覆盖半径在 90 m以内的地 理区域，而且很容易受到其它信号的干扰，从而影响其定位精度，同时它的定位器的能耗也比较高。 RFID： 这种室内定位系统基于信号强度分析法，通过标签检测到的信号强 弱来确定目标之间的距离，采用聚合算法对三维空间进行定位。 主要用于门禁系 统，包括主动 RFID 和被动 RFID。 其优点是标签的体积比较小，造价比较低， 但是它作用的距离比较近，而且不具有通信能力，也不便于整合到其它系统中。 红外室内定位系统： 红外室内定位系统是通过红外标签发射调制的红外射 线，由室内的光学传感器接收信号来实现定位的。 虽然红外线有相当高的室 内定 位精度，但是由于光不能穿透障碍物，使得红外射线仅能视距传播，也就是说当 标签放在衣服口袋或者有墙壁及其它遮挡时，系统就不能实现正确的定位。 目前 该项技术典型的代表是 Active Badge 系统。 US 室内定位系统： US 定位主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法来 确定物体的具体位置。 虽然整体的定位精度很高，可以达到厘米级，但是它也只 能进行视距传播，同时需要大量的底层硬件设备，。