畢業(yè)設計----超寬帶無線定位技術的研究

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　題目： 超寬帶（UWB）無線定位技術 </p><p>　　學 校 西安科技大學 </p><p>　　院 系 通信與信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 通 信 技 術 </p&

2、gt;<p>　　論文題目: 超寬帶（UWB）無線通信技術</p><p>　　專 業(yè)：通信技術</p><p>　　學 生：林佳 簽名： </p><p>　　指導教師：李新民 簽名： </p><p

3、><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著無線通信技術的高速發(fā)展，人們對無線通信系統(tǒng)的要求日益提高，超寬帶（Ultra-Wideband，UWB）技術憑借其高速率的數據傳輸、極低的功耗以及其精準的定位等性能，逐漸成為無線通信領域研究的一個熱點，受到了廣泛的關注。</p><p>　　本文首先介紹了超寬帶（UWB）技術的歷史背景及其定義和特點。其次針

4、對超寬帶（UWB）的原理及其波形進行了研究和探討。然后論述了超寬帶（UWB）的調制與接收，并主要分析了PPM-TH-UW，PAM-DS-UWB，MB-OFDM-UWB這三種調制方式。最后本文重點介紹了超寬帶（UWB）的無線定位技術，首先是對其發(fā)展和定義進行了概述，其次分別介紹了超寬帶無線定位的參數及其幾何模型，重點對UWB定位中TOA的算法進行了研究，最后通過仿真對定位算法的實現做出了驗證并得到了重要結論。</p><

5、;p>　　關鍵詞：超寬帶（UWB），無線定位技術</p><p>　　論文類型：理論研究性</p><p>　　Title：Ultra-wideband(UWB)wireless positioning technology</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the

6、 rapid development of wireless communication technology, the wireless communication system of the increasing demand, ultra wideband (Ultra-Wideband, UWB) technology by virtue of its high data rate, low power consumption

7、and its precise positioning performance, has become the field of wireless communication research a hot spot, has received the widespread attention.</p><p>　　This thesis first introduces the ultra wideband (U

8、WB) technology to the historical background and the definition and characteristics of. Secondly, ultra wideband (UWB) principle and waveform are studied and discussed. And then discusses the ultra wideband (UWB) modulati

9、on and receiving, and primary analysis of PPM-TH-UW, PAM-DS-UWB, MB-OFDM-UWB the three modulation methods. Finally, this thesis introduces the ultra wideband (UWB) wireless positioning technology, first of its developmen

10、t and defi</p><p>　　Key words: ultra wideband (UWB), wireless positioning technology.</p><p>　　Type of thesis: theoretical research</p><p><b>　　目 錄</b></p><

11、p>　　第一章 超寬帶（UWB）4</p><p>　　1.1 UWB技術的發(fā)展4</p><p>　　1.2 UWB的定義4</p><p>　　1.3 UWB的技術特點6</p><p>　　第二章 UWB的原理及其波形7</p><p>　　2.1 UWB的原理7</p><

12、p>　　2.2 UWB信號的產生7</p><p>　　2.3 UWB信號的波形7</p><p>　　2.1.1 UWB信道模型7</p><p>　　2.1.2高斯脈沖信號8</p><p>　　第三章 UWB的調制和接收10</p><p>　　3.1 UWB典型調制方式10</p>

13、<p>　　3.1.1 PPM-TH-UWB10</p><p>　　3.1.2 PAM-DS-UWB11</p><p>　　3.3.3 MB-OFDM-UWB12</p><p>　　3.2 UWB信號的接收13</p><p>　　3.2.1無多徑時AWGN信道的最佳接收機14</p><p&

14、gt;　　3.2.2多徑信道的Rake接收機15</p><p>　　第四章UWB無線定位系統(tǒng)18</p><p><b>　　4.1引言18</b></p><p>　　4.2無線定位技術18</p><p>　　4.2.1無線定位的概述18</p><p>　　4.2.2 UWB無線

15、定位的參數20</p><p>　　4.2.3 UWB無線定位的幾何模型25</p><p>　　4.3 UWB定位中TOA估計算法29</p><p>　　4.3.1 TOA估計的信號模型30</p><p>　　4.3.2 基于TOA位置估計算法32</p><p>　　4.4 LSE仿真實驗及其結果分析

16、34</p><p>　　4.5 本章小結34</p><p><b>　　總 結35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻37</b></p><p>　　第一章 超寬帶（UWB）&

17、lt;/p><p>　　1.1 UWB技術的發(fā)展</p><p>　　對超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）無限技術（簡稱UWB技術）的起源眾說紛紜，從目前的學者研究工作來看大約可以追溯到20世紀50年代末和60年代初。那時，研究工作在于通過沖激響應特性來描述某一些微波網絡的瞬態(tài)行為。其實，概念很簡單，就是使用所謂的沖擊響應h(t)----沖擊激勵來表征一個線性時變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的

18、頻率響應（幅值與相位值相對于頻率值）方法。特別是，對于一個系統(tǒng)的任意輸入信號x(t),其輸出信號y(t)可以唯一地由下列卷積來確定： </p><p>　　(1-1) </p><p>　　然而，實際上直到采樣示波器和亞納秒（基帶）脈沖發(fā)生技術出現之后，才為這樣的沖擊激勵提供了近似方法、觀察和測量方法。從此，超寬帶技術有了快速的發(fā)展。1972年，Robbins發(fā)明的

19、敏感短波脈沖接收器取代了笨重的時域示波器，加速了UWB系統(tǒng)的開發(fā)。1973年，Sperry獲得了第一個UWB通信技術的專利。此后，在將近30年的時間內，UWB的理論、技術和許多相關設備的研制得到了迅速的發(fā)展，但大約在1989年之前，“超寬帶”這一術語并不常用，各種名稱（如基帶、無載波或脈沖技術）等均混用。1989年，美國國防部采用“超寬帶”這一術語之后，才被業(yè)界沿用下來。之后，各種專利也相繼被授予，其中包括UWB脈沖的產生和接收方法，通

20、信、雷達、車輛防撞、定位系統(tǒng)、醫(yī)療成像、液面感應等應用。在美國，UWB早期的研究工作主要限制在軍方，大約在20世紀90年代中期以后，才取消了這種分級限制。2002年4月22日，FCC頒布了UWB占用寬帶的有關條例，允許UWB技術和產品參與商業(yè)化運作。這一條例的頒布直接促進了基于UWB技術的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。為了跟蹤這一技術的發(fā)展，并形成</p><p>　　1.2 UW

21、B的定義</p><p>　　近幾年來,超寬帶短距離無線通信引起了全球通信技術領域極大的重視。超寬帶通信技術以其傳輸速率高、抗多徑干擾能力強等優(yōu)點成為短距離無線通信極具競爭力和發(fā)展前景的技術之一。</p><p>　　FCC(美國通信委員會) 對超寬帶系統(tǒng)的最新定義為： </p><p>　　（1）信號相對帶寬= （式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時所對

22、應的高端頻率和低端頻率，為載波頻率或中心頻率。）</p><p>　?。?）信號絕對帶寬 500 MHZ （使用指定的3.1GHZ—10.6GHZ頻段的通信方式）</p><p>　　圖1-1 UWB的定義</p><p>　　FCC規(guī)定UWB工作頻譜位于3.1～10.6GHz。如圖1-2所示, UWB與其他技術的產品存在同頻和鄰頻干擾問題。為了降低UWB設備

23、對處于上述頻段的其他設備的干擾，必須對UWB設備的發(fā)射功率進行限制。UWB信號發(fā)射的功率譜密度級可達-41.3dBm/MHz。</p><p>　　圖1-2 UWB頻譜與其他無線信號頻譜的關系</p><p>　　1.3 UWB的技術特點</p><p>　　由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB 具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術特點。</p

24、><p>　　(1)系統(tǒng)容量大。香農公式給出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出,帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應,這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數量大大高于3G系統(tǒng)。</p><p>　　(2)高速的數據傳輸。UWB 系統(tǒng)使用上GHz 的超寬頻帶,根據香農信道容量公式,即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低,也可以實現高的信息速率。一般

25、情況下,其最大數據傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。</p><p>　　(3)多徑分辨能力強。UWB 由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率,窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊,很容易分離出多徑分量,所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環(huán)境,UWB 信號的衰落最多不到5dB。</p><p>　　(4)隱蔽性好。因

26、為UWB 的頻譜非常寬,能量密度非常低,因此信息傳輸安全性高。另一方面,由于能量密度低,UWB 設備對于其他設備的干擾就非常低。</p><p>　　(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,可在室內和地下進行精確定位,而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內。與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級。</p>

27、<p>　　(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數。UWB 的占空比一般為0. 01～0. 001 ,具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益,抗干擾能力強。一般來說,UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。</p><p>　　(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)( PLL) 、壓控振蕩器(VCO) 、混頻器等, 因而結構簡

28、單,設備成本將很低。由于UWB 信號無需載波,而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數據,脈沖持續(xù)時間很短,一般在0. 20ns～1. 5ns之間,有很低的占空因數,所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW 的電源,是藍牙技術的十分之一[10]。盡管如此,UWB 在技術上面臨一定的挑戰(zhàn), 還有諸多技術的問題有待研究解決,比如需要更好地理解UWB 傳播信道的特點,建立信道模型,解決多徑傳播;需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理

29、等技術;研究新的調制技術,進一步降低收發(fā)結構的復雜度等。</p><p>　　第二章 UWB的原理及其波形</p><p>　　2.1 UWB的原理</p><p>　　超寬帶無線通信技術（UWB）是一種無載波通信技術，UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極

30、小，它具有通常擴頻通信的特點。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。</p><p>　　因而發(fā)射超寬帶(UWB) 信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0. 5 %) 的沖激脈沖。這種傳輸技術稱為“沖擊無線電( IR) ”.UWB - IR 又被稱為基帶無載波無線電,因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調制到更高的載頻上,而是用基帶信號直接驅動天線輸出的，由信息

31、數據對脈沖進行調制，同時為了形成所產生信號的頻譜而用偽隨即序列對數據符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調制技術就是超寬帶的兩大關鍵所在。</p><p>　　2.2 UWB信號的產生</p><p>　　從本質上講,產生脈沖寬度為納秒級的信號源是UWB 技術的前提條件。目前產生脈沖信號源的方法有兩類：</p><p>　?。?）光電方法,基本原理是利用光導開關導通瞬間的陡

32、峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬度可達到皮秒(10 - 12 )量級。另外,由于光導開關是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發(fā)展前景的一種方法。</p><p>　?。?）電子方法,利用微波雙極性晶體管雪崩特性,在雪崩導通瞬間,電流呈“雪崩”式迅速增長,從而獲得具有陡峭前沿的波形,成形后得到極短脈沖。在電路設計中,采用多個晶體管串行級聯(lián),使用并

33、行同步觸發(fā)的方式,加快了雪崩過程,從而達到進一步降低脈沖寬度的目的。</p><p>　　2.3 UWB信號的波形</p><p>　　2.1.1 UWB信道模型</p><p>　　UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級脈沖串,脈沖寬度 遠小于脈沖之間的平均間隔 ,兩個脈沖之間的間隔可以固定也可以時變。通常UWB 信號模型為:</p><p><

34、b>　　（2-1） </b></p><p>　　其中，W(t)表示發(fā)送的單周期脈沖,、分別表示單脈沖的幅度與時延。</p><p>　　2.1.2高斯脈沖信號</p><p>　　最簡單、最通用的超寬帶波形是單周期（Monocycle）脈沖信號，只所以稱它為單周期脈沖是因為這種波形只有一個脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。另一個使用高斯脈沖信

35、號的原因是為了分析的簡便。 </p><p>　　高斯脈沖信號的表達如下：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中，是表示形成的參數，和脈沖寬度有關。</p><p>　　考慮去直流分量以及上述天線的微分作用等因素，在實際應用中，我們一般使用高斯脈沖的微分形：

36、 （2-3） </p><p>　　其中，x代表微分次數。高斯脈沖的譜密度函數如下：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　它的功率譜密度如下：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　相應的高斯脈沖的

37、各次微分的功率密度的公式如下：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　如圖2-1所示為0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖。</p><p>　　圖2-1 0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖</p><p>　　第三章 UWB的調制和接收</p><p>

38、;　　3.1 UWB典型調制方式</p><p>　　IR-UWB不使用載波，直接進行基帶傳輸，是傳統(tǒng)和常用的UWB實現方式。通常采用的多址方式有TH或DS，信號調制方式可以是PPM、PAM或OOK等，其中PAM是用信息符號控制脈沖的幅度進行信息調制，OOK是PAM的一種簡化形式，PPM是用信息符號控制脈沖信號的時延來實現的。不同的多址方式與調制方式的組合形成了多種信號形式，目前較多采用的主要有PPM-TH-UW

39、B和PAM-DS-UWB。在載波調制實現的UWB系統(tǒng)中，通常采用MB-OFDM-UWB。</p><p>　　3.1.1 PPM-TH-UWB </p><p>　　PPM-TH-UWB是采用TH多址方式的二進制PPM調制的UWB系統(tǒng)，其典型的發(fā)射鏈路如圖3-1所示.</p><p>　　圖3-1 PPM-TH-UWB</p><p>　　系

40、統(tǒng)中的第一個模塊是產生待發(fā)射的二進制序列；第二個模塊是重復編碼</p><p>　　器，二進制信號經過重復編碼，引入冗余來增加抗干擾性能；第三個模塊是進行</p><p>　　TH編碼和二進制PPM調制，引入偽隨機跳時PN碼調制，接著進行PPM調制</p><p>　　引入脈沖時移；最后是脈沖形成濾波器，產生發(fā)射信號的基本脈沖波形。</p><p

41、>　　PPM-TH-UWB輸出信號可以表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中，p(t)為單個UWB脈沖， 是脈沖重復周期，稱為幀長，傳送一個比特的</p><p>　　時間為 ， = ， 為重復編碼率，跳時偽隨機碼序列 ，對信號引入TH </p><p>　　位移， 則

42、是PPM引起的位移， 是碼片時間(chip time)。</p><p>　　圖3-2是對二進制序列 進行PPM-TH調制后的信號仿真波形。仿真采用高斯二階導數波形，偽隨機跳時碼序列是 ，每個比特有五個脈沖，即五個幀組成。前面五個脈沖在對應間隙的起始位置，表示二進“0”，后面五脈沖對應間隙的后面位置，表示二進制的“l(fā)”。具體實現的參數分別為：脈沖發(fā)</p><p>　　射功率-30dBm，

43、幀長 =3 ns，重復編碼率 =5，碼片寬度 =1 ns，脈沖波</p><p>　　形的形成因子 =0.25 ns，脈沖寬度 =0.5 ns，PPM是用每個脈沖出現的位置</p><p>　　超前或落后于標準時刻一個特定的時間來表示一個特定信息的，這里脈沖位置調</p><p>　　制的偏移量是0.5 ns。</p><p>　　圖3-2

44、PPM-TH-UWB輸出信號波形</p><p>　　3.1.2 PAM-DS-UWB </p><p>　　PAM—DS-UWB是采用DS多址方式的二進制PAM調制的UWB系統(tǒng)，其發(fā)射鏈路可以表示為圖3-3所示的模型。模型中重復編碼器將二進制信息每個比特重復 次，接著進行直接序列擴頻和PAM調制，直接序列擴頻的方法是將信息序列和偽隨機序列進行模二相加，然后再進行PAM調制，最后進入脈沖形

45、成器， 產生發(fā)射信號。</p><p>　　圖3-3 PAM-DS-UWB發(fā)射系統(tǒng)模型</p><p>　　PAM-DS-UWB的輸出信號可以表示為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中， 為經過PAM調制的二進制數據， 是偽隨機碼序列，P（t）為單個UWB脈沖， 是幀長。</

46、p><p>　　圖3-4是對二進制序列 進行PAM-DS調制的信號仿真波形，這里的擴頻序列是 ，重復編碼率為5，每個比特由五個幀組成，前面五個脈沖對應二進制“0”，后面的五個脈沖對應二進制“1”。產生信號波形的具體參數分別為：脈沖發(fā)射功率-30dB，幀長 =2ns，碼片寬度 =1ns，高斯脈沖的形成因子 ，脈沖寬度 =0.5ns。</p><p>　　圖3-4 PAM-DS-UWB發(fā)射機產生信

47、號</p><p>　　3.3.3 MB-OFDM-UWB</p><p>　　MB-OFDM-UWB是載波調制的UWB系統(tǒng)中典型的實現方式。它在原理和</p><p>　　結構上與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)有很多相似之處，因此傳統(tǒng)通信系統(tǒng)的各種先進技術， </p><p>　　如CDMA、OFDM、多輸入／多輸出(MIMO)、Turbo檢測等，都可以應

48、用在</p><p>　　MB-OFDM—UWB系統(tǒng)中。當然由于UWB信號具有超寬的帶寬特性，這些技</p><p>　　術的應用與傳統(tǒng)的應用方式又有許多不同地方。</p><p>　　MB-OFDM-UWB的實現方法是在FCC規(guī)定的頻帶范圍3.1GHz～10．6 GHz </p><p>　　內，把這7.5GHz的帶寬分割成最小帶寬為500

49、 MHZ的若干個頻帶，給定用戶</p><p>　　的數據在相繼的時間內在不同的子帶上傳輸。圖3-5是MB-OFDM-UWB系統(tǒng)發(fā)</p><p><b>　　射機的簡化原理圖。</b></p><p>　　圖3-5 MB-OFDM-UWB發(fā)射機原理圖</p><p>　　在發(fā)射端，數據經過卷積編碼后進行比特交織，然后進

50、行四相移相鍵控(QPSK，Binary Phase Shift Keying)映射和正交擴頻編碼。接著進行快速傅里葉反變換(IFFT，Inverse Fast Fourier Transform)產生基帶調制信號，基帶調制信號加上循環(huán)前綴、保護間隔后，生成OFDM符號。多個OFDM符號加上導頻符號后形成一個數據包，一個已調的OFDM信號由調制在不同載波頻率上的幾個并行射的信號組成。導頻符號的信道估計部分是通過加入6個周期的OFDM訓練序

51、列構成的，該訓練序列由IFFT產生，并在時域輸出的結果中添加37個零后綴。這部分導頻符號可以用做信道頻域響應估計，生成的數字信號經過數模變換(DAC，Digital to Analog Converter)后，成為基帶模擬信號。最后基帶模擬信號利用時頻編碼調制多個不同的載波，相加合并后由同一天線輸出。</p><p>　　圖3-6是仿真產生的一個MB-OFDM-UWB符號。這里的實現參數是：OFDM 的載波數為1

52、28，每個符號的持續(xù)時間為312.5ns，包含了70.1 ns的保護時間以及242.4ns的信息時間長度，其中保護時間又包含60.6ns的循環(huán)前綴和9.5ns 的初始間隙。</p><p>　　圖3-6 一個MB-OFDM-UWB符號</p><p>　　MB-OFDM-UWB是實現WPAN的最佳選擇之一，在數字化無線家庭網絡、數字化辦公室、個人便攜設備和軍事等諸多領域都有廣闊的應用前景

53、，由于多頻</p><p>　　帶的各個子帶技術都是基于傳統(tǒng)的通信方案傳輸的，這種方式有利于實現商業(yè)化。目前，MB-OFDM-UWB已經成為高速無線個域網(HR-WPAN)的物理層技術的標準。</p><p>　　3.2 UWB信號的接收</p><p>　　UWB信號在信道傳輸的過程中會受到路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等的</p><p>

54、　　影響，另外還可能會有多址干擾、窄帶干擾以及背景噪聲的影響，這樣到達接收</p><p>　　機的信號波形會存在嚴重的失真。因此接收機的設計問題就是找到一種盡可能最佳的方式從接收信號中提取有用的信號，實現信息正確的解調和恢復。</p><p>　　在單徑、加性高斯白噪聲(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道中，UWB最佳接收機由相關器和判決器組成；在

55、多徑傳播環(huán)境下，最佳接收機的性</p><p>　　能不再是最佳，需要使用Rake接收機收集多徑能量以提高接收性能，但是因為</p><p>　　需要信道估計和同步，Rake接收機的結構比較復雜；為了減少接收機的復雜性，可以采用基于發(fā)射參考脈沖(TR，Transmitted Reference)的接收機方案，但是其傳</p><p>　　輸速率下降3 dB。下面就針

56、對最佳接收機和Rake接收機這兩種接收機進行分析。</p><p>　　3.2.1無多徑時AWGN信道的最佳接收機</p><p>　　在AWGN信道中，接收信號主要受熱噪聲的污染，熱噪聲可以通過白高斯</p><p>　　隨機過程 來表示，發(fā)射信號為 ，這里假設信道是單徑信道且無多址干擾， 則接收信號表示為：</p><p><b&g

57、t;　　（3-3）</b></p><p>　　為了保證系統(tǒng)傳輸的可靠性和功率效率，這里采用相干檢測。相干接收的最</p><p>　　佳接收機結構如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 最佳接收機框圖</p><p>　　假設收、發(fā)信號已經同步， 為本地模版信號，則模版信號為： </p><p>

58、<b>　?。?-4）</b></p><p>　　這里，重復編碼率為 ，幀長為 ， 是傳送一個比特的時間， 是j的函數，其單位能量對不同的調制方式是不同的，這里以PAM-DS-UWB信號為例，其中： (3-5)</p><p>　　接收信號r（t）與本地模版信號 進行相關，輸出為y（t），在第n個符號間隔末，即t=n 時，

59、判決變量可以表示為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　其中,“ ”是發(fā)送信息符號“1”的情況，“ ”是發(fā)送信息符號“0”的情況， </p><p>　　是信號“0”與“1”的相關系數(PPM為“0”，PAM為“ 1”)。 是單個脈沖</p><p>　　的能量， 是比特能量， ，是均值

60、為0、方差為 的高斯隨機變量。</p><p>　　令 為第n個發(fā)送信息符號，則最大似然(ML，Maximum Likelihood)判斷規(guī)</p><p><b>　　則表示為： </b></p><p><b>　　(3-7) </b></p><p>　　可以得到UWB最佳接收機的誤比特率為：

61、 </p><p>　　其中，Q( )是誤差函數， 是比特能量， 在PPM為“0”，PAM為“ 1"。</p><p>　　通過仿真，對不同信噪比和不同調制方式的UWB最佳接收機的誤比特率進</p><p>　　行了比較，圖3-8給出了2PPM和2PAM在不同信噪比情況下的誤比特率曲線圖。</p><p>　　由圖中可以看出，在單徑

62、AWGN信道中，UWB最佳接收機的誤比特率隨著噪</p><p>　　比的升高而下降；在相同信噪比的情況下，采用PAM調制比PPM調制的誤比特</p><p><b>　　率性能要好。</b></p><p>　　圖3-8 AWGN信道中2PPM和2PAM的誤比特率曲線</p><p>　　3.2.2多徑信道的Rake接

63、收機</p><p>　　UWB系統(tǒng)應用的典型環(huán)境是室內密集多徑環(huán)境，發(fā)射信號經過多徑信道的</p><p>　　衰減、時延和失真之后，在接收端得到多個信號的疊加。接收端UWB多徑信號</p><p>　　可以表示為單個發(fā)射脈沖經過時延和衰減之后的脈沖序列，接收到的信號可表示</p><p><b>　　為：</b>&l

64、t;/p><p><b>　　(3-8) </b></p><p>　　這里，h(t)表示信道沖激響應，L表示多徑數目， 是各徑幅值的衰減系數， 是各徑對應的時延。 是傳送一個比特的時間，重復編碼率為 ， </p><p>　　幀長為 ， 是脈沖能量，n(t)是高斯白噪聲。</p><p>　　在這種情況下，接收到的UWB

65、信號能量是散布在一段時間內的，出現在不同的多徑分量上，因此需要使用Rake接收機，從可分辨的多徑信號中構筑合并</p><p>　　的脈沖波形，從而提高傳輸特性。</p><p>　　這里考慮L個叉指的Rake接收機，有L個多徑對應的附加時延分別為別為 ，且有0 ，接收機由L個相關器組成，分</p><p>　　別將接收信號r(t)與本地參考信號時延 后的模板 相

66、關?？紤]第n個信息符號的檢測， 則第L個相(t)關器的輸出為：</p><p>　　= (3-9)</p><p>　　其中， 為接受信號與模板信號互相關輸出的幅值， 均值為0、方差為 的高斯隨機變量。Rake接收機的結構如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 Rake接收機框圖

67、 </p><p>　　當信道為頻率選擇性衰落信道時，對于發(fā)信號的寬帶特性，收信號r(t)具有內在的多徑分集。在此情況下，Rake接收機可利用分集技術，從可分辨的多徑信號中構筑合并的脈沖波形，以提高傳輸特性。</p><p>　　各相關器輸出的合并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、選擇

68、式合并等。</p><p>　　第四章UWB無線定位系統(tǒng)</p><p><b>　　4.1引言</b></p><p>　　定位通常是指確定地球表面的物體在某一參考系中的位置。定位技術的研究在很多領域都是比較熱門且富有挑戰(zhàn)性的問題。傳統(tǒng)的定位技術和導航有著密不可分的關系，導航是引導交通工具或者其它物體從一個位置移動到另一個位置的過程，這一過程

69、通常需要定位進行輔助。隨著定位技術的發(fā)展和定位服務需求的不斷增加，人們對定位與導航的需求包括在復雜的室內環(huán)境中，如在機場大廳、</p><p>　　倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境，利用各種定位技術確定移動終</p><p>　　端或其持有者、物品與設施等在室內的位置信息。</p><p>　　位置信息是判斷提供何種服務的重要信息之一。近年來，定位技術開始

70、應用</p><p>　　于蜂窩網系統(tǒng)設計、信道分配、切換、小區(qū)服務區(qū)域確定、E-911緊急援助、交</p><p>　　通監(jiān)控與管理等領域。在機器人、普適計算以及無線傳感器網絡等研究領域中， </p><p>　　很多研究者們提出了各種各樣的定位方法以解決實際問題，并且取得了很多進</p><p>　　展。在很多軍用和民用的場合同樣都需要精

71、確的定位信息，比如兒童搜尋，尋找</p><p>　　失落的寵物、行李，貴重物品定位，跟蹤搜索和解救人員等等因此研究無線定</p><p>　　位技術可以解決很多實際應用的問題。</p><p>　　在眾多的定位技術中，UWB由于窄脈沖的帶寬很寬，測量定位參數TOA </p><p>　　時理論上可以達到很高的精度，因此應用于室內靜止或者移動

72、物體以及人的定位</p><p>　　跟蹤與導航，具有獨特的優(yōu)勢。</p><p><b>　　4.2無線定位技術</b></p><p>　　無線定位技術有很多種實現方法，在對目標進行定位時，首先要依據信號的</p><p>　　形式來確定定位所需要的參數，然后根據定位的幾何模型建立對應的方程組，對</p>

73、<p>　　方程組求解就能獲得目標的坐標信息。下面對無線定位的相關技術進行研究。</p><p>　　4.2.1無線定位的概述</p><p>　　無線定位技術和方案很多，全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System) </p><p>　　是目前應用最為廣泛的室外定位技術。常用的室內定位技術從信號形式上看，包</p&

74、gt;<p>　　括紅外(IR，Infra-red)、超聲波(US，Ultrasonic)和射頻識別技術(RFID，Radio </p><p>　　Frequency Identification)等，這些都是傳統(tǒng)室內無線定位系統(tǒng)主要的形式。UWB </p><p>　　是近幾年新發(fā)展起來的無線定位技術，能夠實現高精度的定位。這些技術各有特</p><p

75、><b>　　點，下面分別介紹。</b></p><p>　　GPS：GPS是20世紀70年代初，美國出于軍事目的而開發(fā)的衛(wèi)星導航定位</p><p>　　系統(tǒng)，是目前應用最為廣泛的室外定位技術，能達到的定位精度范圍在5-20 m。</p><p>　　它主要利用幾顆衛(wèi)星測量的經度、緯度和高度數據計算移動用戶的位置，一般用</p&g

76、t;<p>　　于車輛導航和手持設備。在此基礎上，還出現了增強型GPS、輔助GPS等技術， </p><p>　　它們可以廣泛用于航空、航海和野外定位等領域。利用GPS進行定位的優(yōu)勢是</p><p>　　衛(wèi)星有效覆蓋的范圍大，且定位導航信號是免費的。其缺點是定位信號到達地面</p><p>　　時強度較弱，不能穿透建筑物，因此不適合室內定位，而且定位

77、器終端的成本比</p><p>　　較高，不適用于無線傳感器網絡等要求低復雜度和低能耗的場合。</p><p>　　Wi-Fi定位：這是IEEE 802．11提供的一種定位解決方案。目前，它應用于小范圍的室內定位，成本比較低。Wi-Fi定位的不足之處是它的收發(fā)器只能覆蓋半徑在90 m以內的地理區(qū)域，而且很容易受到其它信號的干擾，從而影響其定位精度，同時它的定位器的能耗也比較高。</p

78、><p>　　RFID：這種室內定位系統(tǒng)基于信號強度分析法，通過標簽檢測到的信號強</p><p>　　弱來確定目標之間的距離，采用聚合算法對三維空間進行定位。主要用于門禁系</p><p>　　統(tǒng)，包括主動RFID和被動RFID。其優(yōu)點是標簽的體積比較小，造價比較低，</p><p>　　但是它作用的距離比較近，而且不具有通信能力，也不便于整合

79、到其它系統(tǒng)中。</p><p>　　紅外室內定位系統(tǒng)：紅外室內定位系統(tǒng)是通過紅外標簽發(fā)射調制的紅外射</p><p>　　線，由室內的光學傳感器接收信號來實現定位的。雖然紅外線有相當高的室內定</p><p>　　位精度，但是由于光不能穿透障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，也就是說當</p><p>　　標簽放在衣服口袋或者有墻壁及其它遮擋時

80、，系統(tǒng)就不能實現正確的定位。目前</p><p>　　該項技術典型的代表是Active Badge系統(tǒng)。</p><p>　　US室內定位系統(tǒng)：US定位主要采用反射式測距法，通過三角定位等算法來</p><p>　　確定物體的具體位置。雖然整體的定位精度很高，可以達到厘米級，但是它也只</p><p>　　能進行視距傳播，同時需要大量的底層硬

81、件設備，因此也存在成本較高的缺點。</p><p>　　該項技術的典型應用有Cricket System和Active Bat。</p><p>　　Bluetooth室內定位系統(tǒng)：Bluetooth技術用于室內定位時，采用經驗測試與</p><p>　　信號傳播模型相結合的方式，通過測量信號強度實現定位。它最大的優(yōu)點就是設</p><p>

82、　　備體積小，易于集成在PDA、PC以及手機等設備中，容易推廣普及。在室內安</p><p>　　裝藍牙局域網接入點，把網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，并保證藍</p><p>　　牙局域網接入點始終是這個微微網的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。其技</p><p>　　術優(yōu)點是容易發(fā)現設備且信號傳輸不受視距的影響，主要不足則是對于復雜的空</p&g

83、t;<p>　　間環(huán)境建模比較困難。</p><p>　　UWB定位技術：UWB技術是一種高速、低成本和低功耗的新興無線通信技術。采用UWB技術進行定位具有抗多徑干擾、穿透能力強的優(yōu)勢，可以應用于靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤，能提供十分精確的定位精度，目前的研究、表明，UWB定位的精度在實驗室環(huán)境已經可以達到幾厘米。美國海軍已經開發(fā)了一種軍用的UWB定位系統(tǒng)(Precision Asset Lo

84、cation)，在L波段工作，瞬時帶寬可以達到約400 MHz。參考點使用高速隧道二極管檢測器來進行UWB脈沖的邊緣檢測，從而可以實現在多徑環(huán)境中找到第一個到達的脈沖信息，通過優(yōu)化算法可以算出待測點的坐標。該系統(tǒng)的試驗已成功，它在大型集裝箱貨物環(huán)境下可以達到理想的定位精度，但是在對小型貨物定位時，精度還不夠理想。美國Aether Wire公司已經開發(fā)出先進的芯片Aether5和Driver2，它們是基于COMS和UWB頻譜開發(fā)的，具有體

85、積小、功耗低、不易被察覺和定位精度高等特點，現已廣泛用于消防、反恐等重大領域。英國的Ubisense公司已經開發(fā)出成熟的UWB 室內實時定位系統(tǒng)(RTLS，Real．Time Location Systems)，可以</p><p>　　UWB無線定位技術，很容易將定位與通信結合，可以實現人們追求的“智</p><p>　　能空間”。目前UWB技術正處于發(fā)展初級階段，精確定位技術的商業(yè)化正

86、在進</p><p>　　行之中，定位算法還有待于進一步的改進。未來無線定位技術將來的趨勢是室內</p><p>　　定位與室外定位相結合，高精度的無線定位。隨著UWB技術的不斷成熟和發(fā)展，市場需求的不斷增加，在不久的將來，精確的UWB定位系統(tǒng)將會得到廣泛的開</p><p><b>　　發(fā)和應用。</b></p><p&g

87、t;　　圖4-1 超寬帶（UWB）定位系統(tǒng)原理 </p><p&

88、gt;　　4.2.2 UWB無線定位的參數</p><p>　　無線定位系統(tǒng)實現定位，一般是要先獲得和位置相關的變量，建立定位的數</p><p>　　學模型，然后再利用這些參數和相關的數學模型來計算目標的位置坐標。與位置</p><p>　　有關的參數包括：接收信號強度(RSSI，Received Signal Strength Indication)、信號到達時

89、間(TOA，Time Of Arrival)、到達時間差(TDOA，Time Difference Of Arrival)、到達角度(AOA，Angle Of Arrival)等。下面研究用于UWB定位的RSSI、AOA、TOA／TDOA等定位參數的估計方法并分析各種定位參數在UWB定位中應用的特點。</p><p>　　1．RSSI (信號接收強度)</p><p>　　采用RSSI參數

90、的定位是在已知無線信號發(fā)射功率和信道傳播模型的基礎上，通過參考節(jié)點接收到的信號功率，計算出信號在傳輸過程中的損耗，進而推算出目標節(jié)點到參考節(jié)點的距離，實現對目標的無線定位。</p><p>　　無線信號在傳輸過程中的多徑效應以及通過障礙時產生的陰影效應都會給定位帶來誤差，在信號傳輸方向上，多徑效應有時會使在相距僅半個波長的兩點上的信號強度相差30-40dB左右。為了克服多徑效應對測距的影響，對高速移動的用戶，可以

91、通過求得其接收信號強度的平均值來提高定位的準確性，但對于緩慢移動甚至是靜止的無線用戶，有效的接收信號強度平均值比較難以測得，因此，RSSI方法依賴于信道的特性，受信道參數估計影響很大。</p><p>　　信號由目標節(jié)點到參考節(jié)點的傳輸過程中受到多徑衰減、陰影衰落和路徑損失。理想情況下，通過在足夠長時間內計算接收信號強度的平均值來消除多徑和陰影衰落造成的影響，其信號路徑損耗模型可以表示為： </p>

92、<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中， 是距離發(fā)射信號d處接收信號的平均功率， 是距離發(fā)射信號 處接收信號的平均功率，它們單位都是dBm，n是路徑損失指數。</p><p>　　如果觀測時問不足夠長，將無法去除陰影衰落的影響，接收功率的數學模中需要考慮路徑損失和陰影衰落的影響。對于陰影衰落，在對數尺度下滿足均為0，方差為 的高斯

93、隨機過程。接收信號的功率P(d)可以表示為P(d)～N(P(d) )，其中， 可以通過公式(4-1)求得。這個模型可以用在LOS傳播環(huán)境，也可以用在NLOS傳播環(huán)境。</p><p>　　在UWB信道中，路徑損失和信號的頻率有關，并且距離和頻率變化所引起的路徑損失是相互獨立的，則接收信號的功率模型可以表示為： </p><p>　　P= (4—2)

94、</p><p>　　其中， (d)= 表示由距離變化引起的功率損失， 表示由頻率變化引起的功率損失。在UWB信道測量中發(fā)現，頻率變化引起的功率損失和 </p><p>　　成比例，這里m的值在0.8 1.4之間變化，a是幅度系數?？傮w的損失可以通過在信號整個頻率范圍內對路徑的損失取其積分來計算。由UWB接收信號的功率模型(4-2)式構造RSSI觀測的對數似然函數為：</p>

95、<p><b>　　。</b></p><p>　　上式說明，RSSI方法測距估計的下界由信道參數、目標節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離決定的，這種方法的精度與信號的帶寬沒有直接關系，因此這樣就不能</p><p>　　充分體現UWB很寬的帶寬在定位上的優(yōu)勢。一般在UWB無線傳感器網絡的應</p><p>　　用中，目標節(jié)點和參考節(jié)點之間

96、的距離比較近的情況下，可以使用RSSI測距方法來定位。當然還可以通過與其它的方法相結合，如RSSI／TOA或RSSI／TOOA </p><p>　　來進一步提高最終的定位精度。</p><p>　　2．AOA （信號到達角度）</p><p>　　AOA定位，是一種通過測量目標節(jié)點與參考節(jié)點之間夾角的定位方法。如</p><p>　　果使用

97、一個參考節(jié)點，這種方法能得出特定目標節(jié)點所在方向，當同時用兩個參</p><p>　　考節(jié)點測量同一目標節(jié)點所發(fā)出的信號時，兩個參考節(jié)點各自測量AOA所得方</p><p>　　向直線的交點，就是目標節(jié)點所在的位置，可以得到二維的定位信息。為了提高</p><p>　　AOA的定位精度，通常使用天線陣列，根據陣列陣元間的排列關系來確定AOA。</p>

98、<p>　　常用的天線陣列有均勻線陣(ULA)、均勻圓陣(UCA)和十字陣列。其中基于均勻</p><p>　　線陣的定位算法最為簡單，這種陣列只能提供AOA的一維信息，因此只適合用</p><p>　　在二維平面中的定位。</p><p>　　當信號由遠場入射到均勻線性陣列時，到達每個陣元的方向都可以看作是平</p><p>　　

99、行的，所以通過測量不同陣元的信號到達相位差就可以得到AOA估計值。假設在t時刻，信號S(t)由 方向入射到一個均勻線性陣列，陣列的陣元數目為N， 陣元之間的距離為d，陣列的輸出向量定義為y(t)= ，則</p><p>　　陣列信號模型表示為：</p><p>　　y= (4-4) </p><p>　　這里，

100、方向向量 為N×1的列向量，表示每個陣元</p><p>　　接收到入射信號的相對相位時延，假設陣元之間不存在互耦。其中的第i個元素</p><p>　　為 = ，i=0，1 N-1， 為S(t)的中心頻率，C為光的傳播速度，n(t)是噪聲，同樣也是N 維的列向量。向量的各個元素假定為實部、虛部互相獨立的復高斯過程，方差為 。</p><p>　　設在t=

101、0時刻，對于具有N個陣元的ULA陣列，對陣列輸出向量進行采樣，同樣不考慮陣元之間的互耦，公式(4-4)可以變?yōu)椋?</p><p>　　y=A( )s+n （4-5） </p><p>　　其中，s表示復幅度。在這個模型中，三個未知的參數分別為：信號s的波達角</p><p>　　度 、幅度A和相位 。N個天線陣元產生N個觀

102、測向量，每一個觀測向量都可</p><p>　　以看作是信號與復高斯白噪聲的疊加，假定其中噪聲的每個樣本是互不相關的， </p><p>　　這樣，任一觀測向量都可以表示為： ，i=0，1， ，N 。對于N個陣元的ULA陣列，可以推導出計算 估計的CRLB</p><p>　　Var （4-6）</p><

103、p>　　由上式可以看出，增加陣元間的距離d，或者增加陣元數N都可以減小AOA </p><p>　　測量值的CRLB，信號的入射角度日對AOA定位估計的精度也有影響，在大的</p><p>　　入射角度情況下，將會造成AOA定位估計結果的誤差很大。</p><p>　　AOA定位方法要求被測的目標節(jié)點與所有參考節(jié)點之間的無線信號是LOS </p>

104、<p>　　的，NLOS傳播環(huán)境將會給AOA定位帶來無法預測的誤差。在以LOS傳輸為主</p><p>　　的情況下，無線信號的多徑效應也會給AOA的測量帶來干擾。另外，由于天線</p><p>　　設備角度分辨率的限制，AOA的測量精度會隨著目標節(jié)點與參考節(jié)點之間的距</p><p>　　離的增加而不斷減小。由于室內的UWB信號多徑數目多，用最大似然方

105、法估計</p><p>　　每條多徑的AOA的計算量將會很大，因為這種算法的搜索維數取決于信號傳輸</p><p>　　中的多徑數目；UWB帶寬很寬，受周圍環(huán)境物體多徑散射的影響嚴重，所以其</p><p>　　AOA估計精度難以保證；在室內應用中一般需要便攜式接收設備，使用AOA中</p><p>　　天線陣列會增加系統(tǒng)的體積和成本，給接收

106、機的設計帶來麻煩，所以該方法不適</p><p>　　合用于UWB定位系統(tǒng)。但是在室外或者比較空曠的空間環(huán)境，可以考慮使用</p><p>　　AOA定位方法的，另外可以和其它方法相結合使用，比如TDOA／AOA方法來</p><p><b>　　提高定位的精度。</b></p><p>　　3．TOA/TDOA （信號

107、到達時間/時間差）</p><p>　　TOA/TDOA方法是通過測量目標節(jié)點到各參考節(jié)點之間無線信號傳輸時間</p><p>　　或者傳輸時間差來實現測距的。與AOA方法相比較，TOA/TDOA實現起來比較</p><p>　　容易，在相同的參考節(jié)點數目時，能夠提供更高的定位精度，因而是應用的最廣</p><p>　　泛的一種定位方法。在實

108、際應用中，TOA需要考慮目標節(jié)點和參考節(jié)點之間的</p><p>　　時鐘同步問題，這是影響TOA估計精度主要因素。如果參考節(jié)點之間能夠保持</p><p>　　同步，則可以測量信號到達各參考節(jié)點的時間差，即可以采用TDOA的定位方</p><p>　　法，定位參數估計原理與TOA相同，下面主要分析TOA方法。</p><p>　　測量TOA

109、參數，由目標節(jié)點向參考節(jié)點發(fā)出特定的測距命令或指令信號， 參考節(jié)點對該指令進行響應。參考節(jié)點通過已知的數據格式，解析出目標節(jié)點發(fā)</p><p>　　射信號傳輸到參考節(jié)點的時間 ，該時間主要由無線信號在傳輸過程中的傳播時</p><p>　　延、參考節(jié)點的響應時延和處理時延組成。如果能夠準確地得到參考節(jié)點的響應</p><p>　　和處理時延，就可以算出無線信號的傳

110、播時延。因為無線電波在空氣中以光速C 傳播，所以參考節(jié)點與目標節(jié)點之間的距離估值為 。當有三個參考節(jié)點</p><p>　　參與測量時，就可以根據幾何模型確定目標節(jié)點所在的區(qū)域。下面對是否受多徑</p><p>　　信道的影響分別考慮TOA測距的CRLB。</p><p>　　(1)在不考慮多徑效應的情況下，目標節(jié)點作為信號源發(fā)射已知信號S(t)，參</p&g

111、t;<p>　　考節(jié)點作為接收設備處理信號，接收信號為r(t)= s(t)+n(t)，使用TOA方法測距估計的CRLB滿足不等式： </p><p>　　Var (4-7) </p><p>　　其中， 表示無偏TOA估計的距離，SNR(Signal to Noise Ratio)為信噪比，S(f) 為發(fā)射信號的頻域變換，

112、 是有效信號帶寬， 定義為</p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　圖4-1中顯示帶寬 分別取0.5 GHz，0.75 GHz，1 GHz，3.1GHz和10．6 GHz </p><p>　　時TOA測距的CRLB曲線。由圖示可見，距離的CRLB隨著帶寬的增加而減小，在帶寬為3.1GHz時，距離的CRLB已經小于5

113、 cm。FCC規(guī)定的UWB的可用</p><p>　　帶寬為3.1—10.6 GHz，由此可知，理論上UWB的測距精度可達厘米級。</p><p>　　圖4-1 TOA估計與帶寬的關系</p><p>　　(2)在實際應用中，信號傳播環(huán)境通常會受到多徑的影響，特別是在室內定位應用中。多徑環(huán)境下TOA定位估計的CRLB的推導要相對復雜些。設目標節(jié)</p>