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1、摘要摘要 超宽带(U l t r a-W i d e b a n d.U W B)无线通信技术以高 传输速率、高分辨率和低功耗等优点日 益受 到 人 们青 睐;认 知 无线电(C o gniti v e R a d io.C R)技 术 在 频 谱 资 源日 益 紧 缺的 情 况 下 越 来 越 受 到人们关 注.超宽带无线通信技术的 频带很宽，不可避免的会干扰基本用户通信。结合C R技术和U W B技术的优点，认知超宽带应运而生了。它的出 现将大大促进U WB 技术的实用化进程，日 趋成为U W B技术的研究热点。本 学 位 论 文 着重 研究了 墓 于 正 交 频 分复 用(O r th
2、o g o n a l F r e q u e n c y D iv is io n M u lti p le x in g,O F D M)的 认知超宽带物理层体系结构，其核心内 容是认知超宽带的 频谱认知算法的 研究和实现。第一章简要介绍了U WB和C R的概念以 及U WB 技术和C R技术的标准化进程。第章简要描述了认知超宽带无线通信系统，包括研究背景、主要优点、系统框图 和关键技术。第三章阐述了 认知超宽带系统的频谱检测算法。在匹配滤波器法和能量检测法这两种传统检洲算 法的 研究基 础上，提出了一 种新的 检测算 法一 一循 环功率 谱 特征 检测算 法.以B P S K,Q P S
3、 K和O F D M这几种典型调制信号为例，推导循环功率谱、做出循环功率谱图，并且分别在高斯白 噪声信道和多径信道中对循环功率谱特征检测算法的检测性能进行软件仿真和性能分析。第四 章 研究了 循 环 功率 谱 特征 检 测定 点 算 法 及 其F P G A实 现.用V e r ilo g 语言 在F P G A 中 实 现了循环功率谱 特征检测定点算法，并给出了寄存器传输级视图、仿真设计和M o d l e S i m仿真波形图。第五章描述了基于高速超宽带国际标准 E C M A 3 6 8/3 6 9标准的认知超宽带物理层，提出了实现方案，完成了该方案的实现仿真。第六章是对本论文工作的总结
4、和对下一步工作的展望。认知 超宽带技术具有广阔的 应用前景，具备了 数据传输速率高、发送功率低、频谱资源灵活分配等优点，正处于蓬勃发展中。本论文对认知超宽 带系统的 物理层关键技术进行了研究，希望能 够对下一步研究工作起到积极的作用。关键字:认知超宽带 O F D M 循环功率谱特征检侧 F P G A E C M A 3 6 8/3 6 9硕士学位论文A B S T R A C T T h e U lt r a-W id e b a n d(U W B)te c h n o lo g y i s m o r e c o n c e rn e d o n t h e b a s is o f
5、it s a d v a n t a g e s o f h ig h d a t ar a t e,h i g h r e s o l v i n g r a t e a n d l o w p o w e r,w h i l e C o g n i t i v e R a d i o t e c h n o l o g y i s p a i d m o r e a tt e n t i o n w i t h t h ep r o b le m o f s p e c t r u m s c a r c it y.B u t th e f r e q u e n c y b a n d
6、w id t h o f U W B w i r e le s s c o m m u n ic a t io n s y s t e m is s ol a r g e t h a t i t i n e v i t a b l y i n t e r f e re s w i t h t h e P r i m a ry U s e r s.T h e r e f o re C o g n i t i v e U W B t e c h n o l o g y a p p e a r sc o m b i n e d w i t h t h e v i rt u e s o f U W B
7、 t e c h n o l o g y a n d C R t e c h n o l o g y.I t c a n e n h a n c e t h e p r a c t i c e o f U W Bt e c h n o l o g y a n d i t a l s o w i l l b e c o m e t h e h o t s p o t o f U WB r e s e a r c h.I n t h e t h e s i s,t h e p h y s i c a l a r c h i t e c t u r e o f C o g n i t i v e U
8、 W B w i t h O F D M m o d u l a t i o n i s s t u d i e d.T h e k e yi s t h e r e s e a r c h a n d i m p l e m e n t a t i o n o f s p e c t r u m d e t e c t i o n t e c h n i q u e s i n t h e C o g n i t i v e U W B w i r e l e s ss y s t e m T h e t h e s i s i s m a d e u p o f s i x c h a p
9、 t e r s.C h a p t e r o n e g i v e s a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o U WB t e c h n o l o g y a n d C R t e c h n o l o g y,i n c l u d i n g t h e c o n c e p t,c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e p r o c e s s o f U WB s t a n d a r d a n d C R s t a n d a r d.C h a p t e r t w o d
10、 e p i c t s t h e w i r e l e s s C o g n i t i v e U WB s y s t e m,c o n t a i n i n g t h e b a c k g ro u n d,t h e a d v a n t a g e sa n d t h e k e y t e c h n o l o g i e s C h a p t e r t h r e e s e t s f o r t h t h e s p e c t r u m d e t e c t i o n t e c h n i q u e s i n t h e C o g
11、n i t i v e U WB w i r e l e s s s y s t e m.A ft e r re s e a r c h i n g Ma t c h e d F i lt e r i n g D e t e c t i o n a n d E n e r g y D e t e c t i o n t e c h n i q u e s,a n e w d e t e c t i o n m e t h o d i se x p lo i t e d.S e t t i n g B P S K,Q P S K a n d O F D M m o d u l a t e d s
12、 i g n a l s a s e x a m p l e s,t h e f o r m u l a o f t h e i rc y c l i c-s p e c t r u m s i s d e d u c e d,t h e d i a g r a m s o f t h e m a re d r a w n a n d t h e p e r f o r m a n c e o f C y c l i c S p e c t r u mF e a t u r e D e t e c t i o n i n A d d i t i v e W h i t e G a u s s
13、N o i s e C h a n n e l a n d M u lt i p a t h C h a n n e l i s s i m u l a t e d a n d t h e i rp e r f o r m a n c e i s a n a l y z e d.I n C h a p t e r f o u r t h e f i x e d a l g o r i t h m a n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f C y c l i c S p e c t r u m F e a t u r e D e t e c t i
14、o n a red e s c r i b e d.T h e f i x e d a l g o r it h m i s i m p l e m e n t e d i n F P G A w i t h V e r i l o g l a n g u a g e.I t g i v e s o u t t h e R e g i s t e rT r a n s f e r L e v e l V i e w o f t h e k e y m o d u l e s a n d t h e s i m u l a t i o n w a v e f o r m i s re v e a
15、 l e d b y M o d l e S i m.C h a p t e r f iv e c o n s t r u c t s t h e p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n o f C o g n i t i v e U W B w i r e l e s s s y s t e m b a s e d o nE C M A 3 6 8/3 6 9 s t a n d a r d.I t p u t s f o r w a r d t h e c o n c re t e i m p l e m e n t a t i o n a
16、n d c o m p l e t e s t h e i m p l e m e n t i n gs i mu l a t i o n.C h a p t e r s i x s u m m a r i z e s t h e w h o l e t h e s i s a n d o u t l i n e s t h e f u t u r e r e s e a r c h d i r e c t i o n s.C o g n i t i v e U WB t e c h n o l o gy h a s w i d e a p p l i c a t i o n f o re g
17、 r o u n d.I t h a s a d v a n t a g e s o f h i g h d a t a r a t e,l o wp o w e r,a g i l e s p e c t r u m u t i l i z a t i o n a n d h i g h s p e c t r u m e ff i c i e n c y.I t i s t h e h o t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t a r e aT h i s t h e s i s re s e a r c h e s s o m e k
18、 e y t e c h n o l o g ie s o f p h y s i c a l l a y e r i n C o g n i t i v e U WB w i re l e s s s y s t e m t h a tm a y b e h e l p f u l t o o u r f u t u r e r e s e a r c h w o r k.K e y w o r d s:C o g n it i v e U WB,O F D M,C y c l i c S p e c t r u m F e a t u reF P G A,E C MA 3 6 8/3 6
19、9东 南 大 学 学 位 论 文 独 创 性 声 明 本人声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已 经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为 获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名:二日 期:东 南 大 学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人
20、电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名:导师签名:率处 日期:o /,Z Z 3 1第一章 绪论第一章 绪论1.1无线网络的简介 白 从 1 8 9 7 年马可尼成功完成第一次无线通信实 验以 来，随着蜂窝通信的 大发展，特别是2 0 世纪以来，无线通信日益受到重视，地位越来越重要，应用也越来越广泛。无线网络作为移动通信技术和计算机互联网 络相结合的产物，给世界任何 地方的 移动设备之间 提供高速、高质量的信息交换。无线网 络1 2 1的发展经历了
21、 几 种不同的 道路，一 条是 移动通信系 统在无线接入的 基础上 采用 互联网 协议(I n t e rn e t P ro t o c o l,I P)而发展成无线网 络的 道路，如采用全I P 的第三代移动通信厂 域网:另 一条是 互 联网 在 I F,的 基 础上 采用无线接入 技 术而 发 展为 无线网 络的 道路，如以I E E E 8 0 2.1 l a/b/g等标准为代表的无线局域网。在发展过程中，移动通信从提供单纯的语音业务逐渐过渡到数据业务和多媒体业务，而互联网也从单纯的数据业务逐 渐发展到提供语音和多媒体业务。因此，无线网 络可以认为是综合了移动通信无线接入和互联网网 络
22、协议两方面优势的传输多媒体业务的信息传输网络。1、无线广域网(W i r e l e s s W i d e A re a N e t w o r k,WW A N)-W W A N技术使用户通过远程公共网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用无线服务提供商所维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如许多城市或者国家(地区)。目 前的W W A N技术是大家所知的第二代(2 G)系统。主要的2 0系统包括全球数字移动电 话系统(G S M)、网络数字包数据(C D P D)和多址代码分区 访问。现在正在从 2 G向3 G时 代过渡，包括三个国际移动通信标准:W C D
23、M A,c d m a 2 o 0(】和 T D-S C D MA.2、无线城 域网(W ire le s s M e t ro p o l it a n A r e a N e tw o r k,W M A N)-W M A N技术是 一种无线固定宽带接入网络，工作直径超过 5 0 k m的区域，主要用于整个建筑楼或家庭与骨干网的 无线接入。WM A N提供给用户可高速访问I n t e rn e t 的无线访问网 络带宽，其需求正日 益增长。相应的 标准规范为I E E E 8 0 2.1 6 d/e.3、无 线局域网(W ir e le s s L o c a l A r e a N e
24、 t w o r k,W L A N)-W L A N技术使用户在人口 密集的 热点地方创建无线连接(例如，在公司或校园大楼里，或在公共场所，如机场)，至少能够支持大于l o o m的传输距离。WL A N可用在临时办公室或其它缆线安装受限的场所，或者用于增强现有的L A N，可 使用 户 在 不同 时 间 不同 地方 工 作.主 要 标 准 包 括I E E E 8 0 2.1 1 工 作组 制定 的I E E E 8 0 2.1 1 a/b/g.4、无线个域网(W i r e l e s s P e r s o n al A r e a N e t w o r k,W P A N)-WP
25、A N技术可为用于个人操作空间(P O S)的设备(如 P D A、移动电话和膝上电 脑)创建特殊无线通信。P O S是个人周围空间 1 0米以内的距离。目 前，两个主要的WP A N技术是 蓝牙和红外光波。为了 标准化WP A N技术的发展，I E E E已 成立了8 0 2.1 5 工作组。该工作组正在发展基于1.0 版本蓝牙规范的WP A N标准。该 标准草案的主要目 标为低复杂性、低能耗、交互性强以 及与8 0 2.1 1 网络互相兼容。相对有线网 络，无线网 络的 最大优点是摆脱有线连接，付出的代价是恶劣的无线信道环境和匾乏 的 频 谱 资 源，也 将 面临 更 多、更 大 的 困
26、难 和 挑 战 P I.随 着 人 们 对 信 息 传 输 容 量 和 质 量 需 求 的日 益增长，如何利用有限的 频谱资 源传递更多信息，即 无线网 络的频谱效率成为无线网络设计的核心问 I东南大学硕士学位论文题之一。1.2 超宽带(U W)技术及实现方案 U WB技术的历史，可以 追溯到1 9 4 2 年D e R o s a 提交的随 机脉冲系统专利。2 0 世纪6 0 年代对时 域电 磁学 的 研究 进 一 步 促 进了U W B 技 术的 发 展 I I。早 期 的U W B 技 术 主要 应用于 军 事 雷 达 和 低 截获率 月 氏 侦测率的通信系统。近年来，U W B技术开始
27、应用于民 用无线通信领域，并 有了较大的发展和变化。2 0 0 2 年4月，美国 联邦通信委员 会(F C C)发布了民 用U W B设备使用频谱和功率的 初步规定IA。按照F C C 的定 义，U W B设 备是相对带宽 大于0.2 或在传输的 任何时刻 带宽大于5 0 0 M H z 的设备。这里相关带宽定义为关=吞一 人(方+f L)l 2(1.1)其 中 寿和人分 别 为 系 统 的 高 端 频 点 和 低 端 频 点(按 一 1 o d B 计 算).按 照F C C 的 规 定，室 内U W B 通信 的 实 际 使 用 频 谱范围 为3.卜1 0.6 G H z，井 在 这 一
28、范围 内，有 效 各向 同 性发 射功 率(E ff e c t iv e I s o tr o p icR a d i a t e d P o w e r,E I R P)不超过-4 1.3 d B m/MH z,目 前，U WB的规范化工作还在进行中。在F C C对民 用U W B系统制定初步规定之后，欧洲、日 本和新加坡的有关部门也着手进行了U W B 通信的规范化工作。国际 上U WB通信的 标准化工作开始 主 要 是 在I E E E 8 0 2.1 5 无 线 个 域 网 iB 工 作 组 进 行 的;现 在 由E u r o p e a n C o m p u t e r M a
29、 n u f a c t u r e r sA s s o c i a t i o n(E C M A)组织制定了高速U WB的国际标准E C M A 3 6 8/3 6 9 标准.与传统通信系统相比，U WB具有以 下无可比 拟的技术优点:系统结构实现比 较简单，数据传愉速率高。功耗低，安全性好，多径分辨能力强。因此，U WB 技术可以 应用于无线多媒体家域网、个域网、雷达定位和成像系统、智能交通系统、军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。目 前，U W B无线通信系统有三种基本实现方案。第一，无载波脉冲方案 U W B通信的传统方式，发 射 机产 生 基 带窄 脉 冲序 列，通 过 脉
30、冲 位置 调 制(P u ls e P o s it i o n M o d u la t io n,P P M)、二 进 制移相 键控(B i p h a s e S h i ft K e y,B P S K)或脉 冲幅 度调制(P u l s e A m p l it u d e M o d u la ti o n,P A M)等调 制方式携带信息。基带窄脉冲序列直接发送到空中，而无需用载波调制。第二，单载波D S-C D M A方案 经过D S-C D M A扩频之后的信号再通过载波调制，可在任何合适的频带范围内 传输。第三，M B-T F I-0F D M方案 一将可用的频段分为 多个
31、子频带，每个子频带带宽大于5 0 0 M H z，并且每个子频带信号 是许多个正交子载波合 成的正 交频分 复用(O r th o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s io n M u lt ip le x in gO F D M)信号。因此，U WB技术是未来移动通信的核心技术之一，在数字多 媒体等领域具有巨大的 市场和诱人的应用前景。东南大学硕士学位论文 1、详 细推导了B P S K,Q P S K和O F D M信号的 循环功率 谱，揭示了 它们的固 有循环功率 谱 特征，并做出了 这些信号的 循环功率谱图。2,设 计了 适合认知超宽 带系统的频
32、谱检测算法，并以B P S K,Q P S K和O F D M信号为 例，完成了 该算法的 计算机仿真，获得了 性能仿真曲 线。3、设 计了 循 环功率谱 特征检测的 定点 算法，取得了 算法性能 和 硬件条 件的 折中，并 用V e r i lo g语言在F P G A中实现了该算法。4、设 计了 认知 超宽带 系统的一种物 理层实 现方案，并 且 在高 速U W B的 国际 标准E C M A 3 6 8/3 6 9标准中完成实现仿真。第二章 认知超宽带(C o g n i t i v e U WB)系统第二章 认知超宽带(C o g n it iv e U WB)系 统 认知超宽带是U
33、WB无线通信技术和C R技术相结合的产物，它融合了U W B无线通信技术和C R 技术的 优点，通过动态频谱接入技术很好的 解决U WB 无线通信系统与其他窄带系统的 共存问 题，是未来移动通信的发展方向之一。本章简要描述了认知超宽带系统，介绍了研究背景、主要优点、协议模型和未来应用场景等。2.1认知超宽带简介 U WB无线通信技术具有高通信容量、抗多径衰落、灵活抗干扰能力、精确的测距和定 位等 优点，C R 技术是通过智能频谱管理来解决频谱资源短缺的 最有效方法。因此，U WB 无线通信技术是与C R技术应用前景紧密相关的一项技术，它被认为是当 今多媒体宽带无线通信中最有前途的候选方案之2.
34、1.1研究背景和主要优点 现代无线通信系统的 频谱资源是由 无线电 管理 机构统筹分配的，目 前采用静态分配的原则和方案。但是随着无线通信系统层出不穷，即 使每一种 通信系统都尽量提高其自 身的 频谱利用率，有限的频谱资源也越来越不能满足日 益增长的用户需求，主要原因之一就是频谱资源的 静态分配。但是从时域和空域的双重角度来看，仍然存在许多未被充分利用的空白 频段。实际测试表明，目 前大多数频段的频谱资源利用率是很低的。图2-1 显示了F C C测定的频谱图，在美国 城市区域中，3 4 G H z的 频 谱利用率为0.5%,4 5 G H z 的 频 谱利 用率降 为().3./.11 2 1
35、。这和当 前广泛关 注的频 谱资 源短 缺问 题互相矛盾，从而产生了C R技术。C R 技术是一种通过动态频谱接入来解决频谱资源短缺的最有效方法，它是一种通过对周围无线环境的认知交互作用而自 动改变发送参数和接收参数的 无线电 技术。这种交互作用是指主动频谱认知能力，即它利用自 身具备的“智能”推理功能和工作在该频段的 用户进行土动通信和协商。C R技术的 研究意义在于 提高 频谱效率和用户容量，解决频率使用的公平性问 题。作为无线通信领域的重大进展，C R技术打破了日 益紧张的有限频谱资源的.瓶颈”障碍，改变 频谱分配策略，提高整个频带的频谱利用率。此外，由于无线链路和网络层具有智能 特性，
36、能 在有限信号空间中以最优方式有效传送信息，为日 益拥挤的无线通信系统实现频谱资源的高效率、共存、兼容和互用展示了美好的前景。东南大学硕士学位论文，:，.弓图2-1 0-6 G H z 的 频谱使用图 与窄带无线通信系统相比，C R技术尤其能 给U WB 无线通信技术带来无可比拟的 优势。首先，U WB信号的频带很宽，不可避免的覆盖现存的授权窄带通信系统，例如全球定位系统(G F S)、蜂窝移动通信、无线局域网 等。它既要面临周围 窄带无线通信系统的干扰，又将影响周围窄带通信系统，采用C R技术来实现协作共存策略将获益匪浅.U WB 设备利用C R技术能够智能的选择空闲频带进行通信，它能 够在
37、任何环境下在不影响基本用户的情况下完成信号传输，因此非常有利于U W B无线通信技术的商用化。其次，高 速U W B无线通信的国际标准E C M A 3 6 8/3 6 9 标准采用了多带正交频 分复 用(M u lt i b a n d O r th o g o n a l F r e q u e n c y D iv is io n M u lt ip le x i n g,M B-O F D M)的 调制技术，能 够非常简单的实 现 C R技术的 物理层功能，即 不使用被基本用户占 用的 那些子载波。最后，认知超宽带系统通过准确认知本地无线频谱资源，使空中接入实时自 动的 适应周围 环境
38、并消除干扰，进而实现优化格个运行网络的目标。认知超宽带技术的固有特性和突出优势成为一种新的无线通信技术，能够较好的解决提高频谱利用率的一些难题，大大推动了C R技术的 实用化进程，有理由相信，认知超宽带技术将逐渐进入人们的生活。2.1.2认知超宽带实现的可行性 近年来，U WB无线通信技术引起人们极大的兴趣，同时也在通信业界、频率管理部门 和电信标准制定团 体中引 起了 广泛的争论。U W B 信号波形分布在很宽的频带内，其频谱不可避免的与现存的授 权窄带 无 线电 系统重叠，共存和兼容成为 热点 难题。F C C在2 0 0 2 年2 月 发布了U W B 无线电的 发射模板，同 样，欧洲邮
39、政和电信管理委员会(C E F T)也为协调U WB无线频谱提出建议草案。通信业目 前普遍认为，要使 U WB发射信号的波形既要符合世界各地任惫频 谱模板还要满足抗干扰和高速传输的要求是富 有挑战的问 题。然而，引入C R技术后，认知超宽带设备具备共存、抗干扰以 及符合任何频谱模板规范的属性。U W B无线系统不可避免的 会千扰传统窄带系统，C R技术与U WB 技术相结合来解决干扰问题己 成 为 近 几 年 的 研 究 热 点。Y a m a g u c h i 等 人 在 文 献 13 1 中 描 述了 主 动 干 扰 取 消 算 法 在M B-O F D M系 统中的 实 现，并论 证了
40、M B-O F D M技术更 适合未 来C R技术的 应用.目 前高 速U W B无线 通信系统的土流实 现方案是M B-O F D M。如果将C R技术嵌入到U W B无线通信系统中，则能够通过预先检测第二章 认知超宽带(C o g n it iv e U WB)系统到干扰频率、选择适合的判决方法，使U WB系统与传统窄带系统之间的干扰减至最小。日 前验 证这些技术的 实验系统也 取得了 一 些初步 进 展1q.如美国国 防高 级研究计划局(D e f e n s eA d v a n c e d R e s e a r c h P r o j e c ts A g e n c y,D A
41、R P A)开 展7 下 一 代无线(n e X t G e n e r a t i o n,X G)通信项R的研发，设计了自 适应频谱系统原型，目 标是频谱利用率增加 1 0 倍:M I T R E公司 研发了自 适应频谱 无线电(A d a p t iv e S p e c t r u m R a d io,A S R)实 验 床，成 功验证了自 适应频谱接 入的 可行 性;维吉 尼亚 无线通信技术中心研究并设计了C R 技术仿真实 验椅和硬件实验床，基于生物启发的C R引擎节点止 在 研发 中;伯 克 利 大 学 建 立了 伯克 利 仿 真 平台(B e r k e le y E m u
42、 la t io n E n g in e,B E E 2)，对 各 种 频 谱侦听技术和算法进行了实验仿真和性能分析等。总而言之，U W B技术和C R技术相结合，是未来移动通信的 发展方向之一。在U W B系统中引入C R 技术，既 发挥了U W B系统的传输速率高、抗多 径衰落能力强，功耗小等优点，又解决了U W B系 统与 其他窄带系统共存的问题，有利于 U WB技术 在全球范围内与任何频谱模板规范相融合，推进了U WB技术在全球范围内商用化的进程.2.2认知超宽带技术 认知超宽带是U WB 技术和C R技术相结合的 产物，是未来无线通信的发展方向之一。U W B技术具有高数据传输速率
43、、抗多径衰落和低功耗等优点，在无线U S B、家庭多媒体网络、办公室网络等场合中的应用越来越引起人们的关注。在I O m范围内，与8 0 2.1 1 a.蓝牙和H o m e R F 等常见的短距离通信标准比 较，U WB技术具有杰出的 优点。C R技术是在软件无线电 技术基础上发展起来的一种频谱统筹的新技术，它能够有效利用有限的频谱资 源，实现高效灵活的频谱分配和工作状态调整。将C R技术引入U W B 无线通信系统，有利于U WB 技术符合世界各地的 频谱规范，实现在全球范围内的任何地方互相通信;U WB无线通信系统也是C R技术最现实和最实用的环境，因此认知超宽带技术是 适应多种无线 环
44、境下通用物理层的 理想候选对象，大大推进了C R技术的实用化进程。认知超宽带系统的 物理层完成了 冲突避免(D e t e c t A n d A v o i d,D A A)的功能，即 在发送信号之前先检测频带中是否存在荃本用户信号，估计信道状况，寻找空闲频带，根据相应结果动态改变发送信号的参数。认知超宽带系统的物理层包含了 检测基本用户认知频谱环境和判定决策动态改变发送信号参数两个部分。目 前，高 速U W B无线通信系统主要采用了O F D M的调制技术。它既能够满足U W B国际标准E C M A 3 6 8/3 6 9 标准的 规范，又易于实现C R技术。这在未来短距离 无线通信和数
45、字家庭多媒体等领域中都存在很大的潜在市场。本节主要介绍认知超宽带的调制技术原理、具体实现方案和潜在应用场景。2.2.1 O F D M 的原理和优缺点:2 0 世纪7 0 年代，S.B.W e i n s t e i n 提出 采用离散傅立叶变换(D i s c r e t e F o u r i e r T r a n s f o r m,D F T)实现 多 载 波 调 制，为。F D M的 实 用 化 奠 定了 理 论 基 础 i s ;2 0 世 纪8 0 年 代随 着 集 成电 路 工 艺 技 术 的 迅速发展，开始研究O F D M在高速调制解调器及移动通信领域的 研究;到2 0
46、世纪9 0 年代，这种技术己 经在欧洲数字语音广播(D i g it a l A u d io B r o a d c a s t in g,D A B),高 清晰数字电 视(H ig h-d e fi n it i o n东南大学硕士学位论文T e l e v i s i o n,H D T V)和无线局域网(W i r e l e s s L o c a l A r e a N e t w o r k,W L A N)系统中得到了 1 泛的 应用，也 将应用于13 3 G.4 G等未来移动通信的基带信号 处理中。O F D M的 基本原理 是将一个 较宽 频 带 信号 分成一 些子载波 信
47、号，高 速的 数据流将在子载 波上分流。为了 提高系统的频谱效率，通过设定子载波的频率间隔，使O F D M系统中各子载波的 频谱重叠，又需要保证它们之间正交。这就是正 交频分复用(O F D M)名称的由来。O F D M系统 收发机的典型 框图 如图2-2 所示1 6 1图2-2 O F D M收发机框图发送端士要完成从比 特流到模拟信号的 转换。首先比 特流经过编码，例如卷积码、t u r b o 码或者L D P C码，然 后经过各 种调 制(Q P S K.Q A M等)后，再 插入导 频和空子载波最 后经过串 并变 换后，作为N点反傅立叶变换(I n v e r s e F a s
48、 t F o u r i e r T r a n s f o r m,I F F T)的输入数据。考虑到实际滤波器的性能，通常在高频部分不传送数据，有一些载波用作导频传送已 知数据(用于信道估计或者频偏时 偏估计)，因 此，实际 用于 传送数据的子载波通常都小于N,I M 的 输出数据经过并串 变换后，是一个长度为N的 数据流，对这N个数据进行循环扩展，即加L 个抽样值的循环前缀(也可在尾部加上一定的 数据 构成 循环后 缀或 保护间 隔)，构 成一 个基本的。F D M符号，O F D M符号经数 模变换器(D ig it al A n a lo gC o n v e r s io n,D
49、A C)转 换 和 射频电 路 后 进 入无 线 信 道.接 收 端 完 成了 模 拟 信 号 到 数 据比 特 流的 转 换.在 接收 端 滤 波 后 经 过 模 数 变 换 器(A n a lo g D ig it a lC o n v e r s i o n,A D C)转换成数字信号，然后去除用于防止子信道间干扰(I n t e r C h a n n e l I n t e r f e r e n c e,IC I)和 符 号 间 千 扰(I n t e r S y m b o l I n t e r fe r e n c e,I S I)的 循 环 前 缀，得 到 相 应 的 数
50、据 后，进 行 多 载 波 解调，即完成傅立叶变换(F a s t F o u r i e r T r a n s f o r m,F F T),得到输出 数据，然后完成与发送端相应的解 t o第二章 认知超宽带(C o g n iti v e U WB)系统调、解交织和解码，最后得到了原始的输入数据流。由 于实际的O F D M系统经过的都是无线多径信道，所以 实际系统有必要将同步、信道估计、时偏频偏估计、均衡等模块都加入到这个系统中。O F D M技术有以 下 优点:1、高 速率 数 据流 通过串 并 转换，使每个子载 波上的 数据符号长 度相对增 加。有效地 减少与 无线信道的 时间弥