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超宽带无线电基础
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原书名：Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentals
原出版社：
ISBN：上架时间：出版日期：2005 年5月开本：16开页码：343版次：1-1
所属分类：
　 本书是国际上第一本关于超宽带无线通信的基础理论著作。深入浅出，特别注重学术性与应用性相结合，既有严密的数学分析，也有大量仿真实验和例子的详细讲解，并附大量MATLAB程序，可供读者仿真验证。可作为高年级本科生和研究生的教材，也是工程技术人员学习和研究超宽带无线通信的一本优秀参考书。
　　本书是国际上第一本关于超宽带无线通信的基础理论著作。主要内容包括：ppm(脉冲位置调制)、pam(脉冲幅度调制)、ds-uwb(直接序列超宽带)和mb-uwb(多频带超宽带)；跳时、直接序列和多频带超宽带信号的产生和功率谱密度：超宽带通信系统的性能分析和链路预算：超宽带冲激无线电的脉冲形成；超宽带信道模型和接收机技术：超宽带测距和定位；超宽带网络的mac设计等。本书还对超宽带无线通信的有关标准化工作进行了介绍。
本书深入浅出，特别注重学术性与应用性相结合，既有严密的数学分析，也有大量仿真实验和例子的详细讲解，并附大量matlab程序，可供读者仿真验证。本书可作为高年级本科生和研究生的教材，同时也是工程技术人员学习和研究超宽带无线通信的一本优秀参考书。
葛利嘉，重庆通信学院教授，信息工程系主任兼数字通信与信号处理重点实验室主任，重庆大学兼职教授，重庆市电子学会常务理事，重庆市信息化领导小组咨询专家组成员。1994年在电子科技大学电子工程系获工学博士学位；后在东南大学移动通信国家重点实验室做博士后，加拿大inrs-telecommunications研究所自费公派访问学者。主要研究方向有：阵列处理与多天线通信，扩谱技术与多载波调制，超宽带无线电技术等。目前主持国家自然科学基金项目“超宽带无线电跳时扩谱技术”以及重庆市科“超宽带ad hoc无线网络关键技术研究”等科学基金项目。
超宽带无线电的定义
uwb信号与非uwb信号的比较
进一步阅读
矩形波的产生
产生固定持续时间的正弦脉冲
产生固定周期数的正弦脉冲
超宽带无线电信号
跳时超宽带信号的产生
直接序列超宽带信号的产生
多频带超宽带信号的产生
进一步阅读
等概率二进制值的产生
重复码编码
　　超宽带无线电首先在美国军方和政府部门得到实质性关注，20世纪80年代末90年代初，美国国防部首先定义了“超宽带(UWB，Ultra Wide Band)”概念，统一了历史上所称的“脉冲无线电”、“非正弦系统”、“时域通信”等概念。2002年4月，美国FCC修正了“超宽带”定义，并通过了超宽带技术在限制功率辐射条件下的商用许可，其为超宽带通信划定的频谱范围为3．1～10．6GHz，这是超宽带技术发展史上的一个里程碑。从此，超宽带无线通信开始成为学术界、企业界和有关标准化组织所关心的一个新热点。不少大公司(如Intel、IBM、Motorola和Texas Instrument)都涉足了超宽带技术的研究开发。
　　FCC关于“超宽带”的定义是：信号的相对带宽(信号频谱的带宽与其中心频率之比，又称为相对带宽)大于等于20％，或者绝对带宽大于等于500MHz。显然，此定义没有界定信号的时域波形特征，因此，有多种方式产生超宽带信号。其中，传统而且典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲(又称为冲激脉冲，impulse)的宽频谱特性来实现，直接发射经调制的窄脉冲，无需正弦载波，通常将其称为冲激无线电(IR，Impulse Radio)。当IR的带宽达到超宽带定义的要求时，称为超宽带冲激无线电(IR-UWB，Ulpa Wide Bandlmpulse Radio)，其信号调制主要是对脉冲的幅度(包括极性)和脉冲在时间轴上的位置进行调制。此外，因为IR-UWB发射非连续的脉冲串，因此很适合运用跳时(Time-Hopping)技术(事实上，也正是IR-UWB推动了近几年来跳时技术的进步)。另一类超宽带无线电仍然基于正弦载波的概念发射连续波，其超宽带的实现可采用扩展频谱技术或者提高数据速率进而提高射频带宽，典型的例子是IEEE 803．15．3a高速WPAN的多频带(MB，Multi-Band)超宽带物理层提案，它的基本特点是将FCC规定的3．1―10．6GHz带宽划分为多个满足超宽带定义的子带(大于500MHz)，在每个子带上采用正交频分复用(OFDM)。
　　超宽带无线通信的应用大体上可以分为两类，一类是短距离高速率应用，数据传输速率可高达数百Mb／s，主要是构建短距离的高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速短程有线连接，比如无线USB和DVD等，典型的通信距离是10m；另一类是中长距离(几十米以上)低速率应用，通常数据传输速率为1Mb／s量级，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。超宽带无线通信的网络形式主要是自组织(ad hoc)网络。就对应的标准而言，高速率应用对于IEEE 802．15．3，低速率应用对于IEEE802．15．4。此外，值得一提的是，超宽带冲激无线电具有特别的军事应用特色，因为发射的是窄脉冲串，因而功率谱密度很低，具有很好的低截获检测概率(LPI／D)特性，这正是超宽带技术首先在军事领域受到关注的原因所在。在军事应用上，超宽带无线通信的距离可达十几千米。
　　2004年，国际上出版了几本介绍超宽带无线通信的著作。其中，我们所翻译的这本由意大利罗马La Sapienza大学(University of RomeLa Sapienza)Maria-Gabriella Di Benedetto教授和Guerino Giancola博士编写的《超宽带无线电基础》(原名“Understanding Ultra WideBand Radio Fundamentals”)，不仅是国际上第一部超宽带无线通信的专著，同时也是学术性和应用性紧密结合的基础性著作。我们相信，本书的翻译出版将对我国的超宽带无线通信技术的研究、开发和普及起到较大的促进作用。
　　本书大体上分为三部分：第一部分(第1章到第6章)介绍超宽带无线电的基本原理、调制和频谱特性；第二部分(第7章和第8章)介绍超宽带信道模型和接收机技术；第三部分(第9章到第11章)过渡到网络方面，包括多用户通信、测距、定位和超宽带网络的媒体接人控制(MAC)。
　　本书的特点如下：
　　先进性
本书是国际上第一本关于超宽带无线通信的著作，是对目前国际上超宽带无线通信最新研究成果的总结。同时，作者曾负责欧洲的多项超宽带无线通信项目，本书融进了作者的最新研究成果；
　　基础性
主要阐述超宽带无线通信的基本原理，包括超宽带无线电信号的产生、调制和解调，以及超宽带无线网络的媒体接人控制和超宽带定位等，具有严密的数学推导，理论性强；
　　实用性
既注重基本理论的系统性，也注重实用性，结合美国FCC关于超宽带技术应用的有关规定和目前IEEE802．15．3a等标准，对其涉及的相关技术进行了阐述；
　　实践性
针对理论分析的内容，每章均详细讲解了仿真实验或应用例子，并附有大量的MATLAB程序，可供读者仿真使用；
　　读者的广泛性
可作为新技术新理论的入门著作，具有一定无线通信理论基础的读者，都可以读懂本书。特别适合高年级本科生、研究生和无线通信技术人员学习超宽带无线电通信技术，也是超宽带技术研究和系统设计的一本优秀参考书。
　　本书的翻译由葛利嘉教授策划和组织。在按分工译出初稿的基础上，由葛利嘉教授对译稿进行全面修改、审校和部分重译，并最终定稿。初稿由朱林(第5，9章)、袁晓芳(序言、第1，6章和附录)、陈帮富(第3，4章)、李长勇(第11章)、杨献哲(第8章)、王婷婷(第10章)、刘耀东(第7章)和洪蕾(第2章)等按分工翻译，曾凡鑫教授对初稿进行了初步修改，郑相全博士修改了第11章。本书由葛利嘉教授审校。
　　袁晓芳和刘耀东等为书稿的整理和图表的准备做了大量工作。电子工业出版社通信电子编辑室竺南直主任、编辑王春宁同志等为本书的出版付出了辛勤的劳动，在此表示感谢。我们同时也感谢近年来国家自然科学基金项目(项目编号：)和重庆市应用基础项目(项目编号：7364以及8030)对我们研究超宽带无线通信的资助，正是这些项目的研究成果积累，才使我们具备了翻译此书的技术基础。
　　为便于读者查阅原文内容，书中“仿真实验”部分有关变量、矢量、函数符号及附录依照原版书的表示方式未做改动。
　　由于译者水平有限，加之我们希望尽快让本书与作者见面，时间仓促，不免有翻译不当或错误的地方，敬请读者批评指正。我们的电子邮件地址是：lijiage@hotmail．com。
　　2005年2月于重庆林园
　　在过去两年中，人们已经见证了芯片制造公司和超宽带(UWB)标准化团体对UWB增长的兴趣。UWB具有诱人的特性，比如灵活性和鲁棒性以及高精度测距能力，引起了人们的关注，使得UWB成为多种应用的优秀候选技术。美国的一些标准化组织制定了关于限制强功率辐射的标准，而且这个标准也有可能被其他一些国家采用，UWB正在显现为短距离高速率和中长距离低速率应用的特别诱人的技术。短距离高速率应用包括：支持多媒体业务的无线个人局域网(WPAN，Wireless Personal Area Networks)，替代电缆线(如无线USB和DVl)，以及穿戴式设备(如无线Hi-Fi头戴耳机)等。中长距离低速率应用包括：长距离传感器网络(如室内／室外分布式监视系统)，非实时数据应用(如E-mail和短信)，以及包括所有传输距离为几十米、速率为1Mb／s量级的场合。最近刚刚颁布的IEEE 802．15．4关于低速WPAN的标准[IEEE 802．15．4-]增加了人们对低比特速率情况的关注。
　　上面所提到的应用情形，涉及到通常采用自组织原理的网络(即分布式网络)。这些网络的例子是adhoc和传感器网络，即无线终端分布在一个有限的地理区域内，以无基础设施的方式通信，没有任何中心协调单元或基站。通信路由可以由多跳组成以扩展覆盖范围。从本质上讲，这跟蜂窝网络模型不一样。在蜂窝网中，结点之间的通信通过与中心协调单元建立单跳连接实现，其中心协调单元作为无线结点与固定线路设施之间的接口。
　　本书的目的是帮助读者理解UWB。但是，什么是UWB呢?
　　通常一致的看法是，如果一个信号的带宽相对于载波频率或中心频率来说比较宽，即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。我们更常用的定义来自于雷达领域，跟这个定义比较一致，只是更进一步要求电磁波波形的瞬时相对带宽大于0．20～0．25。由于这些波形的带宽很宽，因此要求它们必须能够与其他的空中接口波形友好共存。共存性问题导致对功率谱密度(PSD)的严格限制，这就引出功率高效网络的设计问题。
　　传统上，UWB信号是通过传输很窄的脉冲来获得的，而不是传输连续的波形，而且没有用到射频调制。这项技术目前已在雷达系统中广泛应用，称其为冲激无线电(1R，Impulse Radio)。
　　事实上，对于无线通信，利用无线电传输信息的最初技术就是以辐射脉冲信号为基础的。例如，在[Sobol，1984]这篇里程碑回顾的论文中描述，早在年，马可尼(Marconi)就率先实现了利用火花隙(sparkgap)发射机向2英里(1英里=1．6093千米)外传输莫尔斯电码，而早在1900年，Fessenden就利用了火花隙发射机将声音传到了1英里以外。由于技术上的限制和需求可靠通信的商界压力，研究和开发转向连续波传输，直到最近几年，IR都只是局限在雷达领域。但是Marconi的一些追随者也不断地出现：1946年，开发了一种不寻常的微波中继系统田lack，Beyer,Grieser,Polhnghom，1946]，该系统以传输脉冲信号为基础，采用脉冲位置调制(PPM)方式，双向语音传输的无线链路总共可达1600英里，单向时为3200英里。[Barrett，2000]中对IR-UWB在通信和雷达系统中的应用和发展历史做了全面的叙述。正如Barrett在文章中指出，美国国防部于1989年“铸造”了UWB这个词。20世纪90年代，一些中小型企业又重新引入基于UWB概念的无线通信的思想，并进一步发展了遵从m范例的WvVB技术，提升了无载波和极短脉冲传输技术。
　　UWB无线通信史上最具里程碑意义的事件发生在2002年4月，美国FCC(FederalCommunications Commission)批准了第一个指南，允许(至少在美国)在指定的功率辐射掩蔽(emissionmask)下的UWB信号有意识发射[FCC，2002]。然而，根据FCC的规定，UWB概念并不局限于脉冲传输，而是可以扩展为类似连续的传输技术，只要发射信号的带宽大于500MHz。FCC规定的发布产生了双重影响。一方面，FCC关于UWB的辐射规定，提高了主要芯片生产厂商(如Texas Instrument、Motorola、IBM和Intel等)的兴趣；而另一方面，引发了围绕IR方式与传统的基于连续载波传输技术的优势问题的争论。争论一直没有达成一致，这一点可从当前在UWB标准问题上的分歧，尤其是IEEE802．15．3a任务组(TaskGroup)的框架便知。这个任务组于2001年底为了发展高速低功耗的WPAN而成立。到2004年3月为止，对基于UWB的物理层提出了两种仍在考虑中的提案：一种是将跳频与正交频分复用(OFDM)结合起来的MB(Multi-Band)方案[Ba~aetal，20031，另一种是保存了原始UWB脉冲属性的DS-UWB方案[Robe,s，2003L
　　为了评估和比较向IEEE提交的不同物理层提案，802．15．3a研究组(Study Group)成立了专门的委员会致力于定义一个标准的UWB信道模型。2003年2月，公布了一份总结信道模型委员会工作的最终报告口EEE 802．15．SG3a，2003L在这份报告中，IEEE为室内UWB传播提出了一种信道模型，并就如何使用该模型来计算物理层的性能提出了意见和建议。
　　在WLAN和WPAN协议的定义中，媒体接人控制(MAC)是另一个充满生机的领域。这些协议包括传输速率高达54Mb／s的WLANIEEE802．11和HIPERLAN／2标准，短距离低速率无线通信的蓝牙协议和最近提出的关于短距离高速率WPAN的IEEE 802．15．3标准[IEEE 802．15．3-]。后者定义了高速率(11～55Mb／s)、传输距离达50m情况下的MAC协议。此协议基于TDMA，本来是为2．4GHz自由频段的传统窄带(带宽为15MHz)物理层建立的。尽管此协议既不是为UWB“量身定做”的，也不是对UWB特性优化的，但是，突然出现而且对UWB的强烈关注，导致在UWB的物理层也采用IEEE 802．15．3MAC层协议。
　　对于UWB低速率、有定位功能的应用，IEEE 802．15．4a任务组于2004年5月召开的第一次会议表明已经迈出了标准化的第一步。其主要关心的是提供具有高精度测距和定位功能、低功率辐射和低功耗以及低成本的通信。
　　在美国之外，特别是在欧洲，ETSI(European Telecommunications Standards Institute)的TG31A组织正在进行短距离UWB标准化活动。目前，该组织正准备发布第一个UWB标准草案。在研究过程中，成立于2004年1月的IST欧共体项目PULSERS(WWW．pulsers．net)起到了组织领导作用，PULSERS项目聚集了欧洲和国际上的30多个合作伙伴。如何在本书中查找有关该标准的信息，可参见本书的附录。
　　本书涵盖了UWB无线通信的理论基础，给出了UWB通信系统和概念的许多实际例子。每章都针对所分析的内容在理论和实际方面进行论述。实际方面的内容在正文中以突出的段落编排，我们称为“仿真实验”。在这些仿真实验中包含MATLAB程序，其目的是加深对理论知识的理解，同时也通过仿真例子得到理论上的补充。仿真实验可以帮助读者全面理解理论知识，并将理论和实际应用相结合，例如，像IEEE 802．15．3a信道模型这样的一些特殊算法的仿真。同时，我们还希望通过这些实际例子的训练，激励读者思考并增强对UWB无线通信的创造性认识。在每一章的最后，我们增加了“进一步阅读”一节，为读者提供关于相关文献的建议。
　　本书的组织
　　本书可以概略地分为三部分。第一部分(第1章到第6章)涵盖超宽带无线电的基本原理、调制和频谱特性；第二部分(第7章和第8章)包括信道模型和接收；第三部分(第9章到第11章)过渡到网络方面。各章的具体内容简要说明如下。
　　第1章介绍超宽带无线通信的核心概念，并给出UWB信号的定义，同时根据美国权威组织最新发布的标准分析了UWB的原理。
　　第2章阐述了产生UWB信号的几种不同方法。描述了基于窄脉冲信号位置调制(PPM，Pulse Position Modulation)或幅度调制(PAM，Pulse Amplitude Modulation)的冲激无线电(Impulse Radio)方式，强调了数据符号的编码方式，例如，跳时(time hopping)和DS。本章也讨论利用非脉冲方式产生UWB信号的方法，如利用OFDM产生UWB信号。在这种方式中，“超宽带”是通过极高的数据速率实现的。
　　第3章推导采用PPM调制的跳时UWB信号的功率谱密度(PSD)。推导方法采用了过去原有的模拟PPM理论，并将其与目前在无线通信中流行的数字形式结合起来。
　　第4章推导DS-UWB信号的PSD。本章也包括推导使用PAM的跳时超宽带(TH-UWB)信号的PSD，这可以从DS情况下的PSD直接推得。
　　第5章分析非脉冲调制方式的频谱特性，由于OFDM方式作为IEEE 802．15．TG3a的多频带提议，本章对其进行了特别的讨论。
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