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UWB李聪组新
《信息论基础》实验报告
FPGA实验报告
学院电子信息工程学院
专业通信工程
姓名李聪
学号11211060
同组成员:
闫科
吴文文
韩富玮
罗玉明
指导教师张立军
作者:
李聪
时间2014年5月03日
目录
实验指导
(一)——UWB与漏泄波导无线测试环境的搭建2
一、实验目的2
二、实验原理2
1、UWB技术简介2
2、Wisair设备6
3、裂缝波导7
三、实验内容12
1、WisairUSB的连通测试12
2、Host设备的识别14
3、测试设备的连通15
4、U盘测速实验16
四.练习题19
五.思考题20
六、感想21
七、UWB设备一些知识22
UWB特点22
UWB应用22
实验指导
(一)——UWB与漏泄波导无线测试环境的搭建
一、实验目的
1、测试UWB设备与裂缝波导的兼容性
2、学习Wisair无线USB的连通方法
3、学习无线USB与裂缝波导的连通方法
4、了解UWB技术
5、了解裂缝波导技术
二、实验原理
1、UWB技术简介
UWB(UltraWideband)即超宽带技术。
正如其定义所说,超宽带是指相对带宽大于20%或者绝对带宽大于500MHz的无载波无线通信技术(如图1所示)。
为避开对GPS等低功率系统的干扰,FCC(联邦通讯委员会FederalCommunicationsCommission)为其划定了3.1-10.6GHz的频谱范围,同时规定UWB有效全向辐射功率谱密度(EIRP)小于-41.3dBm/MHz。
超宽带的特点有:
信道容量大、与其他通信系统能够共享频谱、抗噪声能力强、保密性强、功耗低、抗多径干扰能力强、定位精确且穿透力强。
FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距,金属探测,新一代WLAN和无线通信。
目前,ALEREON、ARTIMI、STACCATO和WISAIR已经提出了各自的UWB芯片方案。
图1窄带、宽带、UWB功率谱对比
与常见的通信方式相比,UWB有一些突出的优点。
表1展示了UWB技术与蓝牙、802.11a、HomeRF的参数对比。
UWB是一种发展很快的新兴技术,在无线通信领域具有广阔的应用前景。
UWB无线通信技术能够实现数据的高速传输,同时具有低功耗、低成本、高精度定位等突出优点。
与已有的无线通信系统相比,UWB系统的带宽及传输速率超高,发射功率又收到严格限制,尚存在不少技术难点亟待解决。
UWB技术在无线领域的主要应用是WPAN(无线个域网)。
目前IEEE802.15共有4个研究小组,其中802.15.1制定了蓝牙标准;802.15.2主要研究两个或以上系统的共存问题;802.15.3主要负责速率为10~55Mbps的告诉WPAN开发;802.15.4主要关注低功率、低速率WPAN系统。
IEEE于2002年专门成立了802.15.3a工作组,负责制订基于UWB的高速WPAN物理层标准,为了广泛征集提案,IEEE802.15.3a成立了TG3a工作组。
现存的UWB有两种:
一种是基于脉冲无线电方式的DS-CDMA方案,另一种是基于正交频分复用(OFDM)技术的多带OFDM(MB-OFDM)方案。
其中MB-OFDM方案已英特尔、德州仪器公司为首的多带OFDM联盟(MBOA)提出,支持者较多;而以Motorola为首的一些公司则认为其所支持的DS-CDMA方案在技术上更先进。
因为存在潜在的巨大商机,两大整阵营互不相让,两种方案都没有获得IEEE标准所要求的75%得票率,导致标准化工作陷入僵局,TG3a也在2006年1月宣布解散,宣告UWB高速应用国际标准化进程的暂时失败。
最近几年,无线USB、无线1394等标准化组织也表现出对UWB技术的浓厚兴趣,并且已经宣布将采用MB-OFDM方案作为实施UWB的基础。
显然,拥有众多强势成员的MBOA占据了UWB市场化进程中的优势,MB-OFDM方案将更有可能成为未来的主流标准。
DS-CDMA方案将许可频段分成低(3.1~5.15GHz)和高5.825~10.6GHz)两个频带。
在每个频带内,先对发送数进行直接序列扩频,然后用短脉冲发送。
低频带主要用于28.5~400Mbps数据速率的服务;高频带主要用于57~800Mbps数据速率的服务。
如果给不同用户分配不同的扩频码,则可实现码分多址。
这种方案主要有以下优点:
(a)使用的直接序列扩频和码分多址技术比较成熟;
(b)支持速率更高;
(c)结构简单,易于实现低成本、低功耗。
而MB-OFDM方案特点为MBOA将3.1~10.6GHz频段划分成14个子带,每个子带528MHz。
在次基础上定义了四个含有三个子带和一个含有两个子带的频带组。
系统采用时频交织的方式实现多址,具体方法是给每个用户分配一个独有的时频码(TFC),用户按照时频码工作于不同的频带组或者同一个频带组的不同时隙。
工作于最低频带组的三个子带时称为模式1,这也是目前方案所强制要求的,如图2所示。
每312.2ns在每个子带上交替发送一个OFDM符号。
系统共128个子载波,其中100个信息子载波,12个导频子载波,其余为保护子载波,采用QPSK映射,目前支持的数据速率为53.3~480Mbps。
MB-OFDM方案主要有以下优点:
(a)OFDM技术成熟,具有较高的频谱效率;
(b)OFDM符号前缀可以简单有效地捕获多径信号能量;
(c)通过子载波剔除方式能够轻易地抑制NBI;
(d)多子带/频带组结构可以使频谱资源分配策略更加灵活。
图2OFDMUWB方案频谱划分
两种UWB方式的对比
表2给出了DS-CDMA和MB-OFDM两种方案的主要参数对比结果。
可以看出:
第一,两种方案对频段的划分不同;第二,两种方案的调制方式不同,并由此导致采样速率、解决多径方式等参数或者方法的不同。
显然,仅从某个单项指标上很难对来那个钟方案作出评断。
例如DS-CDMA方案支持的微网数量更多,而MB-OFDM方案更容易解决多径问题,所以,从技术实现上来说,两种方案无法分出高低,只能等待市场的选择。
UWB的编码与调制编码与调制是所有数字无线通信系统的核心技术,会影响到系统的误码率、数据速率、功率利用率等各项性能指标。
对于UWB系统,目前的研究热点是自适应编码调制,就是根据信道状态信息自适应的改变调制方式,以达到优化系统的误码率、传输速率、发射功率等性能指标的目的。
一般说来,传统的自适应调制技术都可以考虑在UWB系统中应用,但需要根据UWB系统的高数据速率特点作出适当调整。
目前已有的典型算法有:
速HuGhes-HartoGs算法,即所谓贪婪算法,是一种比较经典的最优算法。
该算法每次只给当前功率增量最小的一个比特分配功率,所以每分一个比特都要对所有子载波进行一次搜索,运算复杂度很高,实用性不强。
B.S.KronGold算法是一种运算效率相对较高的最优算法。
该算法采用了拉格朗日乘数法,用查表和对分搜索的方法得到最优的拉格朗n乘子。
虽然比贪婪算法的运算复杂度低,但付出了存储复杂度的代价JihoJanG算法,或称为迭代注水算法,是一种比较有代表性的次优算法。
该算法使用注水法给各子载波分配功率,为了使分配的总比特数尽可能大,需要对注水线进行迭代,作者建议的迭代次数是10次。
在JihoJanG算法的基础上,又出现了一些改进算法110,11J,这些算法的目标是降低迭代次数或减少低信噪比下的速率损失,迭代次数最低可降至5次。
对于窄带干扰抑制,UWB系统工作在3.1~10.6GHz频段,必然和许多已有的窄带系统共存,双方的相互干扰几乎不可避免。
对于窄带系统来说,UWB信号是一种宽带干扰,而且功率谱密度很低,可以近似认为是白噪声,一般不予特别关注。
而对于UWB系统来说,窄带系统的发射功率相对较大,功率谱密度相对较高,会给系统的性能指标带来比较严重的影响。
对于MB—OFDM方案,这种影响直接表现在:
第一,喇叭天线的模数转换器(ADC)工作在时域,当采样位数比较低时,过强的窄带干扰会使UWB信号得不到有效放大,量化噪声的影响比较严重;第二,喇叭天线需要对时域采样信号进行快速傅立叶变换(FFT),时域截短会导致频谱泄漏,窄带干扰将干扰相邻子载波。
在UWB系统的窄带干扰抑制方面,目前已经有了不少研究成果,例如频率域采样技术,信道编码抑制、模数混合滤波,天线分集等等。
这些技术虽然在特定条件下可以取得比较好的效果,但往往要求过高的采样率或者采用比较复杂的算法,而对于UWB系统而言,简单是最直接的要求,所以并不能很好地满足要求,仍需继续研究。
UWB设备的工作带宽非常高,容易出现与共存的窄带设备相互干扰的问题。
UWB信号的功率谱密度被严格限制,一般将其对窄带设备造成的干扰近似为白噪声。
同时,窄带信号的功率谱密度相对要大得多,UWB设备受到的干扰不可忽视。
对于MB-OFDM系统,接收端的FFT解调需要对时域采样信号进行截短处理,窄带干扰会发生频谱泄漏,不仅影响同频子载波,还会影响到临近子载波,这将严重影响喇叭天线性能。
考虑到MB—OFDM系统可以通过简单的子载波剔除法抑制窄带干扰,
再考虑到系统的高传输速率,对窄带干扰进行简单而准确的检测就很有必要,这下面,将简单介绍MB-OFDMUWB技术。
MB-OFDMUWB技术又称多带OFDMUWB技术,多带OFDM主要面向WPAN,速率大于1lOMbps。
MBOA的多带OFDM—UWB,旨在为消费类电子产品和多媒体应用提供无线连接;高速率情况下,也可以用作无线USB和无线1394的物理层。
工作距离为10米时速率为110Mbps,工作距离短时速率可以更高。
该类系统可以与其他系统工作在同一个频段上,如可以与802.11a共享频谱。
物理层的主要技术指标为:
10米范围的速率为110Mbps,4米范围为200Mbps,2米范围为480Mbps。
MB-OFDM方案和常规的OFDM系统十分相似,这个方案的要点有:
1)多频带划分。
MB-OFDMUWB把整个UWB频谱(3.1GHz~10.6GHz)分成14个子带,每个528MHz的子频带使用多载波的OFDM调制传输信息,共128个子载波。
其中100个用于传输信息,使用QPSK调制;12个子载波用于载波和相位跟踪,10个子载波用于用户自定义的导频,剩下的6个子载波备用。
子载波的信号可以通过128点的快速傅立叶反变换来产生。
2)循环前缀设计。
采用60.6ns的循环前缀,有较强的抗多径能力。
采用9.5ns的保护间隔,为频带间的切换提供了充足的时间。
通过调频,将信息比特交织到所有的子载波上,可获得比较好的频率分集效果,提高抗频率选择性衰落和抗干扰性能。
3)可扩展性设计。
多带OFDM方案具有良好的可扩展性,能够兼顾到目前技术上可实现性和可升级性。
系统支持的数据速率有55、80、110、160、200、320、480Mbit/s。
使用的频带可以从3个频带组扩展到7个频带组。
MB-OFDMUWB将在性能方面具有优势,首先,初期速度高达480Mbps,而且由于OFDM技术使微弱信号具有近乎完美的能量捕获,所以它的通讯距离也会较远。
MB-OFDM将具有较低的功耗要求,因为它只需要较少的电路来完成同样的任务,而且,由于同样的理由,它的成本也将较低。
其次,MB-OFDMUWB架构拥有频谱灵活性。
UWB频谱不需要专门许可,因此所有共享频谱的无线器件必须共存。
尽管目前或将来存在频谱分配以及各地区对于发射的限制,但MB-OFDMUWB可以动态地在软件中关掉某些信道,从而能够符合当地的规定,使全球各地能够接受UWB系统。
其它方案并没有展现出这种灵活性。
第三,MB-OFDMUWB系统是一种复杂度较低的解决方案。
通过限制传输符号为正交相移键控(QPSK)组,DAC/ADC的解析度和数字基带的内部精确度(特别是FFT)可以降低。
载波之间的空间相对较大,放宽了载波合成电路系统的相位噪音要求,也提高了对同步误差的容错性。
移动设备的电池寿命是影响用户接收情况的关键因素。
在典型的条件下,MB-OFDMUWB能够支持的最短电池连续使用时间是两个小时,然后才需要充电。
第四,该技术提供一个嵌入式、总处于“开通"状态的、安全的基础。
在协议堆叠的一些层次上提供安全性和隐私机制,以确保达到无线技术需求的强壮性,同时保持对于用户的透明度。
从WiFi、蓝牙和其它技术获得的经验,也对其安全架构有指导意义。
4)正弦波窄脉冲传输数据。
UWB无线通信是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式。
UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
UWB抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大发送功率非常小。
UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。
低发射功率大大延长系统电源工作时间。
而且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面很广。
为保护GPS,导航和军事通信频段,UWB限制在0-960MHz和3.1-10.6GHz或在其附近,低于-41dB发射功率。
基于UWB的宽广频谱,UWB技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一,但由于UWB具有巨大的数据传输速率优势,同时受发射功率的限制,在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域,如当前WLAN和WPAN的各种应用。
此外,通过降低数据率提高应用范围,UWB具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点;UWB也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。
总的说来,UWB的用途很多,主要分为军用和民用两个方面。
在军用方面主要用于UWB雷达、UWBLPI/D无线内通系统(预警机、舰船等)、战术手持和网络的PLI/D电台、警戒雷达、UAV/UGV数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体;在民用方面,自从2002年2月14日FCC批准将UWB用于民用产品以来,UWB的民用主要包括以下3个方面:
地质勘探及可穿透障碍物的传感器(ImaGinGSystem);汽车防冲撞传感器等(VehicleRadarSystem);家电设备及便携设备之间的无线数据通信(CommunicationAndMeasurementsSystem)。
图3所示的是一台采用UWB技术的凯思特单反无线联机拍摄套件,该设备用以实现单反相机和电脑之间的文件无线传输和远程相机控制。
图3凯思特单反无线联机拍摄套件
2、Wisair设备
在本次实验中,用到的UWB设备是Wisair公司生产的wirelessUSBembedded模块(如图4所示),
图4wirelessUSBembedded模块
Wisair公司生产的无线USB模块集成了同一公司生产的WSR601芯片,这款开发板提供了USB2.0接口和UWB全向天线(图3中三角形就是该模块的天线部分),并且还集成了蓝牙和802.11无线技术,使用5V电源供电,功率为1W。
wisairUSB模块的工作频率为3.168-4.752GHz,提供了9-15个物理信道。
WisairUSB分为两种:
HostUSB和clientUSB,将两者分别与主机和外部设备相连接,则USB在两者之间建立一个无线UWB通道,这个通道允许主机和外设间在一定范围内进行无线高速通信。
Wisair为这款USB模块提供了一款manager软件,全称WirlessUSBManager,这款软件能够帮助用户进行无线USB的管理。
需注意,HostUSB和ClientUSB之间必须通过Manager进行配对后才可以使用。
3、裂缝波导
金属波导是封闭的空心金属管,早在1933年人们就在实验中发现金属管可以传输能量,并应用于二战时期的雷达中。
矩形波导是横截面为矩形的空心金属管,波导内填充空气。
波导管的材料有铜、铝、不锈钢等金属材料。
裂缝波导是指在波导管上开有一定形状和间距的裂缝,使电磁场的能量集中在波导管内,其中部分能量可以从波导的裂缝泄露到空间中,并和附近天线耦合构成无线通道。
由裂缝波导组成的裂缝波导阵列天线由于其体积小、重量轻、口径效率高、功率容量大和容易实现低副瓣及超低副瓣等优点,在机载火控雷达、导弹导引头等方面有着极为广泛的应用。
本实验采用的裂缝波导(如图5所示)是中电科微波通信公司生产的TLW5759-A-WG系列波导,该款裂缝波导主要用于轨道交通通信系统中,有大长度、近距离、连续的信号覆盖的场合。
裂缝波导传递的是射频信号,裂缝波导的端口为同轴端口N50-K,即阻抗50欧姆的N型同轴母头。
可以通过同轴转接器转到SMA、TNC等其它阻抗为50欧姆的同轴接头。
不能直接与通信接口连接,如USB。
图5裂缝波导
裂缝波导主要由多种长度规格的矩形波导管、平法兰、中间法兰、防尘罩、法兰罩等组成,其中平法兰焊接在波导管两端。
这款波导的使用频率是5735-5835GHz,传输损耗小于5dB/100m,耦合损耗小于-65dB,电压驻波比为1.05。
波导管内可以传输横电磁波(如图6所示),即TE波(H)或TM波(E)。
图6矩形波导管
波导中的TE波,可以求解得到三个方向分量的波动方程如下:
TM波的电磁场分布,三个方向分量的波动方程如下:
从前面两个TE波和TM波的波动方程中,每一组场分量方程就代表一个TE波和TM波的波形(模式),TE波以TEMN(HMN),TM波,以TMMN(EMN)表示。
式中m和n可以有一个取零值,但不能同时为零。
那么矩形波导管中可以存在无穷个TE模或TM模。
最低次的TE10模(a>b)为矩形波导管的基模(如图7所示)。
图7矩形波导管TE10波的电磁场结构
当波导管中传输微波能量时,在金属波导内表面上将产生感应电流,称为管壁电流,在微波传输情况下,电流呈现趋肤状态,即电流集中在波导管内表面层内流动,其趋肤深度在微米量级,所以波导管的电流可以看作是面电流(如图8所示)。
图8TE10波在矩形波导管壁的电流分布
如果在波导管宽边或者窄边上切割一个窄的缝隙,次缝隙切断波导壁上的传导电流,在缝隙上将产生电场,且对波导内壁产生扰动,并从波导内耦合部分电磁能量向自由空间辐射。
随着缝隙切割在波导壁的位置不同,形成不同的缝隙形式(如图9所示)。
图9不同形式的缝隙切割
裂缝波导的管体或法兰面在使用、贮存、运输过程中不应受外力
图10裂缝波导外部接口图
4、转换电缆
由于裂缝波导的接口是同轴接口N50-K,即阻抗50欧姆的N型同轴母头,不能直接与通信借口连接,如USB,因此将wisairUSB与之连接时,需要借助同轴电缆(如图11所示)进行转换。
将图3所示的三角形天线部分连线切断,则其信号无法通过天线发射出去,将这部分信号通过同轴电缆输入到裂缝波导,信号就可以在波导内进行传输了。
由于WisairUSB开发板比较小,无法直接与同轴借口连接,需要转换电缆进行转换。
本实验采用的是SMC母头到N型公头转换器(如图12所示)这样便可用SMA电缆联接波导与Wisair产生变形,如磕碰、撞击、踩踏等情况。
波导可以安装在轨道交通地面轨旁,沿轨道平行铺设。
可以安装在轨道的外侧,也可以安装在轨道内侧。
裂缝波导的安装位置与轨道动力电源间距必须大于1.5m,每隔3m,裂缝波导需要布置一个滑动支架,连接长度大于60m时,需布置一个固定支架。
裂缝波导外部接口如图10所示。
图11转换电缆
图12SMC母头到N型公头转换器
5、喇叭形收发天线
喇叭形收发天线(如图13所示)又称号角天线,是与裂缝波导相匹配的设备,是最常用的微波天线之一。
它是一段截面慢慢增大的喇叭状波导组成。
一般用作辐射器。
喇叭天线具有频带宽,损耗小,波束尖锐,旁瓣小,前后比高等优点,缺点是体积较大,而且就同一口径来说,它的方向性不及抛物面天线尖锐。
喇叭形天线结构简单,制造方便,可以看做是波导管的延续。
喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用,可以获得最大能量输出。
图13喇叭形收发天线
5、屏蔽
将WisairUSB开发板的天线切断后,仍然会有部分无线信号泄露,这部分无线信号会影响实验结果,因此需要使用屏蔽盒来屏蔽这部分信号。
本实验中可以使用现有的屏蔽盒,并将Client端除了喇叭形天线之外的部分放入屏蔽盒中,也可以用锡纸自制。
本实验中使用的屏蔽盒如图14所示。
图14屏蔽盒
三、实验内容
1、WisairUSB的连通测试
本实验测试UWB设备,即WisairUSB的连通性。
(1)WirelessUSBManager的安装插入wisair自带的光盘,打开AutoRun软件(也可从wisair官网下载软件),启动InstallWirelessUSBSoftware(如图15所示),选择Option1:
InstallDirectlyfromCD(如图16所示),此时将出现如图17所示的界面,选择China,点击next,当程序显示安装成功之后,界面如图18所示,点击OK。
图15安装步骤一
图16安装步骤二
图17安装步骤三
安装成功后,桌面右下角将出现灰色的小图标
,这个Manager的图标显示安装已经成功。
2、Host设备的识别
图19Manager对话框
图20Gs对话框
图21配对成功
从USB口插入Host设备,则Manager的图标将由灰色变为红色
,这个图标表示Host设备已被主机识别,并正在等待Client设备,此时,Host设备上的LED在慢速闪烁。
右键点击Manager图标,出现的对话框如图19所示。
其中,第一栏显示了目前插入的Host设备的ID号码,这个ID号码由12位16进制数字构成。
3、测试设备的连通
按图22所示的方法,将测试设备连起来
图22测试设备连接图
连接步骤如下:
(a)将Host设备插入主机USB口中,等待Manager图标转为红色,此时Host端LED灯缓慢闪烁。
(b)将Client设备插入转接座上边的口中,保持Client设备和Host设备朝向彼此水平。
(c)将转接座与移动电源连接起来,打开电源,此时Client端LED灯缓慢闪烁。
一段时间后,Host端和Client端LED
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