内容简介
本书是以应用在室内短距离环境下的脉冲超宽带(UWB)为主要研究对象,以系统为主,各个分系统满足系统要求进行
分析讨论.全书共分8章,分别介绍了电波传播与信道模型;传输模型与波形
设计;同步捕获、调制与解调；多址方式；天线；IR-UWB系统，以及应用。
图书目录
目 录
第1章 绪论 （1）
1.1 超宽带
无线通信技术概述 （2）
1.2 脉冲超宽带的特点与优势 （3）
1.3 本书后续章节的安排 （5）
参考文献 （7）
第2章 超宽带
信号传播特性及信道模型 （8）
2.1 超宽带信号传播特性综述 （8）
2.1.1 超宽带信号传播的弱衰落性 （8）
2.1.2 超宽带信号的强透射性 （10）
2.2 信道测量技术 （12）
2.2.1 概述 （12）
2.2.2 时域测量技术 （12）
2.2.3 频域测量技术 （13）
2.2.4 时域与频域方法比较 （14）
2.2.5 测量过程 （15）
2.3 时域和频域典型测量
案例及后期数据处理方法 （15）
2.3.1 时域测量案例及后期数据处理方法 （15）
2.3.2 频域测量案例及后期数据处理方法 （21）
2.4 信道模型 （26）
2.4.1 自由空间传播的Friis传输方程 （26）
2.4.2 带有地面反射传播的双径模型 （28）
2.4.3 超宽带多径传播模型 （31）
2.4.4 IEEE 802.15.3a超宽带室内信道模型 （35）
2.4.5 现有超宽带信道模型研究的局限性 （39）
2.5 信道模型的进一步研究 （41）
2.5.1 超宽带室内视距环境多径传播模型 （42）
2.5.2 超宽带室内非视距环境多径传播模型 （44）
2.6 本章小结 （49）
参考文献 （50）
第3章 超宽带系统中的脉冲波形 （52）
3.1 超宽带系统对发射脉冲波形的要求 （52）
3.1.1 基本要求 （52）
3.1.2 增强要求 （54）
3.2 高斯类函数 （56）
3.2.1 高斯脉冲及其导函数 （56）
3.2.2 瑞利脉冲 （58）
3.3 正交Hermite脉冲 （59）
3.3.1 正交Hermite脉冲的特性 （59）
3.3.2 施密特正交化的正交Hermite脉冲 （61）
3.4 椭球波函数 （62）
3.5 Parks-McClellan算法 （64）
3.6 半正定规划算法 （65）
3.6.1 半正定规划算法的基本思想 （65）
3.6.2 对半正定规划方法的进一步分析与改进 （69）
3.7 基于正交展开的波形设计 （72）
3.7.1 正交展开方法概述 （72）
3.7.2 基于正交Hermite脉冲的正交展开方法 （74）
3.7.3 正交波形的设计 （77）
3.7.4 对天线的失真预补偿 （78）
3.7.5 动态频谱接入的波形设计 （79）
3.7.6 仿真实例 （80）
3.8 各种脉冲波形的比较 （86）
3.8.1 对于基本要求的满足情况 （86）
3.8.2 对于增强要求的满足情况 （86）
3.8.3 现有波形的比较 （87）
3.9 本章小结 （87）
参考文献 （88）
第4章 超宽带调制及多址 （90）
4.1 调制技术 （90）
4.1.1 脉冲幅度调制 （90）
4.1.2 脉冲位置调制 （93）
4.1.3 脉冲波形调制 （95）
4.1.4 M-BOK调制 （96）
4.1.5 几种调制方式的比较 （97）
4.2 多址接入技术 （98）
4.2.1 跳时多址接入 （98）
4.2.2 直接序列多址接入 （101）
4.2.3 脉冲波形多址接入 （103）
4.2.4 几种多址技术接入的比较 （103）
4.3 超宽带发射信号的功率谱特性 （106）
4.3.1 采用TH多址接入方式的超宽带系统功率谱分析 （106）
4.3.2 跳时码及调制方式对功率谱的影响 （107）
4.3.3 具有时间抖动的功率谱 （110）
4.3.4 多径信道中TH信号的功率谱 （113）
4.3.5 多进制调制对功率谱的影响 （114）
4.4 本章小结 （115）
参考文献 （116）
第5章 脉冲信号接收技术 （118）
5.1 RAKE接收机 （119）
5.1.1 RAKE接收机的原理 （120）
5.1.2 多径分集接收策略 （121）
5.1.3 多径合并策略 （123）
5.1.4 RAKE接收机实际传输能力分析 （124）
5.2 传输参考接收机 （127）
5.2.1 简单TR接收机 （127）
5.2.2 差分TR接收机 （129）
5.2.3 平均TR接收机 （131）
5.2.4 各种TR接收方式的比较 （131）
5.3 频移参考接收机 （133）
5.4 能量检测接收机 （135）
5.4.1 基于OOK调制的能量检测接收机误码率性能分析 （137）
5.4.2 基于PPM调制的差分能量检测接收机误码率性能分析 （138）
5.4.3 能量检测接收机的优化 （142）
5.5 能量检测系统的信号捕获 （150）
5.5.1 信号捕获命中集的推导 （151）
5.5.2 不同平均方式的分析 （153）
5.5.3 数值与仿真结果比较 （155）
5.6 本章小结 （159）
参考文献 （160）
第6章 超宽带天线原理及设计 （163）
6.1 偶极场 （163）
6.1.1 电偶极场 （163）
6.1.2 磁偶极场 （164）
6.1.3 偶极子的行为 （165）
6.2 线天线和平面天线的时域特性及其实例 （170）
6.2.1 分析的一些基本原理和假设 （170）
6.2.2 实例 （171）
6.3 超宽带天线的基本参数及其与传统天线的不同 （175）
6.3.1 天线带宽 （176）
6.3.2 天线Q值 （177）
6.3.3 超宽带天线和传统天线的不同 （177）
6.4 典型超宽带天线 （178）
6.4.1 TEM喇叭天线 （178）
6.4.2 双圆锥天线 （180）
6.4.3 对数周期天线和螺旋天线 （180）
6.4.4 分形天线 （181）
6.4.5 缝隙天线 （183）
6.5 本章小结 （183）
参考文献 （185）
第7章 超宽带技术的应用及其未来发展方向 （187）
7.1 超宽带技术的应用现状 （187）
7.1.1 军事应用 （188）
7.1.2 商业应用 （189）
7.2 超宽带技术与无线传感器网络的完美结合 （191）
7.2.1 无线传感器网络 （191）
7.2.2 超宽带体制无线传感器网络中的关键技术 （192）
7.3 测距与定位 （193）
7.3.1 脉冲超宽带定位技术 （193）
7.3.2 基于TOA测距的超宽带定位 （198）
7.3.3 TOA估计 （200）
7.3.4 NLOS问题的处理 （205）
7.4 应用实例 （208）
参考文献 （213）
序言/前言
序 言
2002年4月美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）发布超宽带（Ultra-Wideband, UWB）
设备的初步
规范，在此之前UWB技术主要采用冲激
无线电（Impulse Radio, IR）形式，且主要用于军事上的
雷达和低截获/低侦察率的无线系统。1993年，R. A. Scholtz在军事通信会议上发表了“Multiple Access With Time-hopping Impulse Modulation”的
论文，开辟了将IR作为通信载体的超宽带无线
通信系统IR-UWB，即脉冲超宽带系统。随着微电子器件的高速发展，脉冲超宽带技术开始应用于民用领域，在国际上也掀起了对其研究、开发和应用的热潮，并被认为是下一代
无线通信中的革命性技术之一。我国也针对超宽带技术和系统开展了广泛的研究。国内外相继出版了一批相关的著作、书籍，这些书籍当中已经对超宽带的基本原理、性能及组成系统的相关技术作了比较详细的论述，我们这本书如沿着这些书籍的思路进行编写，势必信息量不大，价值不高。为此，我们首先较为认真地研究了超宽带本身的特性（含传输特性、信号波形特征等）以及可能应用的场合，从而确定本书写作的思路是：
系统应用场合为室内、短距离、高速的通信环境；
对设备的要求为体积小、简单、功耗低、重量轻，尽可能简化设备结构，采用较低复杂度技术等。
系统需要满足的功能为传感（含定位、测距、成像等）/通信一体化的无线通信系统。
突出时域“脉冲”特性，不能简单地套用扩频
理论。
从系统论的角度，讨论和论述对组成系统的部件所进行的多种参数折中、优化。
因此，本书的重点内容安排如下：
超宽带系统的载波是窄脉冲而不是传统的正弦波，应用环境是室内短距离，信号的传播有其特殊性，因此安排了注重工程应用的“超宽带信号传播特性及信道模型”作为第2章。
由于超宽带系统中使用的脉冲波形影响到系统的传输性能、多用户检测性能、系统容量、与窄带系统共存和兼容等特性，因此从系统对波形的一体化要求出发，安排了“超宽带系统中的脉冲波形”作为第3章。
由于载波是纳秒级或亚纳秒级的窄脉冲，对接收技术的要求就有了特殊性；同时，由于应用背景是短距离的室内高速应用，对设备也有相应的要求。因此，从这两点出发，安排了“脉冲信号接收技术”作为第5章。
本书是专业技术类的书籍，那么必须考虑技术的应用。脉冲载波的特性之一就是可形成传感/通信一体化的节点，其中传感又包括定位、测距与成像等功能。作为成像等功能的
基础，定位测距是首先需要解决的关键问题，因此安排了以定位测距为基础的应用部分“超宽带技术的应用及其未来发展方向”作为第7章。
此外，本书还有“超宽带调制及多址”以及“超宽带天线原理及设计”等基础性的章节，以保证本书的完整性。
本书是我们依托国家自然科学基金重点项目的基础上，通过整理我们自己得出的相关研究成果后编写而成的。参加该重点项目研究的单位还有桂林电子科技大学和南京邮电大学，本书中的内容虽然均是我们自主的研究成果，但在三个单位合作完成该项目的过程中，另外两家单位对于课题总体结构、具体内容上的见解与建议也对我们本书的完成具有启发和充实的作用，同时本书第7章中定位测距演示验证系统的天线也是由南京邮电大学的程崇虎教授提供的，这是由他领导的科研团队所取得的科研成果，在此表示深深的感谢。
本书还得到了国家自然科学基金重点项目“超宽带高速无线接入理论与关键技术”（60432040）的支持，以及国家自然科学基金委信息科学部张兆田主任和熊晓芸处长的大力支持，在此也表示深深地感谢。
本书由张中兆、沙学军、张钦宇、吴宣利等共同所著。其中第1章由张中兆、吴宣利、张霆廷编写；第2章由汪洋、张钦宇、沙学军编写；第3章由吴宣利编写；第4章由沙学军编写；第5章由张钦宇，沙学军、杨志华编写；第6章6.1、6.2节“天线时域特性”由南京邮电大学吕文俊副教授编译和校对，其余部分由吴宣利编写；第7章由张钦宇、吴绍华编写。全书由张中兆统稿，张乃通院士审校。博士及硕士研究生温容慧、宁晓燕、唐珣、邱昕、林迪、沈清华、吴晓涛、詹宗超等协助完成了本书的部分录入和校对工作；电子工业出版社的王春宁编辑也为本书的编辑和出版做了大量的前期工作，在此一并表示感谢。
超宽带是一门正在飞速发展过程中的技术，新技术和新方法不断涌现，由于作者水平有限，书中难免有错误和疏漏之处，望读者批评指正。
