摘 要

随着科学技术的进步，当今世界，已然朝着信息时代发展，人类的生活已经离不开信息的传输。而通信系统随着时间的漂移也不断在更新换代，比如我们使用的手机，从前的1G，2G，3G而现如今，已经变为了速度更快的4G。尽管通信系统给人类的生活带来了很大的便利，但随着时代的发展，人们对它有了更高的要求。对于传输速率的研究从最初的Kbit/s，发展到Mbit/s，而现如今变为Gbit/s。而60GHz毫米波无线通信系统拥有着许多优势，比如在短距离范围内极高的组网密度和传输速率；利用极大的氧气衰减来降低临近小区干扰；附近大约7GHz的免费带宽等，60GHz无线通信凭借自身的潜力成为了现在许多研究者的研究目标。

本文主要研究了60GHz通信系统中单载波模式下的基带通信系统的仿真，首先对其理论原理进行相关的学习，包括系统的组成结构，主要包括发射部分的信源的产生，编码调制，并串变换；信道部分的多径衰落信道以及高斯白噪声信道；接收端的串并变换，解码解调以及频域均衡。研究了传输过程中的优势和不足。在熟悉了系统的原理后使用MATLAB软件来对其进行仿真，对系统采用了编程仿真。该系统对于传输速率为Gbit/s的通信系统的研究具有重要意义。

关键词：60GHz；单载波模式；MATLAB；基带通信系统

Abstract

With the advancement of science and technology, today's world is already evolving toward the information age. Human life cannot be separated from the transmission of information. However, the drift of communication systems over time is constantly changing. For example, the mobile phones we used, the former 1G, 2G, and 3G, have now become faster 4G. Although the communication system has brought great convenience to human life, people have higher requirements for it with the development of the times. The study of the transmission rate has progressed from the initial Kbit/s to Mbit/s, but it has now become Gbit/s. The 60GHz millimeter-wave wireless communication system has many advantages, such as extremely high network density and transmission rate in a short distance range; using of great oxygen attenuation to reduce the interference of nearby cells; free bandwidth around 7GHz, etc. 60GHz wireless Communication has become the research goal of many researchers today with its own potential.

This paper mainly studies the simulation of the baseband communication system in the single carrier mode in 60GHz communication system. First of all, it analyzes its theoretical principle, including the system's structure, which mainly includes the generation of the source of the transmitting part, coding modulation and serial-to-parallel transformation. Multi-path fading channel and Gaussian white noise channel are in the channel part. Parallel-to-serial conversion, decoding, demodulation, and frequency domain equalizationt are at the receiver. It researched transmission advantages and deficiencies. After familiarizing with the principle of the system, it was simulated using MATLAB software, and the system was programmed and simulated. This system is of great significance for the research of communication systems with a transmission rate of Gbit/s.

Keywords: 60GHz; single carrier mode; MATLAB; baseband communication system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 2

1.3 研究现状和发展趋势 2

1.4 课题研究内容 3

第2章 60GHz无线通信信道 5

2.1 60GHz频段信号 5

2.1.1 60GHz频段信号的无线传播特性 5

2.1.2 天线对传播特点的影响 6

2.2 60GHz信道模型 7

2.2.1 IEEE 802.15.3c信道模型 7

2.2.2 IEEE 802.11ad信道模型 9

第3章 60GHz单载波模式通信系统设计 11

3.1 60GHz通信系统重要参数 11

3.1.1 信号功率 11

3.1.2 空间传播损耗 11

3.1.3 传播信道路径损耗 13

3.1.4 热噪声源 14

3.2 60GHz通信系统技术方案 15

3.2.1 IEEE 802.15.3c方案 15

3.2.2 IEEE 802.11ad方案 15

第4章 SC模式通信系统仿真的实现 16

4.1 SC模式系统原理及组成 16

4.2 SC模式系统的仿真分析 17

第5章 结束语 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景

通信系统的传输方式分为有线和无线两种，有线通信是指传输过程中需要借助实体媒质来进行信号的传输，传输的效率只和实体煤质自身的特性比如质量和相关的系数有关。无线通信是指传输过程中不需要借助实体煤质就可以进行信号的传输，信号是通过电磁波来进行传输的。无线通信有两种现如今比较常见的方法，即卫星通信和微波通信。卫星通信顾名思义就是利用卫星来进行信号的传播，传输的本质依然是通过电磁波来传输信号，但由于利用了太空中的卫星作为中转再像地面传输故而称为卫星通信。而微波通信中，微波属于电磁波中的一种，它的波长范围为1um-1m，很短，所以它的频率很高，频带的宽度高，即有着比较大的通信容量。相较于前者，实现起来简单一些。现在，随着时代的变迁，人们的生活已经进入了信息化的时代，对于信息的传输速率，人们有了更高的要求，有需求就有动力，通信系统才能不断的发展完善，进步向前，同时，也使人类的生活变得更加方便，快捷。

从古至今，对于信息的传输速率的提高一直都是科学家们持续性的研究的问题。起初，因为一切都是为了人们的需求，世界的需要。与此相关的产业也随着应运而生，更甚者，有的企业为了获得先机，拥有更加有优势的传输系统，不惜花费大量的财力，物力和人力来解决信息传输过程中所遇到的各种问题。在此背景下，第一个比较完整的通信系统诞生了，被世人称之为蜂窝网，是一种独立的通信系统，所使用的调制方法是FDMA（频分多址），主要传输速率较低的数据流，有较强的局限性；所以信息的传输速率更快的第二代通信系统产生了，核心技术为时分多址，虽然，传输速率较之前者提高了，但此时互联网的发展一片大好，两者不能互相融合，取两者精华，所以依然不能满足；深究其主要原因，很明显，还是信息的传输速率不够快，所以第三代通信系统随着产生，核心技术是扩频技术，即使用比所需要传输的信号的带宽还宽的信道来进行信息的传输，扩大频带的宽度，来提高信息传输速率。而现在，SCBT（单载波分块传输），OFDM（正交频分复用技术）等更加有优势的通信系统被研究者研发现世。似乎好像对于通信系统的研究已经趋于成熟，信息的传输速率也以及很高，但是随着而来的问题也越发明显。因为目前的主要技术：UWB（超宽带）无线技术和802.11n标准最多只能提供Mbit/s级的速率，而60GHz无线通信拥有Gbit/s的传输速率^[1]。附近到7GHz的免费带宽等自身独特的优势成为最具潜力的备选技术之一，如何实现60GHz微波通信系统这一问题已经成为当代社会上的研究热点。

尽管在通信系统发展的过程中遇到那么多的问题，但发展的过程就是问题被不断解决的过程，所以，我们应该在享受通信系统带给我们生活便利的同时，也要不断的学习，对具有潜力的60GHz无线通信技术进行研究。

1.2 研究目的及意义

在我们的学习生活中，从我们这一代来看，不难发现曾经的手机从1G到了现在的4G，还有，观古至今，相对于从前，各个诸侯国通过烽火，信鸽对信息进行传递而言，可以发现无线通信系统的发展可以说在某种程度上是比较迅速的，它的出现并快速的发展在推动社会进步的同时，也不断的造福着人们的生活。然而，作为推动着这一切发展的我们人类来说，不能因此就止步不前，因为时代在发展，科技在进步。

虽然不管是第一代诞生的独立的通信系统：蜂窝网，还是随之不久产生的第二代的以FDMA为核心技术的通信系统，当然还有第三代的扩频通信系统，他们都曾经给人类的生活带来了翻天覆地的变化，可以说在某种层次，方面上改变了人们的生活方式。然而尽管如此，我们对它的研究依然不能止步于此。因为随着科技的发展，人民生活水平的提高，智能移动终端以及移动互联网对于数据传输的速率的需求在持续性的高速增长，造成了无线通信对于频谱资源的需求在不断的增加，所以，适用于无线通信系统服务的频谱资源越来越稀缺。因此，无线通信发展遇到了新的瓶颈，即移动通信网络所面临着的如何满足未来高密度且大容量传输的新时代的挑战。那么该如何解决这一问题呢，这个时候我们发现在2000年后，许多国家为了研究高速无线通信，陆续开放了60GHz频率附近的连续的频谱资源；同时，半导体技术也在飞速的成长，有了实现60GHz微波通信的技术基础。为了实现Gbit/s级的传输速率的突破，60GHz微波通信毋庸置疑的成为了当代科学家和研究爱好者的所进行研究的热点问题。

只有对于60GHz无线通信技术进行深入的研究学习，掌握这门技术并加以利用，我们才能实现人类对于信息时代高速发展的今天所面临的未来高密度大容量的数据传输的需求，这不仅能推动通信系统的发展，科学社会的进步，殊途同归，最后都造福了人们的生活。

1.3 研究现状和发展趋势

随着高清晰度电视应用和高清内容，例如蓝光DVD播放机，高清机顶盒以及高清摄像机等产品的广泛的使用，当在笔记本电脑或者计算机与监视器亦或投影仪之间进行连接传输，或当在个人计算机和个人手持设备之间进行连接传输，比如数据的同步、大媒体文件的传送等等应用都对无线的高速传输有了更高的新的要求，特别是对于那些需要提供无压缩的应用的信息传输，这些应用所需要的传送能力远远的超过了目前无线通信系统所能给予的。而60GHz频段的无线传播技术提供了问题解决的可能^[2]。

60GHz频段属于毫米波，最早被应用于空间卫星们之间的通信连接，只是应用于军事领域；1994年10月，被美国应用于商业开发；2000年后，欧盟，澳大利亚，日本等国度相继开放了60GHz附近的频谱资源，固然，也包括我们国家，开放了59~64GHz频段，从而引起了全世界各大学术机构以及无线电集团的研究狂潮。截止到现在，60GHz无线通信技术已经发展形成了WiGig（2009年5月，WiGig联盟成立，由Inter、诺基亚、戴尔、微软等十五家有名的公司组成）和WirelessHD（2006年12月，由LG、松下、NEC、三星电子、索尼以及东芝公司组成产生）两大产业联盟以及ECMA一387、IEEE 802.15.3c、IEEE 802.11 ad三大通信标准。

尽管60GHz无线通信技术具有许多的优势，但发展到现在，其面临的许多问题也日益凸显，比如相比低频段来说，它有严重的路径衰减、雨衰减和氧气吸收，要想真正进入商业应用，还要解决许多问题。但随着科技的进步，研究者的不断研究，相信在不久的将来，60GHz无线通信技术将向以下几个方面发展。一是信道模型，通信系统的基础和研究热点之一，当前并未研究出适于60GHz的无线通信的信道的模型，所以，接下来会研究建立适于60GHz的无线通信的信道模型。二是智能天线技术，弥补60GHz无线通信所面临的路径损耗问题，并且小型化，高增益，便携式，容易集成可控且成本低的天线阵列会成为研发的热点，比如波束成型天线技术中的高损耗馈电网络等技术。三是电路集成技术，GaAs电路将向低成本和小型化发展；CMOS技术由于集成度高，成本低以及代价小等优点，将成为未来的重点的发展方向。四是收发机结构的加强研究。收发机乃通信系统的重要组成，所以对其的研究乃重中之重，要想实现60GHz的高速率和高带宽，研究低功耗低成本的小型单元电路以及射频收发技术将必不可少^[3]。

1.4 课题研究内容

本文主要研究的内容是在单载波模式，60GHz基带通信系统在传输信息时的仿真情况，因为现代人类对于信息传输越来越高的要求，如何在满足速率高的情况下，还要有支持的频谱资源，以及保密性等等其他通信的基本要求下的通信系统的建立虽然比较困难但却也是比较重要，为了使得通信系统在传输信息的过程中，拥有较低的误码率以及较高的传输速率，所以在合理利用高斯白噪声信道和多径衰落信道的基础上，60GHz通信系统成为了科学家和研究爱好者不断钻研和完善的问题，同时，外界对其的关注也从未减少。本文主要是对单载波模式下60GHz通信系统进行了相关研究，对系统进行了建模并且使用了Matlab来进行仿真和性能的分析。在完成毕业设计的过程中，所进行的研究内容如下：

1）根据所研究的重点词汇在图书馆，网上：知网，道客巴巴等各种网站查阅资料，学习研究了60GHz通信系统在国内外的发展现状和未来的发展趋势，并了解了60GHz频段信号以及60GHz通信系统的基本情况。分析研究了课题的目的和意义。

2）研究了60GHz频段信号的无线传播特性，信道的模型，以及一个通信系统基本的构成：发射端、信道、接收端。

3）研究了单载波模式下60GHz基带通信系统的结构、相关的功能、工作的原理和方式以及相关的协议标准等。以及现实生活中对其传播的信道具有影响的因素，比如多径衰落，高斯白噪声等的学习。

4）通过Matlab仿真软件完成对单载波模式60GHz通信系统在信道模拟下仿真的代码的编写。

5）通过对以上系统的仿真，分析结果。

第2章 60GHz无线通信信道

2.1 60GHz频段信号

2.1.1 60GHz频段信号的无线传播特性

60GHz频段的无线传播特性由60GHz本身的物理特性所决定，60GHz是毫米波，与传统的低频带的系统对比，他们都有一般的无线信道所拥有的共性的特点，但除此之外，因为它的工作的频段比较特殊，所以会附加出其他的损耗，出现比较大的差异。它的传播特性主要有以下几点。

一是自由空间中比较大的路径损耗，可以表示为:

（2.1）

式子中表示波长；d表示发射机到接收机之间的距离。我们可以知道，当频率为60GHz，传输距离为1m的时候，根据公式得到，路径损耗为68dB；当传输距离为10m的时候，路径损耗为88dB^[4]。由此可见，对于60GHz频段而言，空间中的路径损耗较大，相对2GHz的信号来说，大约高出了30dB，所以，60GHz更适合于短距离室内传输。

二是比较大的穿透损耗，对于低频信号而言，信号的穿透能力比较强，窗户，建筑等障碍物对信号造成的穿透损耗比较小，但对于60GHz毫米波而言，信号的穿透能力比较弱，穿透损耗达到了30~40dB。

三是比较大的大气衰减，什么是大气衰减，顾名思义就是当电磁波信号在大气中进行传播的时候，大气中的成分比如水蒸气和氧气会对信号的谐振进行吸收，所以产生了传输中的损耗。为什么呢？因为在电磁波信号的作用下，水分子的电偶极矩能级与氧气分子的磁偶极矩能级之间会发生量子的跃迁，这一过程吸收了电磁波中的一部分能量，而在水蒸气和氧气的谐振频率与电磁波信号的频率相吻合的时候，会产生最大的能力吸收，即此时的损耗最大。科研者对于水蒸气和氧气对不同频率的信号的吸收进行了测量，我们可以发现，当频率为60GHz的时候，刚好是氧气进行能量吸收的峰值，而雨水所产生的衰减也很明显。所以适合于在室内进行短距离的通信，此时，可以忽略大气对其造成的衰减影响。

四是比较大的雨衰，毫米波和雨滴的波长是相同的数量级，所以当信号遇到雨滴的时候会发生散射，根据科研者的测量，我们可以知道，降雨所导致的信号衰减与降雨量成函数关系，信号的衰减随着频率以及降雨量的增大而增大。

五是比较大的叶衰，叶衰的经典预测公式为：

（2.2）