无线家庭网络电磁环境及关键射频技术的研究

论文摘要

本学位论文深入研究基于无线个域网（WPAN）技术构建的无线家庭网络电磁兼容性能以及通信设备的关键射频技术。在分析了现有各种网络技术及其并存状况的基础上,给出了基于WPAN构建无线家庭网络的方案,剖析了该方案的电磁环境,研究了多种网络共存环境下提高本文方案中无线通信系统性能的关键射频技术。论文首先综述了家庭网络技术的研究现状,比较了国内外现有家庭网络的解决方案,指出采用蓝牙技术构建家庭网络无线子网比较适合我国国情,提出两种在现存网络条件下的无线家庭网络蓝牙技术解决新方案,并针对第二种方案,提出了低成本嵌入式实现方法。然后,根据WPAN系统各种电磁干扰的特点,提出以干扰总电平为变量的干扰数学统计模型,以此分析跳频技术在电磁干扰环境下的平均误比特率性能,并将分析结果与仿真结果比较从而证明此统计模型的准确性。接着,阐述了低噪声放大器（LNA）最小噪声设计准则和最大增益设计准则在WPAN系统设计中的矛盾,在讨论串联电感对LNA匹配阻抗作用的基础上,提出一种将串联电感反馈与优化仿真相结合的LNA设计方法。该方法不仅解决了两准则间的矛盾,还大大缩短了设计时间。最后,分析了多种适用于WPAN系统的天线的各项特性参数,研究了倒F型天线输入阻抗随其尺寸参数的变化规律,仿真了单频印制倒F型天线的尺寸参数对其各项性能指标的影响效果,并据此提出可工作于2.45GHz和5.25GHz的改进型双频印制倒F型天线。该天线可直接印制在FR-4板材上,结构紧凑,馈电方便,设计灵活,且具有等向辐射和交叉极化特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 家庭网络的相关概念
• 1.2 家庭网络的智能服务功能
• 1.3 家庭网络的功能结构及相关技术
• 1.3.1 家庭网络的功能结构
• 1.3.2 家庭网络的相关技术
• 1.3.2.1 外部网络接入技术
• 1.3.2.2 内部网络连接技术
• 1.4 家庭网络的发展状况
• 1.4.1 国外发展状况
• 1.4.2 国内发展状况
• 1.5 家庭网络的发展趋势及研究方向
• 1.5.1 家庭网络的无线未来
• 1.5.2 无线家庭网络的研究方向
• 1.5.2.1 基于WPAN 构建无线家庭网络方案的研究
• 1.5.2.2 基于WPAN 构建无线家庭网络电磁环境的研究
• 1.5.2.3 基于WPAN 构建无线家庭网络关键射频技术的研究
• 1.6 论文的主要研究内容和章节安排
• 第二章 家庭网络现有技术及方案比较
• 2.1 家庭网络的外部网络接入技术比较
• 2.1.1 有线宽带接入技术
• 2.1.1.1 FTTH
• 2.1.1.2 xDSL
• 2.1.1.3 HFC
• 2.1.1.4 PLC
• 2.1.2 无线宽带接入技术
• 2.1.2.1 LMDS
• 2.1.2.2 MMDS
• 2.1.2.3 DBS
• 2.1.2.4 WLAN
• 2.2 家庭网络的内部网络连接技术比较
• 2.2.1 家庭网络的中间件层协议规范
• 2.2.1.1 HPnP
• 2.2.1.2 UPnP
• 2.2.1.3 JINI
• 2.2.1.4 HAVI
• 2.2.1.5 Home API
• 2.2.2 家庭网络的底层协议规范
• 2.2.2.1 X-10
• 2.2.2.2 CEBus
• 2.2.2.3 LonWorks
• 2.2.2.4 Home PNA
• 2.2.2.5 Home RF
• 2.2.2.6 WPAN
• 2.3 家庭网络现有方案的比较
• 2.3.1 有线方案
• 2.3.1.1 电话线方案
• 2.3.1.2 有线电视同轴电缆方案
• 2.3.1.3 交流电力线方案
• 2.3.1.4 以太网配线方案
• 2.3.1.5 USB 方案和IEEE 1394 方案
• 2.3.2 无线方案
• 2.3.2.1 红外方案
• 2.3.2.2 射频方案
• 2.4 小结
• 第三章 基于WPAN 构建无线家庭网方案的研究
• 3.1 引言
• 3.2 无线家庭网络之蓝牙解决方案的技术前提
• 3.2.1 蓝牙的相关技术参数
• 3.2.2 蓝牙的网络拓扑结构
• 3.2.3 蓝牙的协议体系
• 3.2.4 蓝牙的硬件接口
• 3.2.4.1 蓝牙系统的构成
• 3.2.4.2 蓝牙设备与主机终端接口的种类
• 3.3 无线家庭网络现有的蓝牙解决方案
• 3.3.1 蓝牙无线家庭网络的外网接入方式
• 3.3.2 蓝牙无线家庭网络的连接方案
• 3.3.2.1 蓝牙、串口线相混合的连接方案
• 3.3.2.2 全无线的蓝牙连接方案
• 3.3.3 蓝牙无线家庭网络的组网方案
• 3.3.3.1 微微网组网方案
• 3.3.3.2 分布式网组网方案
• 3.4 无线家庭网络之与现存网络相交织的蓝牙解决新方案
• 3.5 无线家庭网络之与现存网络相独立的蓝牙解决新方案
• 3.5.1 总体结构
• 3.5.2 嵌入式接入设备的硬件结构
• 3.5.2.1 射频部分
• 3.5.2.2 嵌入式平台——控制部分和以太网部分
• 3.5.2.3 电话部分
• 3.5.3 嵌入式接入设备的软件结构
• 3.5.3.1 Internet 相关软件及蓝牙协议栈结构
• 3.5.3.2 PSTN 相关软件及蓝牙协议栈结构
• 3.5.4 数据安全
• 3.5.5 蓝牙解决方案的测试
• 3.5.5.1 硬件电路的调试
• 3.5.5.2 软件的调试
• 3.5.5.3 系统试验
• 3.6 小结
• 第四章 基于WPAN 构建无线家庭网络电磁环境的研究
• 4.1 引言
• 4.2 WPAN 应用电磁环境下干扰的种类及特点
• 4.2.1 家用电器
• 4.2.2 广播电视系统
• 4.2.3 其他扩频通信系统
• 4.3 WPAN 应用电磁环境下干扰的拓扑结构和传播模型
• 4.3.1 拓扑结构
• 4.3.2 传播模型
• 4.4 WPAN 应用电磁环境下干扰总电平的数学统计模型
• 4.4.1 阻塞率数学模型的建立
• 4.4.1.1 广义线性模型的结构
• 4.4.1.2 阻塞率的线性模型
• 4.4.1.3 关联函数的选择
• 4.4.2 干扰总电平概率分布函数
• 4.4.3 干扰总电平概率密度函数
• 4.4.4 干扰总电平的均值及模型系数的确定
• 4.5 WPAN 应用电磁环境下受干扰程度的分析
• 4.5.1 WPAN 系统的FHSS 模型
• 4.5.2 FHSS 的瞬时误比特率
• 4.5.3 FHSS 的平均误比特率
• 4.5.3.1 FHSS 在AWGN 环境下的平均误比特率
• 4.5.3.2 FHSS 在部分频带干扰下的平均误比特率
• 4.5.3.3 FHSS 在WPAN 应用电磁环境下的平均误比特率
• 4.6 WPAN 环境下系统受干扰程度的仿真
• 4.6.1 FHSS 系统仿真模型
• 4.6.1.1 仿真的理论模型
• 4.6.1.2 仿真的简化模型
• 4.6.2 干扰仿真模型
• 4.6.2.1 干扰源的模型
• 4.6.2.2 干扰源分布的模型
• 4.6.3 仿真结果及分析
• 4.7 小结
• 第五章 基于WPAN 构建无线家庭网络LNA 技术的研究
• 5.1 引言
• 5.2 WPAN 系统接收机的相关性能参数
• 5.2.1 WPAN 系统接收机的灵敏度
• 5.2.2 WPAN 系统接收机的噪声参数
• 5.2.2.1 噪声系数和噪声指数的定义
• 5.2.2.2 级联放大器的噪声系数
• 5.2.2.3 噪声量度
• 5.3 LNA 的设计准则
• 5.3.1 LNA 的最小噪声设计准则
• 5.3.1.1 双端口网络的噪声系数
• 5.3.1.2 噪声系数的最小值Fmin
• 5.3.1.3 最小噪声匹配准则
• 5.3.1.4 等噪声系数圆设计法
• 5.3.2 LNA 的最大增益设计准则
• 5.3.2.1 LNA 的转换功率增益GT
• 5.3.2.2 LNA 单向转换功率增益最大的匹配准则
• 5.3.2.3 等增益圆设计法
• 5.4 WPAN 系统LNA 设计中的矛盾
• 5.4.1 WPAN 系统的结构要求
• 5.4.2 最小输入反射的匹配条件
• 5.4.2.1 输入端的VSWRin
• 5.4.2.2 VSWRin 最小的匹配条件
• 5.4.3 最小输入反射匹配条件与设计准则间的关系
• 5.4.3.1 VSWRin 最小条件与GTU 最大准则的一致性
• 5.4.3.2 VSWRin 最小条件与F 最小准则的矛盾性
• 5.5 WPAN 系统中LNA 设计的串联反馈仿真优化法
• 5.5.1 同时实现最低F 和最小VSWRin 的方法
• 5.5.1.1 同时实现最低F 和最小VSWRin 的条件
• 5.5.1.2 负载牵引法
• 5.5.1.3 反馈网络法
• 5.5.2 反馈网络的选取
• 5.5.2.1 反馈网络对LNA 噪声性能的影响
• 5.5.2.2 无耗网络三种反馈形式的性能比较
• 5.5.3 串联反馈电感对匹配阻抗的作用
• 5.5.3.1 导致晶体管双端口网络输入电阻和输入电抗的增加
• 5.5.3.2 致使晶体管双端口网络最佳源电抗减小
• 5.5.4 串联反馈电感值的优化
• 5.5.4.1 仿真电路
• 5.5.4.2 优化结果
• 5.6 最终设计LNA 的性能仿真与实测
• 5.6.1 LNA 最终设计的性能仿真
• 5.6.2 实验电路性能的测量
• 5.7 小结
• 第六章 基于WPAN 构建无线家庭网络天线技术的研究
• 6.1 引言
• 6.2 天线的相关性能参数
• 6.2.1 电路特性参数
• 6.2.1.1 天线的输入阻抗
• 6.2.1.2 天线的辐射效率
• 6.2.1.3 天线的阻抗匹配与工作带宽
• 6.2.2 辐射特性参数
• 6.2.2.1 天线的极化方式
• 6.2.2.2 天线的方向图
• 6.2.2.3 天线的方向系数和增益
• 6.3 室内环境对WPAN 天线的特殊要求
• 6.3.1 室内无线电波的传播机制
• 6.3.2 室内无线电波的退极化
• 6.3.2.1 反射定律
• 6.3.2.2 入射波电场分量与入射面垂直情况
• 6.3.2.3 入射波电场分量与入射面平行情况
• 6.3.2.4 退极化（depolarization）现象
• 6.3.3 室内WPAN 天线应具有的特点
• 6.3.3.1 全向（omni-directional）或等向辐射特性
• 6.3.3.2 交叉极化（cross polarization）特性
• 6.3.3.3 匹配方便、结构紧凑
• 6.3.3.4 便于双频改造
• 6.4 WPAN 天线结构的研究
• 6.4.1 半波振子天线
• 6.4.1.1 辐射特性
• 6.4.1.2 电路特性
• 6.4.2 λ/4 单极（mono-pole）天线
• 6.4.2.1 地对λ/4 单极天线的影响
• 6.4.2.2 辐射特性
• 6.4.2.3 电路特性
• 6.4.3 倒L 型天线
• 6.4.3.1 地对倒L 型天线的影响
• 6.4.3.2 辐射特性
• 6.4.3.3 电路特性
• 6.4.4 倒F 型天线
• 6.4.4.1 等效电路
• 6.4.4.2 电路特性
• 6.4.4.3 辐射特性
• 6.5 新型双频印制倒F 型天线结构的设计
• 6.5.1 单频印制倒F 型天线
• 6.5.1.1 谐振长度设计公式的修正
• 6.5.1.2 仿真模型的建立
• 6.5.1.3 仿真结果
• 6.5.1.4 天线尺寸设计的灵活性
• 6.5.1.5 天线设计实例
• 6.5.2 双频印制倒F 型天线的结构设计
• 6.5.2.1 原型结构天线尺寸的设计
• 6.5.2.2 改进型结构天线尺寸的设计
• 6.5.3 双频印制倒F 型天线的仿真及测试结果
• 6.5.3.1 天线方向性参数的仿真结果
• 6.5.3.2 天线回损的测量结果
• 6.5.3.3 天线方向图的仿真结果
• 6.6 小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文的主要研究工作
• 7.2 本文的主要特色和创新
• 7.3 可进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间的主要成果
• 1. 学术论文
• 2. 科研成果及专利