UWB短距離無線通信方式的介紹

UWB(Ultra WideBand)是一種短距離的無線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1 GHz以上帶寬，通信速度可以達到幾百Mbit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個人通信。FCC規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1 GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個是傳輸帶寬，另一個是采用不采用載波方式。

從傳輸帶寬看，按照美國聯(lián)邦通信委員會FCC的定義：信號帶寬大于1.5G或者信號帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數(shù)Hz～數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當于噪聲，對傳統(tǒng)的無線電波影響相當小。UWB的技術(shù)特點顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

　　一、UWB的實現(xiàn)

UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)比較簡單，UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數(shù)據(jù)傳輸時，民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10 m以內(nèi)，其傳輸速率可達到5 00 Mbit/s以上。UWB系統(tǒng)使用間隙的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低。在高速通信時，系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話功率的1/100左右，是藍牙設(shè)備功率的1/20左右。安全性方面，作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB信號相當于白噪聲信號，并且在大多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中難以檢測出脈沖信號。UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，只需要以一種數(shù)學方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，可實現(xiàn)全數(shù)字化，大大降低了設(shè)備的成本。UWB還具有多徑分辨能力強、定位精確等特點。圖1，示出超寬帶無線通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[4]。

　　圖1　超寬帶無線通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　二、UWB脈沖調(diào)制技術(shù)介紹

　　目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據(jù)頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經(jīng)典的超寬帶系統(tǒng)采用基帶脈沖波形。包含從低頻到 GHz頻率的連續(xù)帶寬。常見的如矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，只適用于學術(shù)研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數(shù)的各階導數(shù)作為發(fā)射脈沖，通常每個脈沖持續(xù)的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達到幾GHz。設(shè)H、L和C分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率，B為相對帶寬，MB為絕對帶寬，則在B為-10dB點處應(yīng)有[1]：

(1)

　　或MB>500 MHz在信號調(diào)制時，可以采用單個脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調(diào)制;也可以用多個脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制[1]。在實際中，為了降低單個脈沖的幅度，提高系統(tǒng)的抗干擾性，超寬帶脈沖無線通信系統(tǒng)往往用多脈沖調(diào)制。在多脈沖調(diào)制中，傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖。因此，多脈沖調(diào)制的過程可以分成兩步：第一步是進行每組脈沖內(nèi)對單個脈沖的調(diào)制。通常采用脈沖相位調(diào)制(PPM)或二相調(diào)制(BPM)。PPM稱為跳時擴譜(Spread Spectrum)(THSS)，每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置。BPM稱為直接序列(Direct Sequence)擴譜(Spread　Spectrum)(DSSS)，其每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性[1]。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制，通常采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖相位調(diào)制(PPM)或二相調(diào)制(BPM)。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調(diào)節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。將第一步和第二步組合起來可形成多種調(diào)制技術(shù)：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。綜合考慮可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的組合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的區(qū)別是采用匹配濾波器的單用戶檢測情況下，TH/DS.BPM的性能要優(yōu)于TH SS PPM。而對TH BPM和DS-BPM而言，在速率低時，由于THSS對遠近效應(yīng)的敏感程度沒有DSSS那么高，所 以，此時應(yīng)選擇TH.BPM;而在速率高時則優(yōu)先考慮 DS.BPM。在采用最小均方誤差準～IJ(MMSE)檢測方式的多用戶接收機應(yīng)用情況時，兩者差別不大;但在速率比較高時，TH/DS.BPM的性能則比TH.PPM系統(tǒng)好。而利用不同SS序列之間的正交性，通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率的碼分復用(Code Divison Multiplexing，CDM)技術(shù)也被用于UWB。

　　三、UWB的技術(shù)優(yōu)勢及不足

　　1.技術(shù)優(yōu)勢

　　(1)傳輸速率高理論上，一個寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實現(xiàn)高達100Mbit/s -500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級。如果一個脈沖代表一個數(shù)位，那么，理論上UWB可達1 Gbit/s的速率，這樣在實際中實現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

　　(2)發(fā)射功率低，功耗小因為不使用載波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率通常低于1mw (這也是FCC為了避免對其它設(shè)備造成干擾而對UWB做出的技術(shù)指標要求)。雖然現(xiàn)在實際上使用芯片實現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進步，這項指標隨之會降下來。

　　(3)UWB通信的保密性強 UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

　　(4)UWB通信采用調(diào)時序列，能夠抗多徑衰落 多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點信號幅度隨機變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點適合于高速移動環(huán)境下使用。

　　更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎實現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復雜性，降低成本。可以說，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式[4]。