UWB超寬帶無(wú)線通信及其關(guān)鍵技術(shù)

摘要

本文首先介紹了UWB無(wú)線通信系統(tǒng)的定義、基本原理以及主要指標(biāo)，然后詳細(xì)介紹了UWB的關(guān)鍵技術(shù)，最后指出了UWB所面臨的挑戰(zhàn)。

1、引言

UWB(Ultra-Wideband，超寬帶)脈沖無(wú)線傳輸技術(shù)是近兩三年在國(guó)際上興起的一種無(wú)線通信革命性的通信技術(shù)，與其他無(wú)線通信技術(shù)相比有很大不同：不需要使用載波，而是依靠持續(xù)的、時(shí)間非常短的基帶脈沖信號(hào)(通常情況下)傳輸數(shù)據(jù)，因而占用的頻帶非常寬，通常在幾GHz量級(jí)。

UWB技術(shù)與下列名詞是同義的：極短脈沖、無(wú)載波、時(shí)域、非正弦、正交函數(shù)和大相對(duì)帶寬無(wú)線/雷達(dá)信號(hào)。UWB脈沖通信由于其優(yōu)良獨(dú)特的技術(shù)特性，越來(lái)越受到通信學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視，并且也為社會(huì)各界所關(guān)注，將會(huì)在小范圍和室內(nèi)大容量高速率無(wú)線多媒體通信、雷達(dá)、精密定位、穿墻透地探測(cè)、成像和測(cè)量等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。

2、UWB概述

目前研究的UWB實(shí)質(zhì)上是以占空比很低(低達(dá)0.5%)的沖擊脈沖作為信息載體的無(wú)載波擴(kuò)譜技術(shù)。它是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制。典型的UWB直接發(fā)射沖擊脈沖串，不再具有傳統(tǒng)的中頻和射頻的概念，此時(shí)發(fā)射的信號(hào)可看成基帶信號(hào)(依常規(guī)無(wú)線電而言)，也可看成射頻信號(hào)(從發(fā)射信號(hào)的頻譜分量考慮)。沖擊脈沖通常采用單周期高斯脈沖，一個(gè)信息比特可映射為數(shù)百個(gè)這樣的脈沖。單周期脈沖的寬度在ns級(jí)，具有很寬的頻譜。UWB開發(fā)了一個(gè)具有GHz容量和最高空間容量的新無(wú)線信道。

基于CDMA的UWB脈沖無(wú)線收發(fā)信機(jī)的基本組成如圖1所示。在發(fā)送端時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生一定重復(fù)周期的脈沖序列，用戶要傳輸?shù)男畔⒑捅硎驹撚脩舻刂返膫坞S機(jī)碼分別或合成后對(duì)上述周期脈沖序列進(jìn)行一定方式的調(diào)制，調(diào)制后的脈沖序列驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路，形成一定脈沖形狀和規(guī)律的脈沖序列，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天線發(fā)射出去。

在接收端，UWB天線接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大后，送到相關(guān)器的一個(gè)輸入端，相關(guān)器的另一個(gè)輸入端，加入一個(gè)本地產(chǎn)生的與發(fā)端同步的經(jīng)用戶偽隨機(jī)碼調(diào)制的脈沖序列，接收端信號(hào)與本地同步的偽隨機(jī)碼調(diào)制的脈沖序列一起經(jīng)過相關(guān)器中的相乘、積分和取樣保持運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)用戶地址信息經(jīng)過分離的信號(hào)，其中僅含用戶傳輸信息以及其他干擾。然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解調(diào)運(yùn)算，即根據(jù)發(fā)端的調(diào)制方式對(duì)每個(gè)脈沖進(jìn)行判決，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔?。同步電路包括捕獲和跟蹤電路，其作用是準(zhǔn)確提取時(shí)鐘脈沖的位置和重復(fù)周期的信息，并將其作用到本地的定時(shí)電路，產(chǎn)生接收機(jī)所需的各種時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)。

2.1UWB主要指標(biāo)

頻率范圍：3.1-10.6GHz；

系統(tǒng)功耗：1-4mW；

脈沖寬度：0.2-1.5ns，重復(fù)周期：25ns-1ms；

發(fā)射功率：＜-41.3dBm/MHz；

數(shù)據(jù)速率：幾十到幾百M(fèi)bit/s；

分解多路徑時(shí)延：≤1ns；

多徑衰落：≤5dB；

系統(tǒng)容量：大大高于3G系統(tǒng)；

空間容量：1000kB/m²。

3、UWB的關(guān)鍵技術(shù)

3.1脈沖信號(hào)的產(chǎn)生

從本質(zhì)上講，產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(jí)(10-9s)的信號(hào)源是UWB技術(shù)的前提條件，單個(gè)無(wú)載波窄脈沖信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是激勵(lì)信號(hào)的波形為具有陡峭前后沿的單個(gè)短脈沖，二是激勵(lì)信號(hào)包括從直流到微波的很寬的頻譜。目前產(chǎn)生脈沖源的兩類方法為：(1)光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)的陡峭上升/下降沿獲得脈沖信號(hào)。由激光脈沖信號(hào)激發(fā)得到的脈沖寬度可達(dá)到皮秒(10-12s)量級(jí)，是最有發(fā)展前景的一種方法。(2)電子方法，基本原理是利用晶體管PN結(jié)反向加電，在雪崩狀態(tài)的導(dǎo)通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，是目前應(yīng)用最廣泛的方案。受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產(chǎn)生幾十伏到上百伏的脈沖，脈沖的寬度可以達(dá)到1ns以下，實(shí)際通信中使用一長(zhǎng)串的超短脈沖。

3.2UWB的調(diào)制及多址方式

3.2.1調(diào)制方式

UWB的傳輸功率受傳輸信號(hào)的功率譜密度限制，因而在兩個(gè)方面影響調(diào)制方式的選擇：一是對(duì)于每比特能量調(diào)制需要提供最佳的誤碼性能；二是調(diào)制方案的選擇影響了信號(hào)功率譜密度的結(jié)構(gòu)，因此有可能把一些額外的限制加在傳輸功率上。

在UWB中，信息是調(diào)制在脈沖上傳遞的，既可以用單個(gè)脈沖傳遞不同的信息，也可以使用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息。

(1)單脈沖調(diào)制

對(duì)于單個(gè)脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息。適用于UWB的主要單脈沖調(diào)制技術(shù)包括：脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、通斷鍵控(OOK)、二相調(diào)制(BPM)和跳時(shí)/直擴(kuò)二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制TH/DS-BPSK等。

PAM是通過改變脈沖幅度的大小來(lái)傳遞信息的一種脈沖調(diào)制技術(shù)。PAM既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對(duì)值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對(duì)值。BPM和OOK是PAM的兩種簡(jiǎn)化形式。BPM通過改變脈沖的正負(fù)極性來(lái)調(diào)制二元信息，所有脈沖幅度的絕對(duì)值相同。OOK通過脈沖的有無(wú)來(lái)傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調(diào)制中，發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔是固定不變的。實(shí)際上，我們也可以通過改變發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔或發(fā)射脈沖相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的位置來(lái)傳遞信息，這就是PPM的基本原理。在PPM中，脈沖的極性和幅度都不改變。

PAM、OOK和PPM共同的優(yōu)點(diǎn)是可以通過非相干檢測(cè)恢復(fù)信息。PAM和PPM還可以通過多個(gè)幅度調(diào)制或多個(gè)位置調(diào)制提高信息傳輸速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：經(jīng)過這些方式調(diào)制的脈沖信號(hào)將出現(xiàn)線譜。線譜不僅會(huì)使UWB脈沖系統(tǒng)的信號(hào)難以滿足一定的頻譜要求(例如，F(xiàn)CC關(guān)于UWB信號(hào)頻譜的規(guī)定)，而且還會(huì)降低功率的利用率。

就上述5種調(diào)制方式而言，綜合考慮可靠性、有效性和多址性能等因素，目前廣泛受關(guān)注的是后兩種調(diào)制方式？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。兩者的區(qū)別在于當(dāng)采用匹配濾波器的單用戶檢測(cè)情況下，TH/DS-BPSK的性能要優(yōu)于TH-PPM。而對(duì)TH/DS-BPSK而言，在速率較高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇DS-BPSK方式；速率較低時(shí)，由于TH-BPSK受遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響較小，應(yīng)選擇TH-BPSK方式。在采用最小均方誤差(MMSE)檢測(cè)方式的多用戶接收機(jī)應(yīng)用情況時(shí)，兩者差別不大；但在速率較高時(shí)，TH/DS-BPSK的性能還是要優(yōu)于TH-PPM系統(tǒng)。而BPM則可以避免線譜現(xiàn)象，并且是功率效率最高的脈沖調(diào)制技術(shù)。對(duì)于功率譜密度受約束和功率受限的UWB脈沖無(wú)線系統(tǒng)，為了獲得更好的通信質(zhì)量或更高的通信容量，BPM是一種比較理想的脈沖調(diào)制技術(shù)。

(2)多脈沖調(diào)制

實(shí)際上，為了降低單個(gè)脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在UWB脈沖無(wú)線系統(tǒng)中，往往采用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調(diào)制的基本思想。

當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時(shí)，把傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內(nèi)部單個(gè)脈沖的調(diào)制；第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個(gè)脈沖通常采用PPM或BPM調(diào)制；在第二步中，每組脈沖作為整體通常可以采用PAM、PPM或BPM調(diào)制。一般把第一步稱為擴(kuò)譜，而把第二步稱為信息調(diào)制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時(shí)擴(kuò)譜(TH-SS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置；把BPM稱為直接序列擴(kuò)譜(DS-SS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來(lái)不難得到以下多脈沖調(diào)制技術(shù)：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。

多脈沖調(diào)制不僅可以通過提高脈沖重復(fù)頻率來(lái)降低單個(gè)脈沖的幅度或發(fā)射功率，更重要的是，多脈沖調(diào)制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準(zhǔn)正交性實(shí)現(xiàn)多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)窄帶干擾抑制。

在多脈沖調(diào)制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時(shí)傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號(hào)來(lái)提高系統(tǒng)的通信速率，這樣的技術(shù)通常被稱為碼分復(fù)用(CDMA)技術(shù)。在2004年的國(guó)際信號(hào)處理會(huì)議上提出了一種特殊的CDM系統(tǒng)？？無(wú)載波的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)(CL-UWB/OFDM)。這種多脈沖調(diào)制技術(shù)可以有效地抑制多路數(shù)據(jù)之間的干擾和窄帶干擾。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201706/353654.htm

3.2.2多址方式

在UWB系統(tǒng)中，多址接入方式與調(diào)制方式有密切聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)采用PPM調(diào)制方式時(shí)，多址接入方式多采用跳時(shí)多址；若系統(tǒng)采用BPSK方式，多址接入方式通常有兩種：直序方式和跳時(shí)方式?；谏鲜鰞煞N基本的多址方式，許多其他多址方式陸續(xù)被提出，主要包括以下幾種。

(1)偽混沌跳時(shí)多址方式(PCTH)

PCTH根據(jù)調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機(jī)序列和調(diào)制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時(shí)刻，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化。PCTH調(diào)制不僅能減少對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)的影響，而且更不易被檢測(cè)到。

(2)DS-BPSK/TH混合多址方式

此方式在跳時(shí)(TH)的基礎(chǔ)之上，通過直接序列擴(kuò)頻碼進(jìn)一步減少多址干擾，其多址性能優(yōu)于TH-PPM，與DS-BPSK相當(dāng)，但在實(shí)現(xiàn)同步和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式

此方式的特點(diǎn)是：打破TH-PPM多址方式中采用隨機(jī)跳時(shí)碼的常規(guī)思路，利用具有特殊結(jié)構(gòu)的固定跳時(shí)碼，減少不同用戶脈沖信號(hào)的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時(shí)，利用直接序列擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼的特性，也可以進(jìn)一步削弱多址干擾。

此外，由于UWB脈沖信號(hào)具有極低的占空比，其頻譜能夠達(dá)到GHz的數(shù)量級(jí)，因而UWB在時(shí)域中具有其他調(diào)制方式所不具有的特性。當(dāng)多個(gè)用戶的UWB信號(hào)被設(shè)計(jì)成不同的具有正交波形時(shí)，根據(jù)多個(gè)UWB用戶時(shí)域發(fā)送波形的正交性，以區(qū)分用戶，實(shí)現(xiàn)多址，這被稱之為波分多址技術(shù)。

3.3天線的設(shè)計(jì)

能夠有效輻射時(shí)域短脈沖的天線是UWB研究的另一個(gè)重要方面。UWB天線應(yīng)該達(dá)到以下要求：一是輸入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超寬頻帶不變特性。即要求天線的輸入阻抗和相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號(hào)的有效發(fā)射和接收。

對(duì)于時(shí)域短脈沖輻射技術(shù)，早期采用雙錐天線、V-錐天線、扇形偶極子天線，這幾種天線存在饋電難、輻射效率低、收發(fā)耦合強(qiáng)、無(wú)法測(cè)量時(shí)域目標(biāo)的特性，只能用作單收發(fā)用途。隨著微波集成電路的發(fā)展，研制出了UWB平面槽天線，它的特點(diǎn)是能產(chǎn)生對(duì)稱波束、可平衡UWB饋電、具有UWB特性。由于利用光刻技術(shù)，可以制成毫米、亞毫米波段的集成天線。

3.4收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，如圖2所示。傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)信機(jī)大多采用超外差式結(jié)構(gòu)；UWB收發(fā)信機(jī)采用零差結(jié)構(gòu)，在接收端，天線收集的信號(hào)經(jīng)放大后通過匹配濾波或相關(guān)接收機(jī)處理，再經(jīng)高增益門限電路恢復(fù)原來(lái)信息。現(xiàn)代數(shù)字無(wú)線技術(shù)常采用數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)的軟件無(wú)線電來(lái)產(chǎn)生不同的調(diào)制方式，這些系統(tǒng)可逐步降低信息速率以在更大的范圍內(nèi)連接用戶。UWB的一大優(yōu)點(diǎn)是，即使最簡(jiǎn)單的收發(fā)信機(jī)也可采用這一數(shù)字技術(shù)。

4、UWB面臨的挑戰(zhàn)

雖然UWB技術(shù)有其特有的優(yōu)點(diǎn)，但是它的廣泛應(yīng)用仍然還面臨很多挑戰(zhàn)，還有許多技術(shù)問題需要研究解決：

(1)需要更好地理解UWB傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多經(jīng)傳播等問題；

(2)前向糾錯(cuò)編碼的設(shè)計(jì)、低復(fù)雜度的信道補(bǔ)償算法、快速捕獲和同步方法、容量分析；

(3)需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù)；

(4)高速脈沖收發(fā)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微控制器噪聲的處理等；

(5)研究新的調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；

(6)多址方案的研究和設(shè)計(jì)，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；

(7)接收時(shí)每個(gè)脈沖位置的檢測(cè)精度；

(8)研究它與GPS等其他無(wú)線通信技術(shù)的干擾問題；

(9)在定位應(yīng)用中還需要研究位置測(cè)定技術(shù)等。

5、結(jié)束語(yǔ)

UWB作為民用還是一項(xiàng)新技術(shù)，隨著該技術(shù)不斷走向商業(yè)化，相信上述問題一定能夠得以解決。由于它在無(wú)線通信方面的創(chuàng)新性和利益性，因此UWB在商業(yè)多媒體設(shè)備和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，特別是信息家電方面具有很大的市場(chǎng)潛力。