集嶄新的超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)

摘要：從超寬帶UWB技術(shù)進行了介紹和分析，并對其調(diào)制方式和近期提出的新型高效脈形調(diào)制PSM（Pulse Shape ModulaTIon）做出了初步的理論探討。

超寬帶（Ultra Wide Band）作為一種新型的無線通信技術(shù)與傳統(tǒng)的通信方式相比有著很大的區(qū)別。由于它不需使用載波電路，而是通過發(fā)送納秒級脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此該技術(shù)具有發(fā)射和接收電路簡單、功耗低、對現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小、傳輸速率高的優(yōu)點，此外它還具有多徑分辨能力強、穿透力強、隱蔽性好、系統(tǒng)容量大、定位精度高等優(yōu)勢。根據(jù)FCC的規(guī)定，從3.1GHz～10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率都將作為UWB通信設(shè)備所使用。但出于對現(xiàn)存無線系統(tǒng)影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。

UWB是一種可以為無線局域網(wǎng)LAN、個人域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術(shù)。它解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的重大難題，開發(fā)了一個具有對信道衰落特性不敏感、發(fā)射信號功率普密度低、不易被截獲、復雜度不高等眾多優(yōu)點的傳輸技術(shù)。該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。

圖1

1 基本概念

超寬帶（UWB）又被稱為脈沖無線電（Impulse Radio）,具體定義為相對帶寬（信號帶寬與中心頻率的比）大于25%的信號，即：

Bf=B/fc=(fh-fl)/[(fh+fl)/2]>25% (1)

或者是帶寬超過1.5GHz。實際上UWB信號是一種持續(xù)時間極短、帶寬很寬的短時脈沖。它的主要形式是超短基帶脈沖，寬度一般在0.1～20ns，脈沖間隔為2～5000ns，精度可控，頻譜為50MHz～10GHz，頻帶大于100%中心頻率，典型點空比為0.1%。

傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期（monocycle）脈形”的脈沖。一般情況下，通過隨道二極管或者水銀開關(guān)產(chǎn)生。在計算機仿真中用高斯脈沖來近似代替它。由于天線對脈沖的影響不同，所以可以假設(shè)發(fā)送脈沖為：

而接收端收到的信號為：

tc是脈沖的時移，2tau為脈沖的寬度。圖1給出了發(fā)射脈沖和接收脈沖的時域脈形。

2 UWB的性能特點

超寬帶有別于其它現(xiàn)存的一些通信技術(shù)，其最根本的區(qū)別在于無需載波，大大降低了發(fā)射和接收設(shè)備的復雜性，從根本上降低了通信的成本。

UWB的優(yōu)點可以歸納為以下八個方面：

（1）無需載波，發(fā)送和接收設(shè)備簡單。由于UWB信號是一些超短時的脈沖，其頻率很高，所以它不象傳統(tǒng)的基帶信號那樣需要將其調(diào)制到某個發(fā)射頻率上才能在信道中傳輸。因此，必然會使發(fā)射機和接收機的結(jié)構(gòu)簡單化。

圖2

（2）功耗低。由于UWB信號無需載波，工作在頻譜的電子噪聲波段，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，而這只是移動電話的百分之一，藍牙技術(shù)的十分之一。

（3）傳輸速率高。極寬的帶寬使UWB具有很高的傳輸速率，一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。美國英特爾公司于2002年4月在“IDF2002 Spring Japan”上對該技術(shù)進行了演示，在數(shù)米的距離內(nèi)傳輸速率可達100Mbps。

（4）隱蔽性好，安全性高。由于UWB信號的帶寬很寬，且發(fā)射功率很低，這必然使該項通信技術(shù)具有低截獲能力LPD（Low Probability of DetecTIon）的優(yōu)點。另外超寬帶還采用了跳時TH（TIme Hopping）擴頻技術(shù)，接收端必須在知道發(fā)射端擴頻碼的條件下才能解調(diào)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

（5）多徑分辨能力強。從時域角度看，超寬帶系統(tǒng)采用脈沖寬度為幾納秒的窄信號，因此具有很高的時間分辨力，相應的多徑分辨率小于幾十厘米；從頻域的角度分析，由于UWB信號的帶寬極寬，所以信號在傳輸過程中出現(xiàn)頻率選擇性衰落出現(xiàn)是一定的。然而正是因為極寬的帶寬，多徑衰落只在某些頻點處出現(xiàn)，從整體上考慮，衰落掉的能量只是信號總能量很小的部分，所以該技術(shù)在抗多徑方面仍具有魯棒性。

（6）系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出

C=Blog2(1+S/N) (4)

可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應，這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。

（7）高精度的距離分辨力。由于超寬帶定位設(shè)備的時間抖動小于20ps，如果采用GPS相同的工作原理和算法，相應的距離不確定性小于1cm。而在實際應用中，超寬帶雷達系統(tǒng)使用的超窄脈沖信號，其距離分辨率小于30cm。

（8）穿透能力強。在具有相同帶寬的無線信號中，超寬帶的頻率最低，因此，它在具有大容量和高距離分辨率的同時相對于毫米波信號具有更強的穿透能力。

3 UWB信號的調(diào)制方式

UWB的調(diào)制方式有許多，以脈沖調(diào)制PPM（Pulse PosiTIon Modulation）為例作為一個舉例分析。

首先定義一個單周期脈形：

s(k)代表信號kth,w(t)為傳輸?shù)膯沃芷诿}沖。

將其移至每一幀的開始：

Tf代表脈沖重復周期，j表示第j個單脈沖。

加入偽隨機跳時碼：

最后加入調(diào)制數(shù)據(jù)：

其中，d(k)是信息數(shù)據(jù)，δ為時移。為了滿足多用戶的需求，提高通信的安全性和對系統(tǒng)功率譜密度PSD（Power Spectral Density）的考慮，引入了跳時碼，下面就從功率譜密度的角度來分析這個問題。

假設(shè)采用圖1（a）給出的高斯單脈沖作為發(fā)送信號，且只是一串周期性的脈沖序列，由于時域信號的周期性導致其頻域出現(xiàn)了強烈的能量類峰，這些類峰將對現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)的無線信號造成干擾。因此需要采取某種措施將其平滑。如果采用PPM調(diào)制對脈沖的位置做出調(diào)整，可以看到：由于調(diào)制的置亂效果，頻域的尖峰得到了一定的控制，但此時仍比較明顯。為了進一步降低類峰的幅度，引入跳時碼，這樣發(fā)送信號的功率譜就會得到進一步的平滑，幾乎近似于背景噪聲，這也正是UWB系統(tǒng)能與現(xiàn)存無線系統(tǒng)并存的原因之一。圖2給出了上述不同信號的PSD圖和引入跳時碼后的時域波形。

除PPM外，UWB信號還可以采用脈幅調(diào)制PAM（Pulse Amplitude Modulation），開關(guān)鍵OOK（On-Off Key）和二相移鍵控BPSK（Bi-Phase Shift Key）等。在接收端，單脈沖信號可以通過相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)可靠接收。實際應用中常使用相關(guān)器（correlator），它用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相關(guān)器輸出的是接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差，從輸出中尋找時間位置差為0的即為要接收的信號。

為了追求更高效率的信息傳輸，近來人們提出了一種新型脈沖調(diào)制方式——脈形調(diào)制PSM（Pulse Shape Modulation）。PSM就是對脈沖的形狀進行調(diào)制從而實現(xiàn)信息的載荷，因此脈沖形狀的選擇是十分重要的。它的提出得益于人們對hermite多項式的研究。由于hermite多項式的數(shù)學表達式與高斯單脈沖很接近，而且隨著階數(shù)的變化，波形的持續(xù)時間不會有很大的變化，因此人們便想到了用hermite多項式數(shù)的變化產(chǎn)生形狀各異的脈沖，實現(xiàn)多元化的調(diào)制。為了尋求正交的波形，需對hermite多項式進行修正，即：

經(jīng)過改動之后，便可以得到彼此正交的各階hermite多項式了。這時可以在發(fā)送端同時發(fā)送n個不同形狀的單脈沖，正交性使其互不干擾，接收端用相關(guān)接收技術(shù)即可把每一個信號分離出來。

圖3給出了改進型hermite多項式時域波形。與此同時還可以通過搭建simulink電路得到想要的各階hermite多項式脈沖。如圖4給出了搭建電路和仿真波形。在simulink電路中，Hermite多項式的階數(shù)由脈沖階數(shù)單元控制，示波器1、2給出相應階數(shù)和相應階數(shù)減1階的hermite脈形。

傳輸效率的提高帶來系統(tǒng)性能的下降，這是許多系統(tǒng)所不能容忍的，因此需要進行編碼。首先在形域采用BCH（7，4）對信號編碼，這樣一來傳輸速率是單脈沖的4倍，而誤碼性能則與單脈沖基本相同，隨后在時域?qū)π畔M行BCH（31，11）編碼，使性能進一步提高，最后還可以在時域和形域聯(lián)合編碼，誤碼性能會得到大幅度的改善，而傳輸效率仍然高于單脈沖系統(tǒng)。性能曲線如圖5所示。

4 應用前景和發(fā)展方向

憑借自身的眾多優(yōu)勢，超寬帶技術(shù)具有廣闊的應用前景，UWB首先在美國軍方和政府部門得到了實質(zhì)性關(guān)注，并迅速應用于美國軍隊的無線電臺組網(wǎng)（Adhoc）和高精度雷達檢測系統(tǒng)中。2002年2月FCC準許UWB技術(shù)進入民用領(lǐng)域，條件是：“在發(fā)送功率低于美國放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1G～10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進行測距和無線數(shù)據(jù)通信”。盡管該技術(shù)在應用中有如此多的限制，但它仍受到廣大電信開發(fā)商的青睞。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已經(jīng)向IEEE-802.15委員會提出了采用超寬帶技術(shù)的議案，眾多公司的研究部門乃至學校也都將該技術(shù)的研究提到了日程中來。許多現(xiàn)已成熟的技術(shù)紛紛與UWB進行結(jié)合，如UWB-OFDM、UWB-Ad hoc、UWB-Wavelet、UWB-Neural network等，有的公司甚至已經(jīng)利用這些技術(shù)生產(chǎn)出了實際的民用產(chǎn)品。

圖4

筆者把超寬帶技術(shù)的應用歸納為短距離無線通信、雷達探測和精確定位三個最主要的方面。其中在短距離無線通信中可用于密文傳送、音/視頻流傳輸、射頻標簽識別以及無中心自紡織網(wǎng)絡(luò)（Adhoc）的物理層等領(lǐng)域；雷達方面主要用作防撞雷達檢測、精密測高學、穿墻成像和探地雷達系統(tǒng)；精確定位則可用于資源跟蹤和全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）。由此可見，UWB技術(shù)的背后蘊藏著巨大的商機。

當然，超寬帶技術(shù)若要真正用于人們的日常生活，還有許多極具挑戰(zhàn)性的課題，這也是超寬帶技術(shù)近來乃至今后很長一段時間內(nèi)研究和發(fā)展的方向。

（1）建立時域內(nèi)的超寬帶無線電發(fā)射器的模型，從時域角度設(shè)計天線的傳輸函數(shù)；

（2）研究超寬帶信號產(chǎn)生和基本功能的優(yōu)化；

（3）研究低電平趕寬帶無線電信號集合而千萬的干擾，有效平衡功率和通信范圍的關(guān)系；

（4）超寬帶跳時碼的研究；

（5）研究移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由協(xié)議，將超寬帶技術(shù)應用于分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、盲捕獲和自配置功能中；研究適用于超寬帶類似于“藍牙”系統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié)議；

（6）研究基于超寬帶無線電傳輸技術(shù)的無線IP協(xié)議；

（7）研究超寬帶無線電的測試技術(shù)，包括傳輸信道的測試、估計、信道模型等。

如今科學界正掀起一般UWB的革命浪潮，UWB技術(shù)已成為未來最有發(fā)展前景的十大通信技術(shù)之一。我國同樣也非常重視這項革命性技術(shù)的研究，并于2001年9月初發(fā)布的“十五”863計劃通信技術(shù)主題研究項目中，把超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學者加強這方面的研發(fā)工作。

超寬帶技術(shù)開創(chuàng)出無線通信中一個嶄新的領(lǐng)域，擁有十分廣闊的市場前景。或許假以時日，UWB將作為無線互連標準的主流出現(xiàn)在人們面前，讓我們拭目以待。