超寬帶及其在無線個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，而超帶寬（uwb）技術(shù)作為一種新型短距離高速無線通信技術(shù)正占據(jù)主導(dǎo)地位，超帶寬技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù)，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5ghz的無線發(fā)射方案，超帶寬技術(shù)在2002年以前主要應(yīng)用于雷達(dá)和遙感等軍事領(lǐng)域，uwb技術(shù)不需載波，能直接調(diào)制脈沖信號(hào)，產(chǎn)生帶寬高達(dá)幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬，uwb信號(hào)的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了uwb無線傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)（如全球定位系統(tǒng)（gps）、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等）公用頻段，大大提高了頻譜利用率。易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；對(duì)多徑衰落具有魯棒性，目前，uwb技術(shù)在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用正在不斷發(fā)展。

2 uwb的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 脈沖成形技術(shù)

任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號(hào)攜帶信息，對(duì)于線性調(diào)制系統(tǒng)，已調(diào)制信號(hào)可以統(tǒng)一表示為[1]：

s（t）＝σin g（t－t）

其中，in為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號(hào)序列；t為數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間；g（t）為時(shí)域成形波形，通信系統(tǒng)的工作頻段，信號(hào)帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于g（t）的設(shè)計(jì)。

對(duì)于uwb通信系統(tǒng)，成形信號(hào)g（t）的帶寬必須大于500mhz，且信號(hào)能量集中于3.1－10.6ghz頻段，脈沖成形技術(shù)中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經(jīng)大于2ghz，高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)，各階脈沖波形可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。隨著脈沖信號(hào)階數(shù)的增加，過零點(diǎn)數(shù)逐漸增加，信號(hào)中心頻率向高頻移動(dòng)，但信號(hào)的帶寬無明顯變化，相對(duì)帶寬逐漸下降，早期uwb系統(tǒng)采用1階、2階脈沖、信號(hào)頻率成分從直流延續(xù)到2ghz，按照fcc對(duì)uwb的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。

2.2 調(diào)制技術(shù)

調(diào)制方式是指信號(hào)以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是也影響信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機(jī)復(fù)雜度，在uwb系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調(diào)制，基于ofdm的正交多載波調(diào)制。其中基于超帶寬脈沖的調(diào)制常用的有脈位調(diào)制和脈副調(diào)制。

脈位調(diào)制（ppm）是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式，按照采用的離散數(shù)據(jù)符號(hào)狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制ppm（2ppm）和多進(jìn)制ppm（mppm）。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或m個(gè)，脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的ppm和正交ppm（oppm）。在部分重疊的ppm中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點(diǎn)，從而使相鄰符號(hào)的歐氏距離最大化，在oppm中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位，接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測(cè)，鑒于uwb系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實(shí)際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2ppm或2oppm。

脈副調(diào)制（pam）是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在uwb系統(tǒng)中，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進(jìn)制pam（mpam）。uwb系統(tǒng)常用的pam有兩種方式：開關(guān)鍵控（ook）和二進(jìn)制相移鍵控（bpsk）。ook可以采用非相干檢測(cè)降低接收機(jī)復(fù)雜度，而bpsk采用相干檢測(cè)可以更好地保證傳輸可靠性。

正交多載波調(diào)制（ofdm）是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號(hào)速率大幅度降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小了符號(hào)間干擾的影響，通常在ofdm符號(hào)前加入保護(hù)間隔，只要保護(hù)間隔大于信道的時(shí)延擴(kuò)展則可以完成消除符號(hào)間干擾，ofdm相對(duì)于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息，由于ofdm允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。

2.3 接收技術(shù)

盡管uwb信道的時(shí)延擴(kuò)展很大，但是在信號(hào)占空比很低的情況下，前后兩個(gè)接收波形之間的干擾可以忽略不計(jì)，因此早期的uwb接收機(jī)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只是一個(gè)等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時(shí)為了降低微器件模擬變換器的（adc）變換速率的要求，相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過程實(shí)現(xiàn)的，但是當(dāng)對(duì)傳輸速率的要求達(dá)到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對(duì)接收信號(hào)的影響變得嚴(yán)重起來，接收信號(hào)幅度上的衰落需要通過rake接收機(jī)收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號(hào)的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號(hào)間干擾（isi）問題也必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是rake＋均衡，通過rake接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時(shí)利用均衡來消除符號(hào)間干擾。目前對(duì)接收機(jī)在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通?；趓ake接收機(jī)，在具體實(shí)現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號(hào)最強(qiáng)的l條路徑或是最先到達(dá)的l條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實(shí)現(xiàn)難度較大，從仿真結(jié)果來看，就uwb信道特性而言，選擇4－6條路徑進(jìn)行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機(jī)中值得關(guān)注的一個(gè)問題，在高速應(yīng)用中，快速同步的實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵，如果采用最大比合并方式，接收機(jī)還需要進(jìn)行信道估計(jì)[2]。

3 uwb無線傳輸系統(tǒng)的基本模型

uwb系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無線信道和接收部分構(gòu)成，與傳統(tǒng)的無線發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相比，uwb的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，如傳統(tǒng)藍(lán)牙系統(tǒng)是一種低功耗的無線傳輸技術(shù)，它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路，發(fā)射機(jī)部分包括壓控振蕩器、鎖相環(huán)同步器、參考振蕩器，接收機(jī)部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而uwb的發(fā)射、接收機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，因?yàn)槊}沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mv的電壓就能滿足發(fā)射要求，因而發(fā)射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號(hào)先通過低噪聲放大器，再通過一個(gè)匹配濾波器或相關(guān)接收機(jī)恢復(fù)出期望信號(hào)[3]，由于uwb信號(hào)的發(fā)射未經(jīng)載波調(diào)制，uwb的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器等。uwb的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)比藍(lán)牙更簡(jiǎn)單，uwb的發(fā)射機(jī)可靈活地調(diào)整發(fā)射距離，當(dāng)發(fā)射距離增大時(shí)，uwb可以用多個(gè)脈沖傳一個(gè)信號(hào)以增加接收端的信噪比，由于uwb的發(fā)射功率與脈沖重復(fù)頻率成正比，因此可以通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進(jìn)行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設(shè)計(jì)。

4 uwb在無線多媒體個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用

uwb無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進(jìn)行高速無線通信（速率在100mb/s以上）時(shí)，傳輸距離較近，一般在10－20m左右，進(jìn)行較低速率無線通信和定位時(shí)，傳輸距離可更遠(yuǎn)，uwb技術(shù)采用無載波脈沖方式時(shí)，具有較強(qiáng)的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進(jìn)行通信、成像或定位，與全球定位系統(tǒng)（gps）相比，uwb技術(shù)的定位精確度更高，可以達(dá)到10－20cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢(shì)，uwb進(jìn)入民用市場(chǎng)之初就將其應(yīng)用定位在了無線局域網(wǎng)（wlan）和無線個(gè)域網(wǎng)（wpan）上，這樣一種小范圍內(nèi)進(jìn)行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設(shè)備以高速無線進(jìn)行連接。根據(jù)超帶寬無線傳輸?shù)奶匦裕瑄wb技術(shù)可以應(yīng)用于無線多媒體家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)，雷達(dá)定位和成像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。

無線多媒體個(gè)域網(wǎng)中，各種數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要，在小范圍內(nèi)組成自組織式的網(wǎng)絡(luò)，相互傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的帶寬網(wǎng)關(guān)，接入英特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設(shè)備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設(shè)備，如數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、mp3播放器、dvd播放器、數(shù)字電視、臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機(jī)、各種智能家電、機(jī)頂盒等。uwb技術(shù)與現(xiàn)有的其他無線通信技術(shù)相比，數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。uwb技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的速率超過1gb/s，與有線的usb2.0接口相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線局域網(wǎng)802.11 b的11mb/s，也比下一代無線局域網(wǎng)802.11a/g的54mb/s高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)，uwb通信的功耗較低，能更好地滿足使用電池的移動(dòng)設(shè)備的要求，另外，uwb信號(hào)的功率譜密度非常低，信號(hào)難以被檢測(cè)到，再加上采用的跳頻、直接序列擴(kuò)頻等擴(kuò)頻多址技術(shù)，使非授權(quán)者很難接獲傳輸?shù)男畔ⅲ蚨踩苑浅：谩?

表1是一些典型的實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用對(duì)不同無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，從表中可以看出，如果采用無線的方式來進(jìn)行傳輸，只有uwb技術(shù)可以滿足各種應(yīng)用的要求。

表2為下載一些多媒體信息所需的時(shí)間，采用uwb技術(shù)，可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成下載，隨著多媒體應(yīng)用的發(fā)展，其類似大小和所需傳輸速率還將不斷提高，因此，在目前的無線通信技術(shù)中，只有uwb技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

無線通信已經(jīng)迅速滲入到我們的生活之中，不斷增長(zhǎng)的容量要求需要一種不對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，而超帶寬脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這要求，在科研人員的努力下，不久的將來技術(shù)將會(huì)更加完善、更加有效地服務(wù)于人們的生活。