超寬帶通信技術(shù)及其應(yīng)用

鄭州解放軍信息工程大學信息工程學院(450002) 李 瑛 張水蓮 俞 飛 羅 飛
 
　　摘　要：超寬帶 UWB(Ultra-wide Bandwidth)脈沖通信(Impulse Radio)技術(shù)與其它通信技術(shù)有很大不同,它具有信號功率譜密度低、不易檢測、系統(tǒng)復雜度低等優(yōu)點,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。介紹了UWB系統(tǒng)的信號表示形式,分析了其特點,并介紹了超寬帶通信當前的研究及應(yīng)用情況。
　　關(guān)鍵詞：UWB 脈沖通信 信號 應(yīng)用

　　UWB技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制,使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題,它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。
1 超寬帶信號及其特點
　　美聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定:
　　部分帶寬=>25%或總帶寬>500MHz的信號稱為UWB信號。其中,部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。圖1為UWB信號與窄寬信號功率譜密度的比較;UWB信號格式如圖2所示。

圖1 UWB信號與窄帶信號功率譜密度的比較

圖2 UWB信號格式

　　一種典型的脈位調(diào)制(PPM)方式的UWB信號形式[1],[2]為:

　　
　　str(k)(t)表示第k個用戶的發(fā)射信號,它是大量的具有不同時移的單周期脈沖之和。w(t)表示傳輸?shù)膯沃芷诿}沖波形,可以為單周期高斯脈沖或其一階、二階微分脈沖,從該發(fā)射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈沖的起始時間為。仔細分析每個時移分量:
　　(1)相同時移的脈沖序列形式的脈沖表示時間步長為
T_f  的單周期脈沖,其占空比極低,幀長或脈沖重復時間T_f(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類似于ALOHA系統(tǒng),這樣的脈沖序列極容易導致隨機碰撞。
　　(2)偽隨機跳時:為減少多址接入時的沖突,給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列{c_j^(k)},稱之為跳時碼,其周期為Np,即,(i, j為任意整數(shù))。跳時碼的每個碼元都是整數(shù),
且滿足0≤cj(k)h。這樣跳時碼給每個脈沖附加了一個時移,第j個單周期脈沖的附加時移為c_j^(k)T_c秒。
　　由于讀出單周期脈沖相關(guān)器的輸出要占用一定的時間, N_hT_c/T_f應(yīng)嚴格小于1。然而如果N_hT_c太小,那么多個用戶接入時發(fā)生沖突的概率仍然會很大。相反,如果N_hT_c足夠大且跳時碼設(shè)計合理,就可以將多用戶干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(Additive White Gauss Noise)信號。
　　由于跳時碼是周期為的周期序列,那么,其周期為。跳時碼的另外一個作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。
　　(3)數(shù)據(jù)調(diào)制:第k個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)序列{d_i^(k)}為二進制數(shù)據(jù)流。每個碼元傳輸N_s個單周期脈沖,這樣增加了信號的處理增益。
　　在這種調(diào)制方式下,一個符號(或碼元)的持續(xù)時間為T_s=N_sT_f。對于固定的脈沖重復時間T_f,二進制的符號速率R_s為:
　　
　　顯然,采用上述信號的超寬帶脈沖通信系統(tǒng)具有以下特點:信號持續(xù)時間極短,為納秒、亞納秒級脈沖,信號占空比極低(1%～0.1%),故有很好的多徑免疫力;頻譜相當寬,達GHz量級,且功率譜密度低,故UWB信號對其他系統(tǒng)干擾小、抗截獲能力強;UWB系統(tǒng)處理增益很高,其總處理增益PG為:

 
　　
　　例如,當某二進制UWB通信系統(tǒng)T_f=1μs,T_c=1ns,N_s=100,比特速率R_s=10kbps時,該系統(tǒng)UWB信號的處理增益為50dB。與其他通信系統(tǒng)相比,其處理增益非常高。
　　另外,UWB信號為極窄脈沖的序列,故有非常強的穿透能力,可以辨別出隱藏的物體或墻體后運動著的物體,能實現(xiàn)雷達、定位、通信三種功能的結(jié)合,適合軍用戰(zhàn)術(shù)通信。
2 超寬帶信號發(fā)射機、接收機基本結(jié)構(gòu)
2.1 發(fā)射機和相關(guān)接收機模型
　　與傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機結(jié)構(gòu)相比,UWB收發(fā)信機的結(jié)構(gòu)相對簡單。如圖3所示,在發(fā)射端,數(shù)據(jù)直接對射頻脈沖調(diào)制,再通過可編程延時器件對脈沖進一步時延控制,最后通過超寬帶天線發(fā)射出去。在接收端,信號通過相關(guān)器與本地模板波形相乘,積分后通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中,由捕獲跟蹤部分、時鐘振蕩器和(跳時)碼產(chǎn)生器控制可編程延時器,根據(jù)相應(yīng)的時延產(chǎn)生本地模板波形,與接收信號相乘。整個收發(fā)信機幾乎全部由數(shù)字電路構(gòu)成,便于降低成本和小型化。

圖3 UWB 信號發(fā)射機及相關(guān)接收機原理

2.2 Rake接收機模型
　　由于UWB信號需要用時域的方法進行分析,多用于戶內(nèi)密集多徑(多徑可達到30條)的條件下,而且每條路徑的信號能量都很小,難以對每條信道做出估計,所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來能量很小的多徑信號經(jīng)過能量合并后提高的信噪比提高系統(tǒng)性能。假設(shè)某UWB通信系統(tǒng)有個用戶,其發(fā)射信號分別為某接收機接收到的信號為,如果想得到第一個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù),那么其Rake接收機的實現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 UWB信號的Rake接收機原理

3 UWB與其他幾種無線個人局域網(wǎng)技術(shù)的比較
　　由于UWB技術(shù)的種種優(yōu)點,使其成為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技術(shù)之一。WPAN的目標是用無線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜,以低價格和低功耗在10m范圍內(nèi)實現(xiàn)個人信息終端的智能化互聯(lián),組建個人化信息網(wǎng)絡(luò)。其最普遍的應(yīng)用是連接電腦、打印機、無繩電話、PDA以及信息家電等設(shè)備。目前實現(xiàn)WPAN的主要技術(shù)有:IEEE802.11b(Wi-Fi)、Home RF、IrDA、藍牙(Bluetooth)以及超寬帶等五種。
　　從圖5可以看出UWB技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯,主要不足是發(fā)射功率過小限制了其傳輸距離(如圖6所示)。也就是說,10m以內(nèi),UWB可以發(fā)揮出高達數(shù)百Mbps的傳輸性能,對于遠距離應(yīng)用IEEE802.11b或Home RF無線PAN的性能將強于UWB。UWB和同為熱門的IEEE802.11b以及Home RF不會進行直接競爭,因為UWB更多地是應(yīng)用于10m左右距離的室內(nèi)。事實上,把UWB看作藍牙技術(shù)的替代者可能更為適合,因后者傳輸速率遠不及前者,另外藍牙技術(shù)的協(xié)議也較為復雜。

圖5 UWB與藍牙、IEEE 802.11空間容量

圖6 FCC對UWB功率譜密度的規(guī)定

4 國內(nèi)外研究及發(fā)展情況
4.1 國外研究現(xiàn)狀
　　軍用方面:早在1965年,美國就確立了UWB的技術(shù)基礎(chǔ)。在后來的二十年內(nèi),UWB技術(shù)主要用于美國的軍事應(yīng)用,其研究機構(gòu)僅限于與軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)以及研究機關(guān)、團體。目前,美國國防部正開發(fā)幾十種UWB系統(tǒng),包括戰(zhàn)場防竊聽網(wǎng)絡(luò)等。
　　民用方面:由于超寬帶技術(shù)的種種優(yōu)點使其在無線通信方面具有很大的潛力,近幾年來國外對UWB信號應(yīng)用的研究比較熱門,主要用于通信(如家庭和個人網(wǎng)絡(luò),公路信息服務(wù)系統(tǒng)和無線音頻、數(shù)據(jù)和視頻分發(fā)等)、雷達(如車輛及航空器碰撞/故障避免,入侵檢測和探地雷達等)以及精確定位(如資產(chǎn)跟蹤、人員定位等)。索尼、時域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒－克萊斯勒等高技術(shù)公司都已涉足UWB技術(shù)的開發(fā),將各種消費類電子設(shè)備以很高的數(shù)據(jù)傳輸率相連,以滿足消費者對短距離無線通信小型化、低成本、低功率、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蟆?
　　國際學術(shù)界對超寬帶無線通信的研究也越來越深入。2002年5月20～23日,IEEE舉辦了一期會議,專門討論UWB技術(shù)及其應(yīng)用。2002年2月14日,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)正式通過了將UWB技術(shù)應(yīng)用于民用的議案,定義了三種UWB系統(tǒng):成像系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)、車載雷達系統(tǒng),并對三種系統(tǒng)的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規(guī)定。但是,UWB技術(shù)的協(xié)議與標準尚未確定,目前,只有美國允許民用UWB器件的使用;而歐洲正在討論UWB的進一步使用情況,并觀望美國的UWB標準。
4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
　　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。但是國內(nèi)目前關(guān)于UWB技術(shù)的深入研究僅限于雷達方面,關(guān)于UWB通信系統(tǒng)的研究還沒有形成規(guī)模。
參考文獻
1 M. Z. Win, R.A. Scholtz. Impulse Radio: How it Works. IEEE Communications Letters, Feb.   1998
2 R. A. Scholtz. Multiple Access With Time-hopping Impulse Modulation. in Proc. MILCOM, Oct.   1993: 447～450
3 Win, M.Z., Scholtz, R.A. Ultra-wide Bandwidth Time-hop-ping Spread-spectrum Impulse Radio   for Wireless Multiple-access Communications. IEEE. Transactions on Communica-tions. Volume:   48 Issue: 4, April 2000:679～689
4 Dr. Robert J. Fontana. Ultra Wideband Technology-The Wave of the Future?
5 P. II Withington and L. W. Fullerton. An Impulse Radio Communication System. In Proceedings   of the International Conference on Ultra-Wide band,Short-Pulse Electromagnetics,NY, USA,   Oct. 1992:113～120