UWB無(wú)線通信及其關(guān)鍵技術(shù)

　　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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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/m?。

　　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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)非相干檢測(cè)恢復(fù)信息。PAM和PPM還可以通過(guò)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(guò)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B(niǎo)PM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)。