UWB無線通信及其關鍵技術 - 全文

　　1、引言

　　UWB(Ultra-Wideband，超寬帶)脈沖無線傳輸技術是近兩三年在國際上興起的一種無線通信革命性的通信技術，與其他無線通信技術相比有很大不同：不需要使用載波，而是依靠持續(xù)的、時間非常短的基帶脈沖信號(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。

　　UWB技術與下列名詞是同義的：極短脈沖、無載波、時域、非正弦、正交函數(shù)和大相對帶寬無線/雷達信號。UWB脈沖通信由于其優(yōu)良獨特的技術特性，越來越受到通信學術界和產業(yè)界的重視，并且也為社會各界所關注，將會在小范圍和室內大容量高速率無線多媒體通信、雷達、精密定位、穿墻透地探測、成像和測量等領域獲得日益廣泛的應用。

　　2、UWB概述

　　目前研究的UWB實質上是以占空比很低(低達0.5%)的沖擊脈沖作為信息載體的無載波擴譜技術。它是通過對具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖進行直接調制。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，此時發(fā)射的信號可看成基帶信號(依常規(guī)無線電而言)，也可看成射頻信號(從發(fā)射信號的頻譜分量考慮)。沖擊脈沖通常采用單周期高斯脈沖，一個信息比特可映射為數(shù)百個這樣的脈沖。單周期脈沖的寬度在ns級，具有很寬的頻譜。UWB開發(fā)了一個具有GHz容量和最高空間容量的新無線信道。

　　基于CDMA的UWB脈沖無線收發(fā)信機的基本組成如圖1所示。在發(fā)送端時鐘發(fā)生器產生一定重復周期的脈沖序列，用戶要傳輸?shù)男畔⒑捅硎驹撚脩舻刂返膫坞S機碼分別或合成后對上述周期脈沖序列進行一定方式的調制，調制后的脈沖序列驅動脈沖產生電路，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天線接收的信號經低噪聲放大器放大后，送到相關器的一個輸入端，相關器的另一個輸入端，加入一個本地產生的與發(fā)端同步的經用戶偽隨機碼調制的脈沖序列，接收端信號與本地同步的偽隨機碼調制的脈沖序列一起經過相關器中的相乘、積分和取樣保持運算，產生一個對用戶地址信息經過分離的信號，其中僅含用戶傳輸信息以及其他干擾。然后對該信號進行解調運算，即根據(jù)發(fā)端的調制方式對每個脈沖進行判決，恢復出所傳輸?shù)男畔?。同步電路包括捕獲和跟蹤電路，其作用是準確提取時鐘脈沖的位置和重復周期的信息，并將其作用到本地的定時電路，產生接收機所需的各種時鐘和定時信號。

　　2.1UWB主要指標

　　頻率范圍：3.1-10.6GHz；

　　系統(tǒng)功耗：1-4mW；

　　脈沖寬度：0.2-1.5ns，重復周期：25ns-1ms；

　　發(fā)射功率：＜-41.3dBm/MHz；

　　數(shù)據(jù)速率：幾十到幾百Mbit/s；

　　分解多路徑時延：≤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的關鍵技術

　　3.1脈沖信號的產生

　　從本質上講，產生脈沖寬度為納秒級(10-9s)的信號源是UWB技術的前提條件，單個無載波窄脈沖信號有兩個特點：一是激勵信號的波形為具有陡峭前后沿的單個短脈沖，二是激勵信號包括從直流到微波的很寬的頻譜。目前產生脈沖源的兩類方法為：(1)光電方法，基本原理是利用光導開關的陡峭上升/下降沿獲得脈沖信號。由激光脈沖信號激發(fā)得到的脈沖寬度可達到皮秒(10-12s)量級，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結反向加電，在雪崩狀態(tài)的導通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，是目前應用最廣泛的方案。受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產生幾十伏到上百伏的脈沖，脈沖的寬度可以達到1ns以下，實際通信中使用一長串的超短脈沖。

　　3.2UWB的調制及多址方式

　　3.2.1調制方式

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

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

　　(1)單脈沖調制

　　對于單個脈沖，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的主要單脈沖調制技術包括：脈沖幅度調制(PAM)、脈沖位置調制(PPM)、通斷鍵控(OOK)、二相調制(BPM)和跳時/直擴二進制相移鍵控調制TH/DS-BPSK等。

　　PAM是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的一種脈沖調制技術。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值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對值。BPM和OOK是PAM的兩種簡化形式。BPM通過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。OOK通過脈沖的有無來傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調制中，發(fā)射脈沖的時間間隔是固定不變的。實際上，我們也可以通過改變發(fā)射脈沖的時間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準時間的位置來傳遞信息，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)點是可以通過非相干檢測恢復信息。PAM和PPM還可以通過多個幅度調制或多個位置調制提高信息傳輸速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一個共同的缺點：經過這些方式調制的脈沖信號將出現(xiàn)線譜。線譜不僅會使UWB脈沖系統(tǒng)的信號難以滿足一定的頻譜要求(例如，F(xiàn)CC關于UWB信號頻譜的規(guī)定)，而且還會降低功率的利用率。

　　就上述5種調制方式而言，綜合考慮可靠性、有效性和多址性能等因素，目前廣泛受關注的是后兩種調制方式？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。兩者的區(qū)別在于當采用匹配濾波器的單用戶檢測情況下，TH/DS-BPSK的性能要優(yōu)于TH-PPM。而對TH/DS-BPSK而言，在速率較高時，應優(yōu)先選擇DS-BPSK方式；速率較低時，由于TH-BPSK受遠近效應的影響較小，應選擇TH-BPSK方式。在采用最小均方誤差(MMSE)檢測方式的多用戶接收機應用情況時，兩者差別不大；但在速率較高時，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制技術。對于功率譜密度受約束和功率受限的UWB脈沖無線系統(tǒng)，為了獲得更好的通信質量或更高的通信容量，BPM是一種比較理想的脈沖調制技術。

　　(2)多脈沖調制

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

　　當采用多脈沖調制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內部單個脈沖的調制；第二步為每組脈沖作為整體被調制。在第一步中，每組脈沖內部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調制；在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎肞AM、PPM或BPM調制。一般把第一步稱為擴譜，而把第二步稱為信息調制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時擴譜(TH-SS)，即每組脈沖內部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置；把BPM稱為直接序列擴譜(DS-SS)，即每組脈沖內部的每一個脈沖具有固定的時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忍兀琍AM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到以下多脈沖調制技術：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。

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

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

　　3.2.2多址方式

　　在UWB系統(tǒng)中，多址接入方式與調制方式有密切聯(lián)系。當系統(tǒng)采用PPM調制方式時，多址接入方式多采用跳時多址；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)偽混沌跳時多址方式(PCTH)

　　PCTH根據(jù)調制的數(shù)據(jù)，產生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機序列和調制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時刻，使信號的頻譜發(fā)生變化。PCTH調制不僅能減少對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且更不易被檢測到。

　　(2)DS-BPSK/TH混合多址方式

　　此方式在跳時(TH)的基礎之上，通過直接序列擴頻碼進一步減少多址干擾，其多址性能優(yōu)于TH-PPM，與DS-BPSK相當，但在實現(xiàn)同步和抗遠近效應方面，具有一定的優(yōu)勢。

　　(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式

　　此方式的特點是：打破TH-PPM多址方式中采用隨機跳時碼的常規(guī)思路，利用具有特殊結構的固定跳時碼，減少不同用戶脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時，利用直接序列擴頻的偽隨機碼的特性，也可以進一步削弱多址干擾。

　　此外，由于UWB脈沖信號具有極低的占空比，其頻譜能夠達到GHz的數(shù)量級，因而UWB在時域中具有其他調制方式所不具有的特性。當多個用戶的UWB信號被設計成不同的具有正交波形時，根據(jù)多個UWB用戶時域發(fā)送波形的正交性，以區(qū)分用戶，實現(xiàn)多址，這被稱之為波分多址技術。

　　3.3天線的設計

　　能夠有效輻射時域短脈沖的天線是UWB研究的另一個重要方面。UWB天線應該達到以下要求：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，以保證信號的有效發(fā)射和接收。

　　對于時域短脈沖輻射技術，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、無法測量時域目標的特性，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，它的特點是能產生對稱波束、可平衡UWB饋電、具有UWB特性。由于利用光刻技術，可以制成毫米、亞毫米波段的集成天線。

　　3.4收發(fā)機的設計

　　與傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機結構相比，UWB收發(fā)信機的結構相當簡單，如圖2所示。傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機大多采用超外差式結構；UWB收發(fā)信機采用零差結構，在接收端，天線收集的信號經放大后通過匹配濾波或相關接收機處理，再經高增益門限電路恢復原來信息?，F(xiàn)代數(shù)字無線技術常采用數(shù)字信號處理芯片(DSP)的軟件無線電來產生不同的調制方式，這些系統(tǒng)可逐步降低信息速率以在更大的范圍內連接用戶。UWB的一大優(yōu)點是，即使最簡單的收發(fā)信機也可采用這一數(shù)字技術。

　　4、UWB面臨的挑戰(zhàn)

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

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

　　(2)前向糾錯編碼的設計、低復雜度的信道補償算法、快速捕獲和同步方法、容量分析；

　　(3)需要進一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術；

　　(4)高速脈沖收發(fā)電路的設計與實現(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)研究新的調制技術，進一步降低收發(fā)機結構的復雜度；

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

　　(7)接收時每個脈沖位置的檢測精度；

　　(8)研究它與GPS等其他無線通信技術的干擾問題；

　　(9)在定位應用中還需要研究位置測定技術等。

　　5、結束語

　　UWB作為民用還是一項新技術，隨著該技術不斷走向商業(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)多媒體設備和個人網絡，特別是信息家電方面具有很大的市場潛力。

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