UWB無線通信及其關(guān)鍵技術(shù)

　　1、引言

　　UWB(Ultra-Wideband，超寬帶)脈沖無線傳輸技術(shù)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(shù)，與其他無線通信技術(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(shù)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(shù)特性，越來越受到通信學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視，并且也為社會各界所關(guān)注，將會在小范圍和室內(nèi)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(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用。

　　2、UWB概述

　　目前研究的UWB實質(zhì)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(shù)。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(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(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機碼分別或合成后對上述周期脈沖序列進行一定方式的調(diào)制，調(diào)制后的脈沖序列驅(qū)動脈沖產(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天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大器放大后，送到相關(guān)器的一個輸入端，相關(guān)器的另一個輸入端，加入一個本地產(chǎn)生的與發(fā)端同步的經(jīng)用戶偽隨機碼調(diào)制的脈沖序列，接收端信號與本地同步的偽隨機碼調(diào)制的脈沖序列一起經(jīng)過相關(guān)器中的相乘、積分和取樣保持運算，產(chǎn)生一個對用戶地址信息經(jīng)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(diào)運算，即根據(jù)發(fā)端的調(diào)制方式對每個脈沖進行判決，恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔?。同步電路包括捕獲和跟蹤電路，其作用是準確提取時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電路，產(chǎn)生接收機所需的各種時鐘和定時信號。

　　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(guān)鍵技術(shù)

　　3.1脈沖信號的產(chǎn)生

　　從本質(zhì)上講，產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(10-9s)的信號源是UWB技術(shù)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(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)開關(guān)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(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，脈沖的寬度可以達到1ns以下，實際通信中使用一長串的超短脈沖。

　　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的功率譜密度限制，因而在兩個方面影響調(diào)制方式的選擇：一是對于每比特能量調(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(diào)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(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/直擴二進制相移鍵控調(diào)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(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(diào)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(diào)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(fù)信息。PAM和PPM還可以通過多個幅度調(diào)制或多個位置調(diào)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(jīng)過這些方式調(diào)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(guān)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(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(yīng)優(yōu)先選擇DS-BPSK方式；速率較低時，由于TH-BPSK受遠近效應(yīng)的影響較小，應(yīng)選擇TH-BPSK方式。在采用最小均方誤差(MMSE)檢測方式的多用戶接收機應(yīng)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(diào)制技術(shù)。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(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)。