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ⅰＭ诫娐钒ú东@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。
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