超寬帶通信技術(shù)及其應(yīng)用

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(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，并介紹了超寬帶通信當(dāng)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(shí)間的沖激脈沖進(jìn)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(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。 1 超寬帶信號及其特點(diǎn) 美聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定： 部分帶寬

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。

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(gè)用戶的發(fā)射信號，它是大量的具有不同時(shí)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(jī)時(shí)鐘的零時(shí)刻(t(k)=0)開始。第j個(gè)脈沖的起始時(shí)間為

。仔細(xì)分析每個(gè)時(shí)移分量： (1)相同時(shí)移的脈沖序列：

形式的脈沖表示時(shí)間步長為Tf的單周期脈沖，其占空比極低，幀長或脈沖重復(fù)時(shí)間Tf(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(dǎo)致隨機(jī)碰撞。 (2)偽隨機(jī)跳時(shí)：為減少多址接人時(shí)的沖突，給每個(gè)用戶分配一個(gè)特定的偽隨機(jī)序列

，稱之為跳時(shí)碼，其周期為Np。跳時(shí)碼的每個(gè)碼元都是整數(shù)，且滿足

。這樣跳時(shí)碼給每個(gè)脈沖附加了時(shí)移，第j個(gè)單周期脈沖的附加時(shí)移為

秒。 由于讀出單周期脈沖相關(guān)器的輸出要占用一定的時(shí)間，NhTc/Tf應(yīng)嚴(yán)格小于1。然而如果NhTc太小，那么多個(gè)用戶接入時(shí)發(fā)生沖突的概率仍然會很大。相反，如果NhTc足夠大且跳時(shí)碼設(shè)計(jì)合理，就可以將多用戶干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信號。 由于跳時(shí)碼是周期為Np的周期序列，那

也為Np周期序列，其周期為Tp=NpTf。跳時(shí)碼的另外一個(gè)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(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)序列{di(k)｝為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。每個(gè)碼元傳輸Ns個(gè)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(gè)符號(或碼元)的持續(xù)時(shí)間為Ts=NsTf。對于固定的脈沖重復(fù)時(shí)間Tf，二進(jìn)制的符號速率Rs，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(diǎn)：信號持續(xù)時(shí)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(dāng)寬，達(dá)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(qiáng);UWB系統(tǒng)處理增益很高，其總處理增益PC為：

例如，當(dāng)某二進(jìn)制UWB通信系統(tǒng)Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps時(shí)，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(qiáng)的穿透能力，可以辨別出隱藏的物體或墻體后運(yùn)動著的物體，能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、定位、通信三種功能的結(jié)合，適合軍用戰(zhàn)術(shù)通信。 圖3 2 超寬帶信號發(fā)射機(jī)、接收機(jī)基本結(jié)構(gòu) 2.1 發(fā)射機(jī)和相關(guān)接收機(jī)模型 與傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB收發(fā)信機(jī)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(shí)器件對脈沖進(jìn)一步時(shí)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(shí)鐘振蕩器和(跳時(shí))碼產(chǎn)生器控制可編程延時(shí)器，根據(jù)相應(yīng)的時(shí)延產(chǎn)生本地模板波形，與接收信號相乘。整個(gè)收發(fā)信機(jī)幾乎全部由數(shù)字電路構(gòu)成，便于降低成本和小型化。 2.2 Rake接收機(jī)模型 由于UWB信號需要用時(shí)域的方法進(jìn)行分析，多用于戶內(nèi)密集多徑(多徑可達(dá)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(jì)，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機(jī)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Nu個(gè)用戶，其發(fā)射信號分別為

某接收機(jī)接收到的信號為r(t)，如果想得到第一個(gè)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么其Rake接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。 圖4 3 UWB與其他幾種無線個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)的比較 由于UWB技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，使其成為無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技術(shù)之一。WPAN的目標(biāo)是用無線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜，以低價(jià)格和低功耗在10m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個(gè)人化信息網(wǎng)絡(luò)。其最普遍的應(yīng)用是連接電腦、打印機(jī)、無繩電話、PDA以及信息家電等設(shè)備。目前實(shí)現(xiàn)WPAN的主要技術(shù)有：IEEE802.11b(Win)、Home RF、IrDA、藍(lán)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(dá)數(shù)百 Mbps的傳輸性能，對于遠(yuǎn)距離應(yīng)用IEEE802.11b或Home RF無線PAN的性能將強(qiáng)于UWB。UWB和同為熱門的IEEE802.11b以及Home RF不會進(jìn)行直接競爭，因?yàn)閁WB更多地是應(yīng)用于10m左右距離的室內(nèi)。事實(shí)上，把UWB看作藍(lán)牙技術(shù)的替代者可能更為適合，因后者傳輸速率遠(yuǎn)不及前者，另外藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議也較為復(fù)雜。

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(jī)構(gòu)僅限于與軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)以及研究機(jī)關(guān)、團(tuán)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(diǎn)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(gè)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(dá)(如車輛及航空器碰撞/故障避免，入侵檢測和探地雷達(dá)等)以及精確定位(如資產(chǎn)跟蹤、人員定位等)。索尼、時(shí)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(fèi)類電子設(shè)備以很高的數(shù)據(jù)傳輸率相連，以滿足消費(fèi)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?/p>

國際學(xué)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步使用情況，并觀望美國的UWB標(biāo)準(zhǔn)。 4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2001年9月初發(fā)布的“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)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(lì)國內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)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(dá)方面，關(guān)于UWB通信系統(tǒng)的研究還沒有形成規(guī)模。