TM-UWB技術(shù)及其在無線通信中的應(yīng)用

UWB 通信系統(tǒng)有許多優(yōu)異的性能特點(diǎn),即信號(hào)的功率譜密度極低,UWB 系統(tǒng)發(fā)射的功耗比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)所需功耗要低得多,可以用平均不足1mW的功率覆蓋數(shù)英里范圍內(nèi),甚至用低增益天線時(shí)也能正常工作。特別可貴的是對(duì)其它無線系統(tǒng)具有低干擾特性和自身具有的強(qiáng)抗多徑干擾能力;實(shí)現(xiàn)起來比建造普通的擴(kuò)頻系統(tǒng)簡單,成本低。正是由于上述特點(diǎn),使得UWB 通信技術(shù)在個(gè)人通信、樓內(nèi)通信、高速局域網(wǎng)、無繩電話、保安系統(tǒng)、近距離高精度定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 技術(shù)及其特性

TM-UWB 信號(hào)

在一般通信系統(tǒng)中, “寬帶信號(hào)”是指具有大的調(diào)制帶寬和高的數(shù)據(jù)傳輸率信號(hào)。而超寬帶信號(hào)是指發(fā)射信號(hào)的分?jǐn)?shù)帶寬(Fractional Bandwidths , FBW) (指信號(hào)帶寬B 與中心頻率f c 之比,即B/ f c) 大于0. 25 或25 %,它通常是通過對(duì)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,從而獲得具有千兆赫茲(GHz) 量級(jí)帶寬的調(diào)制信號(hào),因而又稱為“基帶信號(hào)”或“無載波信號(hào)”。它的帶寬很寬,頻譜常從直流延伸到GHz 量級(jí)。該信號(hào)具有高分辨率、高處理增益、低竊獲、信息含量大和能探測隱蔽目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 通信系統(tǒng)是一種嶄新的通信系統(tǒng),它能在傳輸媒介中以低功率、類似噪聲的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)、話音甚至圖像。由于采用TM-UWB 技術(shù)發(fā)射的無線信號(hào)跨越很寬的無線頻譜,而功率譜密度又很低,與背景“噪聲”差不多,因而不會(huì)對(duì)工作于同一頻段的其它無線設(shè)備造成干擾。

傳輸波形的選取

一般而言,應(yīng)用TM-UWB 技術(shù)的通信系統(tǒng)發(fā)射的不是正弦波信號(hào),而是脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周超短時(shí)脈沖,一般工作脈寬為0. 2～1. 5ns ,重復(fù)周期為25～1 000ns。超短時(shí)單周脈沖決定了信號(hào)的帶寬很寬,這種系統(tǒng)常采用時(shí)間(脈沖位置) 調(diào)制來攜帶信息和進(jìn)行信道編碼。TM-UWB 通信系統(tǒng)接收機(jī)直接將收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶數(shù)字或模擬輸出信號(hào),只用一級(jí)前端交叉相關(guān)器即可把電磁脈沖序列轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào),不用傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級(jí),大大地降低了通信系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性。一個(gè)比特信息通常被擴(kuò)展到多個(gè)單周超短時(shí)脈沖,接收機(jī)相關(guān)地綜合適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)目來恢復(fù)被發(fā)送的信息。

高斯單周超短時(shí)脈沖　

在TM-UWB 射頻技術(shù)中最基本和最重要的任務(wù)就是首先要獲得實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)的高斯單周脈沖。圖1 顯示了一個(gè)典型高斯單周超短時(shí)脈沖(中心頻率為2GHz)的時(shí)域波形和頻域特性曲線。

高斯單周脈沖的時(shí)域和頻域數(shù)學(xué)模型可分別表示為

式中,A 為脈沖峰值幅度,τ是一個(gè)時(shí)間延遲長度,此處等于脈沖持續(xù)時(shí)間, t 為時(shí)間, f 為頻率,由此可推出中心頻率f 0 = 1/τ,半功率帶寬Wb = f 0 116 %這樣可得到脈沖寬度為0. 5ns 的高斯單周脈沖,其中心頻率為2GHz ,半功率帶寬約為2GHz。

單周脈沖序列　

TM-UWB 系統(tǒng)在實(shí)際通信中使用的是單周脈沖的長序列,而不是單個(gè)單周脈沖。數(shù)據(jù)調(diào)制和信道編碼等都是通過改變脈沖序列的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)的。圖2 顯示了單周脈沖串的時(shí)域和頻域特性。由于時(shí)域信號(hào)規(guī)則的重復(fù)周期性引起頻譜的離散化,從而出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰,這些尖峰將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的無線通信設(shè)備和信號(hào)造成干擾,這是不期望出現(xiàn)的。

由于十分規(guī)則的時(shí)域脈沖序列將不會(huì)攜帶任何有用的信息,同時(shí)改變時(shí)域脈沖序列的規(guī)則周期性還可降低頻譜中出現(xiàn)的能量尖峰,因此在信息調(diào)制和信道編碼中常常采用時(shí)間調(diào)制(TM)技術(shù)或稱為脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation ,PPM)技術(shù)。

TM-UWB 信號(hào)處理

信息調(diào)制　

為了傳輸信息,在TM-UWB 通信系統(tǒng)中,常采用脈沖位置調(diào)制PPM技術(shù)(每個(gè)脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻一個(gè)特定的時(shí)間來表示一個(gè)特定的信息,即超前表示信息“0”,落后表示信息“1”) 來調(diào)制單周脈沖序列串,這將有利于最優(yōu)匹配技術(shù)的使用。TM-UWB 通信系統(tǒng)接收機(jī)使用交叉相關(guān)器(Correlator)便很容易將淹沒在噪聲中的信號(hào)檢測出來。圖 3顯示了PPM示意圖。

調(diào)制前的原始平均周期是PRIavg ,它和調(diào)制量的數(shù)值都很小(如100ns 和100ps) ,這樣調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收?？梢钥闯?調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度,但由于調(diào)制的時(shí)間偏移量不夠大也不夠雜亂,因此頻譜仍不夠十分平滑。

信道編碼　

對(duì)一個(gè)相對(duì)長時(shí)間幀內(nèi)的脈沖序列串用偽隨機(jī)噪聲碼(即PN 序列碼) 按脈沖位置進(jìn)行編碼調(diào)制可實(shí)現(xiàn)信道編碼。在信道編碼中采用PN 序列碼可以給TM-UWB 通信系統(tǒng)帶來許多優(yōu)越特性,諸如可解決TM-UWB 通信系統(tǒng)中的多用戶共享信道、可具有較強(qiáng)的保密性和抗干擾性等問題。此外在時(shí)域中使脈沖串具有隨機(jī)變化的時(shí)間偏移量還可以進(jìn)一步平滑信號(hào)的頻譜。

圖4 顯示了偽隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制編碼后的脈沖序列的時(shí)域波形和頻域特性。信號(hào)頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜,功率小了許多,這都是偽隨機(jī)編碼產(chǎn)生的效果。適當(dāng)?shù)剡x擇PN 序列碼組,保證組內(nèi)各個(gè)碼字相互正交或接近正交,則可實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA) 。對(duì)時(shí)域脈沖串的時(shí)間偏移量有時(shí)大到幾個(gè)ns ,但實(shí)際中占空比仍控制在小于1 %的情況下,每秒重復(fù)1～40Mpps ( 每秒脈沖個(gè)數(shù)) 。

在無線通信中的應(yīng)用

TM-UWB 技術(shù)是一種使用1GHz 以上帶寬的最先進(jìn)的無線通信技術(shù),它能實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸,最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到幾十Mbps～幾百M(fèi)bps。現(xiàn)有的通信系統(tǒng),一般情況下耗電量要達(dá)到幾百mW～幾W,而TM-UWB 系統(tǒng)則可以大幅度減至現(xiàn)有系統(tǒng)的1/ 100～1/ 1 000 ,即耗電量僅有幾十μW。

TM-UWB 技術(shù)也是一種可以將微弱無線電脈沖信號(hào)分散在寬闊頻帶中進(jìn)行傳送的無線通信技術(shù), 與Bluetooth、IEEE802. 11b、IEEE802. 11a 等現(xiàn)有的無線通信技術(shù)相比,受干擾的影響很小,因此可獲得與室內(nèi)有線通信一樣的優(yōu)異性能。這種性能非常適用于攝像機(jī)、筆記本電腦、DVD 單放機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)等家用產(chǎn)品之間的短距離無線通信。TM-UWB 極有可能作為家電設(shè)備和便攜式終端的無線通信技術(shù)而得到廣泛利用。作為室內(nèi)通信用途,美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC) 已經(jīng)將3. 1GHz～10. 6GHz頻帶向UWB 通信開發(fā)。IEEE802 委員會(huì)也將UWB 作為PAN(Personal Area Network) 基礎(chǔ)技術(shù)的候選對(duì)象來進(jìn)行研究和探討。

TM-UWB 收發(fā)信機(jī)特點(diǎn)

圖5 顯示了一個(gè)TM-UWB 無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)相比,TM-UWB 無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都沒有本振、功放、PLL(鎖相環(huán)) 、VCO(壓控振蕩器) 、混頻器等。

相應(yīng)地,能在TM-UWB 無線通信系統(tǒng)中使用的合適技術(shù)是相關(guān)接收,關(guān)鍵部件被稱為相關(guān)器(correlator) 。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號(hào),再積分就得到一個(gè)直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi),處理過程一般在不到1ns 的時(shí)間內(nèi)完成。模板波形匹配時(shí),相關(guān)器的輸出量度了接收到的單周脈沖和模板波形的相對(duì)時(shí)間位置差,因此可以說相關(guān)器實(shí)質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測器。

TM-UWB 系統(tǒng)性能分析

在TM-UWB 信號(hào)占用的頻帶范圍內(nèi),所有其他的信號(hào)對(duì)TM-UWB 系統(tǒng)來說都是干擾信號(hào),然而對(duì)工作在無線環(huán)境中,擁有相同頻帶空間的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng),和TM-UWB 無線通信系統(tǒng)可以做到互不干擾,這主要依靠TM-UWB 系統(tǒng)綜合運(yùn)用偽隨機(jī)編碼、隨機(jī)時(shí)間調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)等。

常用處理增益來衡量TM-UWB 無線通信系統(tǒng)接收機(jī)的抗噪聲能力,通常近似定義為信號(hào)的RF 帶寬與信號(hào)的信息帶寬之比(再化成分貝) 。TM-UWB 無線通信系統(tǒng)一般具有較大的處理增益。一個(gè)具有8kHz 信息帶寬、1. 25MHz 信道帶寬的CDMA 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)其處理增益為156 (即22dB) ,而一個(gè)TM-UWB 通信系統(tǒng)用2GHz 信道帶寬來傳輸相同的8kHz 帶寬的信息,其得到的處理增益為250 000(54dB) 。

存在于蜂窩無線移動(dòng)通信中的瑞利衰落或多徑衰落是一種“連續(xù)波”現(xiàn)象,因而當(dāng)連續(xù)時(shí)間正弦波信號(hào)在室內(nèi)傳播時(shí)多徑干擾現(xiàn)象就不可避免。由于受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑現(xiàn)象的干擾,使傳統(tǒng)連續(xù)波無線電信號(hào)的傳輸特性變得較差,只有通過提高發(fā)射功率或采用更好的信號(hào)處理技術(shù)來減小多徑干擾的影響。而TM-UWB 通信技術(shù)本身就特別適合室內(nèi)使用,由于采用Rake 接收機(jī)技術(shù)因而具有抗多徑衰落的固有魯棒性。

結(jié)束語

TM-UWB 技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?它深刻地沖擊著傳統(tǒng)的定頻通信概念。即使是現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的擴(kuò)頻通信仍然需要占據(jù)一定的固定帶寬,這是 因?yàn)樵跀U(kuò)頻之前信息要調(diào)制到一個(gè)固定的載頻上,而不是像TM-UWB 技術(shù)用持續(xù)時(shí)間為ns 級(jí)的單周脈沖。在國FCC于2002 年2 月4 日正式通過認(rèn)可UWB 技術(shù)可應(yīng)用于民用通信環(huán)境的最終規(guī)定后,有相當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)正在致力于UWB 技術(shù)用于短距離無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的研究。