超寬帶（UWB）無線通信技術(shù)詳解

近年來，超寬帶(UWB)無線通信成為短距離、高速無線網(wǎng)絡(luò)最熱門的物理層技術(shù)之一。

1 UWB的產(chǎn)生與發(fā)展

超寬帶(UWB)有著悠久的發(fā)展歷史，但在1989年之前，超寬帶這一術(shù)語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結(jié)構(gòu)方面也沒有明確的規(guī)定。1989年，美國國防部高級研究計(jì)劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術(shù)語，并規(guī)定：若信號在-20dB處的絕對帶寬大于1.5GHz或相對帶寬大于25%，則該信號為超寬帶信號。此后，超寬帶這個(gè)術(shù)語才被沿用下來。

其中，fH為信號在-20dB輻射點(diǎn)對應(yīng)的上限頻率、fL為信號在-20 dB輻射點(diǎn)對應(yīng)的下限頻率。圖1給出了帶寬計(jì)算示意圖。可見，UWB是指具有很高帶寬比(射頻帶寬與其中心頻率之比)的無線電技術(shù)。

為探索UWB應(yīng)用于民用領(lǐng)域的可行性，自1998年起，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)開始在產(chǎn)業(yè)界廣泛征求意見。美國NTIA等通信團(tuán)體對此大約提交了800多份意見書。

2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，并對UWB進(jìn)行了重新定義，規(guī)定UWB信號為相對帶寬大于20%或-10dB帶寬大于500MHz的無線電信號。根據(jù)UWB系統(tǒng)的具體應(yīng)用，分為成像系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)三大類。根據(jù)FCCPart15規(guī)定，UWB通信系統(tǒng)可使用頻段為3.1 GHz～10.6 GHz。為保護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)(如GPRS、移動蜂窩系統(tǒng)、WLAN等)不被UWB系統(tǒng)干擾，針對室內(nèi)、室外不同應(yīng)用，對UWB系統(tǒng)的輻射譜密度進(jìn)行了嚴(yán)格限制，規(guī)定UWB系統(tǒng)的最高輻射譜密度為-41.3 dBm/MHz.。圖2示出了FCC對室內(nèi)、室外UWB系統(tǒng)的輻射功率譜密度限制。當(dāng)前，人們所說的UWB是指FCC給出的新定義。

自2002年至今，新技術(shù)和系統(tǒng)方案不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了基于載波的多帶脈沖無線電超寬帶(IR-UWB)系統(tǒng)、基于直擴(kuò)碼分多址(DS-CDMA)的UWB系統(tǒng)、基于多帶正交頻分復(fù)用(OFDM)的UWB系統(tǒng)等。在產(chǎn)品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司紛紛推出UWB芯片組，超寬帶天線技術(shù)也日趨成熟。當(dāng)前，UWB技術(shù)已成為短距離、高速無線連接最具競爭力的物理層技術(shù)。IEEE已經(jīng)將UWB技術(shù)納入其IEEE802系列無線標(biāo)準(zhǔn)，正在加緊制訂基于UWB技術(shù)的高速無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3a和低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4a。以Intel領(lǐng)銜的無線USB促進(jìn)組織制訂的基于UWB的W-USB2.0標(biāo)準(zhǔn)即將出臺。無線1394聯(lián)盟也在抓緊制訂基于UWB技術(shù)的無線標(biāo)準(zhǔn)。可以預(yù)見，在未來的幾年中，UWB將成為無線個(gè)域網(wǎng)、無線家庭網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等短距離無線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位的物理層技術(shù)之一。

2 UWB的技術(shù)特點(diǎn)

(1)傳輸速率高，空間容量大

根據(jù)仙農(nóng)(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，系統(tǒng)無差錯(cuò)傳輸速率的上限為：

C=B×log2(1+SNR)　　　(1)

其中，B(單位：Hz)為信道帶寬，SNR為信噪比。在UWB系統(tǒng)中，信號帶寬B高達(dá)500MHz～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系統(tǒng)也可以在短距離上實(shí)現(xiàn)幾百兆至1Gb/s的傳輸速率。例如，如果使用7 GHz帶寬，即使信噪比低至-10 dB，其理論信道容量也可達(dá)到1 Gb/s。因此，將UWB技術(shù)應(yīng)用于短距離高速傳輸場合(如高速WPAN)是非常合適的，可以極大地提高空間容量。理論研究表明，基于UWB的WPAN可達(dá)的空間容量比目前WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11.a高出1～2個(gè)數(shù)量級。

(2)適合短距離通信

按照FCC規(guī)定，UWB系統(tǒng)的可輻射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz頻段總輻射功率僅0.55mW，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)。隨著傳輸距離的增加，信號功率將不斷衰減。因此，接收信噪比可以表示成傳輸距離的函數(shù)SNRr (d )。根據(jù)仙農(nóng)公式，信道容量可以表示成距離的函數(shù)

C(d)=B×log2[1+SNRr(d )]　 (2)

另外，超寬帶信號具有極其豐富的頻率成分。眾所周知，無線信道在不同頻段表現(xiàn)出不同的衰落特性。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號衰落極快，這導(dǎo)致UWB信號產(chǎn)生失真，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。研究表明，當(dāng)收發(fā)信機(jī)之間距離小于10m時(shí)，UWB系統(tǒng)的信道容量高于5GHz頻段的WLAN系統(tǒng)，收發(fā)信機(jī)之間距離超過12m時(shí)，UWB系統(tǒng)在信道容量上的優(yōu)勢將不復(fù)存在。因此，UWB系統(tǒng)特別適合于短距離通信。

(3)具有良好的共存性和保密性

由于UWB系統(tǒng)輻射譜密度極低(小于-41.3dBm/MHz)，對傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)來講，UWB信號譜密度甚至低至背景噪聲電平以下，UWB信號對窄帶系統(tǒng)的干擾可以視作寬帶白噪聲。因此，UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)有著良好的共存性，這對提高日益緊張的無線頻譜資源的利用率是非常有利的。同時(shí)，極低的輻射譜密度使UWB信號具有很強(qiáng)的隱蔽性，很難被截獲，這對提高通信保密性非常有利。

(4)多徑分辨能力強(qiáng)，定位精度高

由于UWB信號采用持續(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，其時(shí)間、空間分辨能力都很強(qiáng)。因此，UWB信號的多徑分辨率極高。極高的多徑分辨能力賦予UWB信號高精度的測距、定位能力。對于通信系統(tǒng)，必須辯證地分析UWB信號的多徑分辨力。無線信道的時(shí)間選擇性和頻率選擇性是制約無線通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而UWB信號可以將它們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并。因此，UWB系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗衰落能力。但UWB信號極高的多徑分辨力也導(dǎo)致信號能量產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)間彌散(頻率選擇性衰落)，接收機(jī)必須通過犧牲復(fù)雜度(增加分集重?cái)?shù))以捕獲足夠的信號能量。這將對接收機(jī)設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在實(shí)際的UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須折衷考慮信號帶寬和接收機(jī)復(fù)雜度，得到理想的性價(jià)比。

(5)體積小、功耗低

傳統(tǒng)的UWB技術(shù)無需正弦載波，數(shù)據(jù)被調(diào)制在納秒級或亞納秒級基帶窄脈沖上傳輸，接收機(jī)利用相關(guān)器直接完成信號檢測。收發(fā)信機(jī)不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制/解調(diào)電路和濾波器。因此，可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小收發(fā)信機(jī)體積和功耗。FCC對UWB的新定義在一定程度上增加了無載波脈沖成形的實(shí)現(xiàn)難度，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和新型脈沖產(chǎn)生技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，UWB系統(tǒng)仍然繼承了傳統(tǒng)UWB體積小、功耗低的特點(diǎn)。

3 UWB脈沖成形技術(shù)

任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息。對于線性調(diào)制系統(tǒng)，已調(diào)制信號可以統(tǒng)一表示為：

s(t)=∑Ing(t -T )　　　　　　　　　　　 (3)

其中，In為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號序列；T為數(shù)據(jù)符號持續(xù)時(shí)間；

g(t)為時(shí)域成形波形。通信系統(tǒng)的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于g(t)的設(shè)計(jì)。

對于UWB通信系統(tǒng)，成形信號g(t)的帶寬必須大于500MHz，且信號能量應(yīng)集中于3.1 GHz～10.6 GHz頻段。早期的UWB系統(tǒng)采用納秒/亞納秒級無載波高斯單周脈沖，信號頻譜集中于2 GHz以下。FCC對UWB的重新定義和頻譜資源分配對信號成形提出了新的要求，信號成形方案必需進(jìn)行調(diào)整。近年來，出現(xiàn)了許多行之有效的方法，如基于載波調(diào)制的成形技術(shù)、Hermit正交脈沖成形、橢圓球面波(PSWF)正交脈沖成形等。

3.1高斯單周脈沖

高斯單周脈沖即高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)，是最具代表性的無載波脈沖。各階脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。

隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點(diǎn)數(shù)逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。早期UWB系統(tǒng)采用1階、2階脈沖，信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz。按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。圖3為典型的2ns高斯單周脈沖。

3.2載波調(diào)制的成形技術(shù)

原理上講，只要信號-10dB帶寬大于500MHz即可滿足UWB要求。因此，傳統(tǒng)的用于有載波通信系統(tǒng)的信號成形方案均可移植到UWB系統(tǒng)中。此時(shí)，超寬帶信號設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為低通脈沖設(shè)計(jì)，通過載波調(diào)制可以將信號頻譜在頻率軸上靈活地搬移。

有載波的成形脈沖可表示為：

w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp)　　　 (4)

其中，p(t)為持續(xù)時(shí)間為Tp的基帶脈沖；fc為載波頻率，即信號中心頻率。若基帶脈沖p(t)的頻譜為P(f )，則最終成形脈沖的頻譜為：

可見，成形脈沖的頻譜取決于基帶脈沖p(t)，只要使p(t)的-10dB帶寬大于250 MHz，即可滿足UWB設(shè)計(jì)要求。通過調(diào)整載波頻率fc可以使信號頻譜在3.1 GHz～10.6 GHz范圍內(nèi)靈活移動。若結(jié)合跳頻(FH)技術(shù)，則可以方便地構(gòu)成跳頻多址(FHMA)系統(tǒng)。在許多IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提案中采用了這種脈沖成形技術(shù)。圖4為典型的有載波修正余弦脈沖，中心頻率為3.35 GHz，-10 dB帶寬為525 MHz。

3.3Hermite正交脈沖

Hermite脈沖是一類最早被提出用于高速UWB通信系統(tǒng)的正交脈沖成形方法。結(jié)合多進(jìn)制脈沖調(diào)制可以有效地提高系統(tǒng)傳輸速率。這類脈沖波形是由Hermite多項(xiàng)式導(dǎo)出的。這種脈沖成形方法的特點(diǎn)在于：能量集中于低頻，各階波形頻譜相差大，需借助載波搬移頻譜方可滿足FCC要求。

3.4PSWF正交脈沖

PSWF脈沖是一類近似的“時(shí)限-帶限”信號，在帶限信號分析中有非常理想的效果。

與Hermite脈沖相比，PSWF脈沖可以直接根據(jù)目標(biāo)頻段和帶寬要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，不需要復(fù)雜的載波調(diào)制進(jìn)行頻譜般移。因此，PSWF脈沖屬于無載波成形技術(shù)，有利于簡化收發(fā)信機(jī)復(fù)雜度。

4 UWB調(diào)制與多址技術(shù)

調(diào)制方式是指信號以何種方式承載信息，它不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，同時(shí)也影響信號的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機(jī)復(fù)雜度。對于多址技術(shù)解決多個(gè)用戶共享信道的問題，合理的多址方案可以在減小用戶間干擾的同時(shí)極大地提高多用戶容量。在UWB系統(tǒng)中采用的調(diào)制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調(diào)制、基于OFDM的正交多載波調(diào)制。多址技術(shù)包括：跳時(shí)多址、跳頻多址、直擴(kuò)碼分多址、波分多址等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以對調(diào)制方式與多址方式進(jìn)行合理的組合。

4.1UWB調(diào)制技術(shù)

(1)脈位調(diào)制

脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制PPM(2PPM)和多進(jìn)制PPM(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或M個(gè)，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應(yīng)。根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點(diǎn)，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測。鑒于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實(shí)際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM。

PPM的優(yōu)點(diǎn)在于：它僅需根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。因此，PPM是早期UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。如果不對這些譜線進(jìn)行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求。

(2)脈幅調(diào)制

脈幅調(diào)制(PAM)是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進(jìn)制PAM(MPAM)。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關(guān)鍵控(OOK)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)。前者可以采用非相干檢測降低接收機(jī)復(fù)雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。

與2PPM相比，在輻射功率相同的前提下，BPSK可以獲得更高的傳輸可靠性，且輻射譜中沒有離散譜線。

(3)波形調(diào)制

波形調(diào)制(PWSK)是結(jié)合Hermite脈沖等多正交波形提出的調(diào)制方式。在這種調(diào)制方式中，采用M個(gè)相互正交的等能量脈沖波形攜帶數(shù)據(jù)信息，每個(gè)脈沖波形與一個(gè)M進(jìn)制數(shù)據(jù)符號對應(yīng)。在接收端，利用M個(gè)并行的相關(guān)器進(jìn)行信號接收，利用最大似然檢測完成數(shù)據(jù)恢復(fù)。由于各種脈沖能量相等，因此可以在不增加輻射功率的情況下提高傳輸效率。在脈沖寬度相同的情況下，可以達(dá)到比MPPM更高的符號傳輸速率。在符號速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于這種調(diào)制方式需要較多的成形濾波器和相關(guān)器，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。因此，在實(shí)際系統(tǒng)中較少使用，目前僅限于理論研究。

(4)正交多載波調(diào)制

傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)均采用窄脈沖攜帶信息。FCC對UWB的新定義拓廣了UWB的技術(shù)手段。原理上講，-10dB帶寬大于500MHz的任何信號形式均可稱作UWB。在OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號被調(diào)制在并行的多個(gè)正交子載波上傳輸，數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)采用快速傅里葉變換/逆快速傅里葉變換(FFT/IFFT)實(shí)現(xiàn)。由于具有頻譜利用率高、抗多徑能力強(qiáng)、便于DSP實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，OFDM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、WLAN等無線網(wǎng)絡(luò)中，且被作為B3G/4G蜂窩網(wǎng)的主流技術(shù)。

4.2UWB多址技術(shù)

(1)跳時(shí)多址

跳時(shí)多址(THMA)是最早應(yīng)用于UWB通信系統(tǒng)的多址技術(shù)，它可以方便地與PPM調(diào)制、BPSK調(diào)制相結(jié)合形成跳時(shí)-脈位調(diào)制(TH-PPM)、跳時(shí)-二進(jìn)制相移鍵控系統(tǒng)方案。這種多址技術(shù)利用了UWB信號占空比極小的特點(diǎn)，將脈沖重復(fù)周期(Tf，又稱幀周期)劃分成Nh個(gè)持續(xù)時(shí)間為Tc的互不重疊的碼片時(shí)隙，每個(gè)用戶利用一個(gè)獨(dú)特的隨機(jī)跳時(shí)序列在Nh個(gè)碼片時(shí)隙中隨機(jī)選擇一個(gè)作為脈沖發(fā)射位置。在每個(gè)碼片時(shí)隙內(nèi)可以采用PPM調(diào)制或BPSK調(diào)制。接收端利用與目標(biāo)用戶相同的跳時(shí)序列跟蹤接收。

由于用戶跳時(shí)碼之間具有良好的正交性，多用戶脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。將跳時(shí)技術(shù)與PPM結(jié)合可以有效地抑制PPM信號中的離散譜線，達(dá)到平滑信號頻譜的作用。由于每個(gè)幀周期內(nèi)可分的碼片時(shí)隙數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)很大時(shí)必然產(chǎn)生多用戶干擾。因此，如何選擇跳時(shí)序列是非常重要的問題。

(2)直擴(kuò)-碼分多址

直擴(kuò)-碼分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移動蜂窩系統(tǒng)中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應(yīng)用于UWB系統(tǒng)。在這種多址方式中，每個(gè)用戶使用一個(gè)專用的偽隨機(jī)序列對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行擴(kuò)頻，用戶擴(kuò)頻序列之間互相關(guān)很小，即使用戶信號間發(fā)生沖突，解擴(kuò)后互干擾也會很小。但由于用戶擴(kuò)頻序列之間存在互相關(guān)，遠(yuǎn)近效應(yīng)是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系統(tǒng)中需要進(jìn)行功率控制。在UWB系統(tǒng)中，DS-CDMA通常與BPSK結(jié)合。

(3)跳頻多址

跳頻多址(FHMA)是結(jié)合多個(gè)頻分子信道使用的一種多址方式，每個(gè)用戶利用專用的隨機(jī)跳頻碼控制射頻頻率合成器，以一定的跳頻圖案周期性地在若干個(gè)子信道上傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成。若用戶跳頻碼之間無沖突或沖突概率極小，則多用戶信號之間在頻域正交，可以很好地消除用戶間干擾。原理上講，子信道數(shù)量越多則容納的用戶數(shù)量越大，但這是以犧牲設(shè)備復(fù)雜度和功耗為代價(jià)的。在UWB系統(tǒng)中，將3.1GHz～10.6GHz頻段分成若干個(gè)帶寬大于500MHz的子信道，根據(jù)用戶數(shù)量和設(shè)備復(fù)雜度要求選擇一定數(shù)量的子信道和跳頻碼解決多址問題。FHMA通常與多帶脈沖調(diào)制或OFDM相結(jié)合，調(diào)制方式采用BPSK或正交移相鍵控(QPSK)。

(4)PWDMA

PWDMA是結(jié)合Hermite等正交多脈沖提出的一種波分多址方式。每個(gè)用戶分別使用一種或幾種特定的成形脈沖，調(diào)制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用戶使用的脈沖波形之間相互正交，在同步傳輸?shù)那闆r下，即使多用戶信號間相互沖突也不會產(chǎn)生互干擾。通常正交波形之間的異步互相關(guān)不為零，因此在異步通信的情況下用戶間將產(chǎn)生互干擾。目前，PWDMA僅限于理論研究，尚未進(jìn)入實(shí)用階段。