超寬帶及其在無線個域網(wǎng)中的應用

1 引言

隨著計算機通信技術的不斷發(fā)展，無線傳輸技術得到了廣泛的應用，而超帶寬（uwb）技術作為一種新型短距離高速無線通信技術正占據(jù)主導地位，超帶寬技術又被稱為脈沖無線發(fā)射技術，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5ghz的無線發(fā)射方案，超帶寬技術在2002年以前主要應用于雷達和遙感等軍事領域，uwb技術不需載波，能直接調制脈沖信號，產(chǎn)生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業(yè)無線通信技術所占用的帶寬，uwb信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了uwb無線傳輸技術具有以下優(yōu)勢：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)（如全球定位系統(tǒng)（gps）、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等）公用頻段，大大提高了頻譜利用率。易于實現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；對多徑衰落具有魯棒性，目前，uwb技術在商業(yè)多媒體設備、家庭和個人網(wǎng)絡方面的應用正在不斷發(fā)展。

2 uwb的關鍵技術

2.1 脈沖成形技術

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，對于線性調制系統(tǒng)，已調制信號可以統(tǒng)一表示為[1]：

s（t）＝σin g（t－t）

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)時間；g（t）為時域成形波形，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、實現(xiàn)復雜度等諸多因素都取決于g（t）的設計。

對于uwb通信系統(tǒng)，成形信號g（t）的帶寬必須大于500mhz，且信號能量集中于3.1－10.6ghz頻段，脈沖成形技術中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經(jīng)大于2ghz，高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導數(shù)，各階脈沖波形可由高斯一階導數(shù)通過逐次求導得到。隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點數(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。

2.2 調制技術

調制方式是指信號以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是也影響信號的頻譜結構、接收機復雜度，在uwb系統(tǒng)中常用的調制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調制，基于ofdm的正交多載波調制。其中基于超帶寬脈沖的調制常用的有脈位調制和脈副調制。

脈位調制（ppm）是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調制方式，按照采用的離散數(shù)據(jù)符號狀態(tài)數(shù)可以分為二進制ppm（2ppm）和多進制ppm（mppm）。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或m個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應，根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，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函數(shù)的負峰值點，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，接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測，鑒于uwb系統(tǒng)的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2ppm或2oppm。

脈副調制（pam）是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調制方式之一。在uwb系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復雜度和功率有效性，不宜采用多進制pam（mpam）。uwb系統(tǒng)常用的pam有兩種方式：開關鍵控（ook）和二進制相移鍵控（bpsk）。ook可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而bpsk采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。

正交多載波調制（ofdm）是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續(xù)時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響，通常在ofdm符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完成消除符號間干擾，ofdm相對于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息，由于ofdm允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調制方式。

2.3 接收技術

盡管uwb信道的時延擴展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計，因此早期的uwb接收機結構很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關器而已。同時為了降低微器件模擬變換器的（adc）變換速率的要求，相關器是用線性相乘和積分等模擬過程實現(xiàn)的，但是當對傳輸速率的要求達到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴重起來，接收信號幅度上的衰落需要通過rake接收機收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號間干擾（isi）問題也必須在系統(tǒng)設計中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是rake＋均衡，通過rake接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。目前對接收機在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通常基于rake接收機，在具體實現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號最強的l條路徑或是最先到達的l條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實現(xiàn)難度較大，從仿真結果來看，就uwb信道特性而言，選擇4－6條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機中值得關注的一個問題，在高速應用中，快速同步的實現(xiàn)尤為關鍵，如果采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計[2]。

3 uwb無線傳輸系統(tǒng)的基本模型

uwb系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無線信道和接收部分構成，與傳統(tǒng)的無線發(fā)射、接收機結構相比，uwb的發(fā)射、接收機結構相對簡單，易于實現(xiàn)，如傳統(tǒng)藍牙系統(tǒng)是一種低功耗的無線傳輸技術，它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路，發(fā)射機部分包括壓控振蕩器、鎖相環(huán)同步器、參考振蕩器，接收機部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而uwb的發(fā)射、接收機的結構不同，因為脈沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mv的電壓就能滿足發(fā)射要求，因而發(fā)射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號先通過低噪聲放大器，再通過一個匹配濾波器或相關接收機恢復出期望信號[3]，由于uwb信號的發(fā)射未經(jīng)載波調制，uwb的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器等。uwb的發(fā)射、接收機結構比藍牙更簡單，uwb的發(fā)射機可靈活地調整發(fā)射距離，當發(fā)射距離增大時，uwb可以用多個脈沖傳一個信號以增加接收端的信噪比，由于uwb的發(fā)射功率與脈沖重復頻率成正比，因此可以通過軟件對數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設計。

4 uwb在無線多媒體個域網(wǎng)中的應用

uwb無線通信技術的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在100mb/s以上）時，傳輸距離較近，一般在10－20m左右，進行較低速率無線通信和定位時，傳輸距離可更遠，uwb技術采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、成像或定位，與全球定位系統(tǒng)（gps）相比，uwb技術的定位精確度更高，可以達到10－20cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢，uwb進入民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網(wǎng)（wlan）和無線個域網(wǎng)（wpan）上，這樣一種小范圍內進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設備以高速無線進行連接。根據(jù)超帶寬無線傳輸?shù)奶匦?，uwb技術可以應用于無線多媒體家域網(wǎng)、個域網(wǎng)，雷達定位和成像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測量等多個領域。

無線多媒體個域網(wǎng)中，各種數(shù)字多媒體設備根據(jù)需要，在小范圍內組成自組織式的網(wǎng)絡，相互傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的帶寬網(wǎng)關，接入英特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設備，如數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機、mp3播放器、dvd播放器、數(shù)字電視、臺式機、筆記本電腦、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機、各種智能家電、機頂盒等。uwb技術與現(xiàn)有的其他無線通信技術相比，數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。uwb技術可以實現(xiàn)的速率超過1gb/s，與有線的usb2.0接口相當，遠遠高于無線局域網(wǎng)802.11 b的11mb/s，也比下一代無線局域網(wǎng)802.11a/g的54mb/s高出近一個數(shù)量級，uwb通信的功耗較低，能更好地滿足使用電池的移動設備的要求，另外，uwb信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等擴頻多址技術，使非授權者很難接獲傳輸?shù)男畔ⅲ蚨踩苑浅：谩?

表1是一些典型的實時多媒體應用對不同無線傳輸技術的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，從表中可以看出，如果采用無線的方式來進行傳輸，只有uwb技術可以滿足各種應用的要求。

表2為下載一些多媒體信息所需的時間，采用uwb技術，可以在合理的時間內完成下載，隨著多媒體應用的發(fā)展，其類似大小和所需傳輸速率還將不斷提高，因此，在目前的無線通信技術中，只有uwb技術可以滿足構建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。

5 結語

無線通信已經(jīng)迅速滲入到我們的生活之中，不斷增長的容量要求需要一種不對現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，而超帶寬脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這要求，在科研人員的努力下，不久的將來技術將會更加完善、更加有效地服務于人們的生活。