超寬帶無線通信技術(shù)及應(yīng)用研究
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1、UWB技術(shù)的定義及其特點
1.1 UWB技術(shù)的定義
2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會修訂了第15標(biāo)準(zhǔn)，第15標(biāo)準(zhǔn)是管理包括UWB設(shè)備在內(nèi)的使用非授權(quán)頻段的無線設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。在美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的指導(dǎo)下，對UWB的使用提供了在短距離（不足10m的范圍）、低發(fā)射功率（平均等方向性輻射能為-41.3 dBm/MHz）、具有極高容量（幾個Gbps）的要求。FCC對UWB信號的定義是UWB帶寬大于500 MHz（UWB帶寬指-10dB帶寬），或分?jǐn)?shù)帶寬（即帶寬與中心頻率的比）大于0.20。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)一般分?jǐn)?shù)帶寬都小于0.01，寬帶碼分多址（WCDMA）系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)帶寬約為0.02，而在UWB系統(tǒng)中其分?jǐn)?shù)帶寬等于0.2或0.25。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權(quán)的頻段 3.1GHz～10.6GHz內(nèi)以極低的功率工作。較低的帶內(nèi)帶外發(fā)射功率限制確保了UWB設(shè)備不會對現(xiàn)存授權(quán)頻段的設(shè)備及其他重要無線設(shè)備產(chǎn)生干擾。
從載波方面看，傳統(tǒng)的通信技術(shù)是把信號從基帶調(diào)制到載波上，而UWB技術(shù)是通過具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖對數(shù)據(jù)進行直接調(diào)制，從而具有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，它開發(fā)了一個具有千兆赫茲容量和最高空間容量的新無線信道。香農(nóng)理論認(rèn)為，信道的容量隨帶寬線性增加，隨信噪比（SNR）的降低呈對數(shù)減小。這種關(guān)系說明，無線通信系統(tǒng)的容量可隨所占帶寬的增加、SNR的降低而增加。這樣，對于 WPAN，在發(fā)射距離較近的情況下，信號的傳播損耗較小，可以通過增加信號帶寬來提高系統(tǒng)的容量。
從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬（信號帶寬與中心頻率之比）小于1%；相對帶寬在1%到25%之間的被稱為寬帶；相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。
從時域上講，超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進行信號調(diào)制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖（幾十ns）直接實現(xiàn)調(diào)制。超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程中所持續(xù)的時間來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。由于UWB發(fā)射功率受限，進而限制了其傳輸距離，資料表明，UWB信號的有效傳輸距離在10m以內(nèi)。故而在民用方面，UWB普遍定位于個人局域網(wǎng)的范疇。
1.2 UWB技術(shù)的特點
1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單
當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器。因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器，同時在接收端UWB接收機也有別于傳統(tǒng)的接收機，不需要中頻處理。因此，UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單。
2）數(shù)據(jù)傳輸速率高
民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍在10m以內(nèi)，根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mbit/s，可見，這是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。
3）功耗低
UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20左右；軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性。
4）安全性高
作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)，UWB技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)而言，UWB信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。UWB安全性還表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。
5）多徑分辨能力強。
由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應(yīng)小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10dB～30dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。
6）定位精確
沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達(dá)厘米級。此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。
7）工程簡單造價便宜
在工程實現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本很低。
2、UWB的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 脈沖信號的產(chǎn)生
從本質(zhì)上講，產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級（10-9s）的信號源是UWB技術(shù)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(chǎn)生脈沖源的方法有：a）光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)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(dá)到皮秒（10-12s）量級，是最有發(fā)展前景的一種方法。b）電子方法，基本原理是利用晶體管PN結(jié)反向加電，在雪崩狀態(tài)的導(dǎo)通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，是目前應(yīng)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(chǎn)生幾十伏到上百伏的脈沖，脈沖的寬度可以達(dá)到1ns以下，實際通信中使用一長串的超短脈沖。
2.2 UWB的調(diào)制及多址方式
2.2.1 調(diào)制方式
由于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(diào)制方式的選擇：一是對于每比特能量調(diào)制需要提供最佳的誤碼性能；二是影響了信號功率譜密度的結(jié)構(gòu)，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(diào)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(diào)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(diào)制技術(shù)有：脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）、通斷鍵控（OOK）、二相調(diào)制（BPM）和跳時／直擴二進制相移鍵控調(diào)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(diào)制技術(shù)。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(fù)極性來調(diào)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(diào)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(zhǔn)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(fù)信息。PAM和PPM還可以通過多個幅度調(diào)制或多個位置調(diào)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(jīng)過這些方式調(diào)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FCC關(guān)于UWB信號頻譜的規(guī)定），而且還會降低功率的利用率。
通過上面五種調(diào)制方式的分析及實踐中的應(yīng)用可知：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(zhì)量或更高的通信容量，BPM是一種較理想的脈沖調(diào)制技術(shù)。
2）多脈沖調(diào)制
在實際使用中，我們常使用多脈沖來提高抗干擾性能。當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時，傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內(nèi)部單個脈沖的調(diào)制；第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調(diào)制；在第二步中，每組脈沖作為整體通常可以采用PAM、PPM或BPM調(diào)制。一般把第一步稱為擴譜，而把第二步稱為信息調(diào)制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時擴譜（TH-SS），即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置；把BPM稱為直接序列擴譜（DS-SS），即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調(diào)節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到以下多脈沖調(diào)制技術(shù)：TH_SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。多脈沖調(diào)制不僅可以通過提高脈沖重復(fù)頻率來降低單個脈沖的幅度或發(fā)射功率，更重要的是，多脈沖調(diào)制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準(zhǔn)正交性實現(xiàn)多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機性實現(xiàn)窄帶干擾抑制。在多脈沖調(diào)制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率，這樣的技術(shù)通常被稱為碼分復(fù)用（CDMA）技術(shù)。2004年的國際信號處理會議上提出了一種特殊的CDMA系統(tǒng) ——無載波的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（CL-UWB/OFDM），這種多脈沖調(diào)制技術(shù)可以有效地抑制多路數(shù)據(jù)之間的干擾和窄帶干擾。
2.2.2 多址方式
在UWB系統(tǒng)中，多址接入方式與調(diào)制方式有密切聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)采用PPM調(diào)制方式時，多址接入方式多采用跳時多址；若系統(tǒng)采用BPSK方式，多址接入方式通常有直序和跳時兩種方式?；谏鲜鰞煞N基本的多址方式，許多其他多址方式陸續(xù)被提出，主要包括以下幾種。
1）偽混沌跳時多址方式（PCTH）
PCTH根據(jù)調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機序列和調(diào)制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時刻，使信號的頻譜發(fā)生變化。PCTH調(diào)制不僅能減少對現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的影響，而且更不易被檢測到。
2）DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳時（TH）的基礎(chǔ)之上，通過直接序列擴頻碼進一步減少多址干擾，其多址性能優(yōu)于TH-PPM，與DS-BPSK相當(dāng)，但在實現(xiàn)同步和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面，具有一定的優(yōu)勢。
3）DS-BPSK/Fixed TH混合多址方式
此方式的特點是打破TH-PPM多址方式中采用隨機跳時碼的常規(guī)思路，利用具有特殊結(jié)構(gòu)的固定跳時碼，減少不同用戶脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時，利用直接序列擴頻的偽隨機碼的特性，也可以進一步削弱多址干擾。
此外，由于UWB脈沖信號具有極低的占空比，其頻譜能夠達(dá)到GHz的數(shù)量級，因而UWB在時域中具有其他調(diào)制方式所不具有的特性。當(dāng)多個用戶的UWB信號被設(shè)計成具有不同的正交波形時，根據(jù)多個UWB用戶時域發(fā)送波形的正交性來區(qū)分用戶，實現(xiàn)多址，這被稱之為波分多址技術(shù)。
3、UWB技術(shù)的應(yīng)用
由于UWB通信利用了一個相當(dāng)寬的帶寬，就好像使用了整個頻譜，并且它能夠與其他的應(yīng)用共存，因此UWB可以應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如：個域網(wǎng)、智能交通系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)、射頻標(biāo)識、成像應(yīng)用。
3.1 UWB在個域網(wǎng)中的應(yīng)用
UWB可以在限定的范圍內(nèi)（比如4m）以很高的數(shù)據(jù)速率（比如480Mb/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍(lán)牙好很多。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率是 1Mb/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無線外設(shè)訪問來傳輸照片、文件、視頻。因此UWB特別適合于個域網(wǎng)。通過UWB，可以在家里和辦公室里方便地以無線的方式將視頻攝像機中的內(nèi)容下載到PC中進行編輯，然后送到TV中瀏覽，輕松地以無線的方式實現(xiàn)掌上電腦（PDA）、手機與PC數(shù)據(jù)同步、裝載游戲和音頻/視頻文件到PDA、音頻文件在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。
3.2 UWB在智能交通信息中的應(yīng)用
利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達(dá)。裝載了這種雷達(dá)的汽車會非常容易駕駛。當(dāng)汽車的前方、后方、旁邊有障礙物時，該雷達(dá)會提醒司機。在停車的時候，這種基于UWB的雷達(dá)是司機強有力的助手。利用UWB可還以建立智能交通管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)應(yīng)該由若干個站臺裝置和一些車載裝置組成無線通信網(wǎng)，兩種裝置之間通過UWB進行通信完成各種功能。例如，實現(xiàn)不停車的自動收費、汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取、站臺方對移動汽車的定位搜索和速度測量等。
3.3 傳感器聯(lián)網(wǎng)
利用UWB低成本、低功耗的特點，可以將UWB用于無線傳感網(wǎng)。在大多數(shù)的應(yīng)用中，傳感器被用在特定的局域場所。傳感器通過無線的方式而不是有線的方式傳輸數(shù)據(jù)將特別方便。作為無線傳感網(wǎng)的通信技術(shù)，它必須是低成本的；同時它應(yīng)該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)的最合適候選者。
3.4 成像應(yīng)用
由于UWB具有好的穿透墻、樓層的能力，UWB可以應(yīng)用于成像系統(tǒng)。利用UWB技術(shù)，可以制造穿墻雷達(dá)、穿地雷達(dá)。穿墻雷達(dá)可以用在戰(zhàn)場上和警察的防暴行動中，定位墻后和角落的敵人；地面穿透雷達(dá)可以用來探測礦產(chǎn)，在地震或其他災(zāi)難后搜尋幸存者。基于UWB的成像系統(tǒng)也可以用于避免使用x射線的醫(yī)學(xué)系統(tǒng)。
由于UWB有著很多優(yōu)點，它還可以用于智能標(biāo)識、有線網(wǎng)絡(luò)的無線延伸以及在軍事方面用來實現(xiàn)超保密的通信系統(tǒng)。
4、結(jié)束語
UWB作為一種新的無線通信技術(shù)，由于調(diào)制方式和多址技術(shù)的特點使得它具有其它無線通信技術(shù)所無法具有的很寬的帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸、功耗低、安全性高等優(yōu)點，超寬帶無線通信系統(tǒng)還可與其他系統(tǒng)共存，因此UWB可以應(yīng)用在很多的領(lǐng)域，在無線通信領(lǐng)域UWB也是一個非常有前景的技術(shù)。
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