超寬帶無(wú)線通信技術(shù)概述

　　1 引言

　　超寬帶(UWB)的出現(xiàn)與下列名詞相聯(lián)系，即脈沖、無(wú)載波、基帶、時(shí)域、非正弦、正交函數(shù)和大相對(duì)帶寬無(wú)線/雷達(dá)信號(hào)，在此，以UWB來(lái)統(tǒng)一表示。上世紀(jì)60年代已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)UWB的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)UWB在通信和雷達(dá)中也得到了應(yīng)用。此后，UWB技術(shù)不斷得到發(fā)展，到70年代，有關(guān)UWB在通信和雷達(dá)應(yīng)用中的全部體系概念都已經(jīng)建立起來(lái)，但對(duì)UWB這個(gè)名稱的真正引入還是在上世紀(jì)80年代。后來(lái)，到了90年代，因設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了第一個(gè)UWB商用系統(tǒng)，目前所做的工作都是對(duì)這一系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，使得UWB的基本構(gòu)成和具體細(xì)節(jié)及實(shí)現(xiàn)方法等都取得了一定的進(jìn)展，進(jìn)一步促進(jìn)了UWB的實(shí)用化進(jìn)程。

　　用于軍事雷達(dá)和災(zāi)害救援搜索等方面的UWB無(wú)線系統(tǒng)在國(guó)外早已得到實(shí)用，如今，由于UWB無(wú)線通信所具有的獨(dú)特的性能和近年來(lái)微電子技術(shù)及器件水平的不斷提高，UWB在低費(fèi)用的中短距離無(wú)線通信應(yīng)用中越來(lái)越具有吸引力，尤其是滿足日益增長(zhǎng)的有線上網(wǎng)是研究短距離無(wú)線技術(shù)的一大驅(qū)動(dòng)力。UWB技術(shù)是一種低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信技術(shù)。具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，對(duì)信道衰落不

　　敏感，截獲能力(LPI/D)低，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入。目前國(guó)外公司正在進(jìn)一步研究將UWB技術(shù)應(yīng)用于高速無(wú)線通信領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢(shì)和所要解決的問(wèn)題。本文首先介紹UWB中的主要技術(shù)，最后歸納了它的性能特點(diǎn)及其局限性。

　　2 UWB系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　UWB的名稱來(lái)源于可在非常寬的帶寬，即超寬帶的帶寬上傳輸信號(hào)。所謂超寬帶的帶寬，按美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的定義，即是：比中心頻率高25%或者是大于1.5 GHz的帶寬。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)中心頻率在4 GHz的信號(hào)將跨越從3.5 GHz(或更低)至4.5GHz(或更高)的范圍才能稱得上是一個(gè)UWB信號(hào)，如圖1所示。UWB無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：產(chǎn)生脈沖信號(hào)串(發(fā)送源)的方法，脈沖串的調(diào)制方法，適用于UWB有效的天線設(shè)計(jì)方法及接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法等。

　　2.1 UWB脈沖信號(hào)的產(chǎn)生

　　從本質(zhì)上講，產(chǎn)生極短脈沖寬度(ns級(jí))的信號(hào)源是研究UWB技術(shù)基本的前提條件，例如單個(gè)無(wú)載波窄脈沖信號(hào)，有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：一是激勵(lì)信號(hào)的波形為具有陡峭前沿的單個(gè)短脈沖;二是激勵(lì)信號(hào)包括很寬的頻譜，從直流(DC)到微波波段。目前產(chǎn)生脈沖源的方法有兩類：

　　(1)光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號(hào)。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號(hào)可以有很陡的前沿，所以得到的脈沖寬度可達(dá)到ps(10-12)量級(jí)。另外，由于光導(dǎo)開(kāi)關(guān)是采用集成方法制成的，可以獲得很好的一致性，因此是最有發(fā)展前景的一種方法。

　　(2)電子方法，基本原理是對(duì)半導(dǎo)體PN結(jié)反向加電，使其達(dá)到雪崩狀態(tài)，并在導(dǎo)通的瞬間，取陡峭的上升沿作為脈沖信號(hào)。這種方案目前應(yīng)用得最廣泛，缺點(diǎn)是：由于采用電脈沖信號(hào)作為觸發(fā)，其前沿較寬，觸發(fā)精度受到限制，特別是在要求精確控制脈沖發(fā)生時(shí)間的場(chǎng)合，達(dá)不到控制的精度。另外，由于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，當(dāng)然，脈沖寬度還可以達(dá)1 ns以下。典型的UWB脈沖信號(hào)時(shí)域波形和頻域波形如圖2所示。

　　從圖2可見(jiàn)，沖激脈沖通常采用高斯單周期脈沖，寬度在ns級(jí)，具有很寬的頻譜。實(shí)際通信中使用的是一長(zhǎng)串的脈沖，由于時(shí)域中的信號(hào)有重復(fù)周期性，將會(huì)造成頻譜離散化，對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)備和信號(hào)產(chǎn)生干擾，需要通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)整來(lái)降低這種干擾的影響。

　　2.1 信息的調(diào)制

　　脈沖位置調(diào)制(PPM)和脈沖幅度調(diào)制(PAM)是超寬帶無(wú)線電的兩種主要調(diào)制方式。PPM又稱時(shí)間調(diào)制(TM)，是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置超前或落后于某一標(biāo)準(zhǔn)或特定的時(shí)刻來(lái)表示某個(gè)特定信息的，因此對(duì)調(diào)制信號(hào)需要在接收端用匹配濾波的技術(shù)來(lái)正確接收，即對(duì)調(diào)制信息用交叉相關(guān)器在達(dá)到零相差的時(shí)候進(jìn)行檢測(cè)，否則，達(dá)不到正確接收的目的。而PAM是用信息符號(hào)控制脈沖幅度的一種調(diào)制方式。

　　在UWB系統(tǒng)中，采用跳時(shí)脈沖位置調(diào)制(TMPAM)對(duì)長(zhǎng)脈沖序列進(jìn)行調(diào)制時(shí)，每一用戶的下一塊信息將在時(shí)間上隨機(jī)分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的RF信號(hào)功率分布，這使得UWB信號(hào)在頻域中類似于背景噪聲。UWB系統(tǒng)中一種典型的由偽隨機(jī)序列控制的跳時(shí)信號(hào)如圖3所示。

　　發(fā)射機(jī)在由偽隨機(jī)序列確定的時(shí)間幀上發(fā)送一個(gè)單周期脈沖，通常單周期脈沖信號(hào)的100倍為隨機(jī)出現(xiàn)的脈沖持續(xù)時(shí)間，其位置由PN碼來(lái)確定。偽隨機(jī)序列控制的跳時(shí)擴(kuò)頻與一般的擴(kuò)頻波形(直接序列擴(kuò)頻或跳頻擴(kuò)頻)不同，UWB波形的擴(kuò)頻帶寬是直接產(chǎn)生的，即單個(gè)比特未經(jīng)擴(kuò)頻序列由PN碼調(diào)制，本質(zhì)上是時(shí)域的概念。

　　2.3 天線

　　能夠有效輻射時(shí) 域短脈沖的天線是UWB研究的另一個(gè)重要方面。作為UWB天線，應(yīng)該保證能夠達(dá)到這樣的要求：

　　(1)天線的輸入阻抗具有超寬帶特性，即要求天線的輸入阻抗在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號(hào)能量能夠有效地輻射出去和不引起脈沖特性的改變或下降。

　　(2)天線的相位中心具有超寬頻帶不變特性，即要求天線的相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致。

　　對(duì)于時(shí)域短脈沖輻射技術(shù)，國(guó)內(nèi)外早期均采用雙錐天線及其演變的V-錐天線和扇形偶極子天線。因這幾種天線均存在著饋電難，輻射效率低，收發(fā)耦合強(qiáng)和無(wú)法測(cè)量時(shí)域目標(biāo)特性等缺陷，只能用于單收發(fā)。隨著微波集成電路的發(fā)展，利用集成電路方式進(jìn)行饋電，所研制出的超寬帶平面槽天線，能夠產(chǎn)生對(duì)稱波束和利用平衡超寬帶饋電，因而具有超寬帶的特性。又由于利用光刻技術(shù)所做的天線對(duì)較高頻率沒(méi)有限制，因而可以將毫米亞毫米波段應(yīng)用于集成接收機(jī)。

　　2.4 收發(fā)機(jī)

　　與傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相比，UWB收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但可以得到相同的性能。例如傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)信機(jī)大多采用超外差式結(jié)構(gòu)，而UWB收發(fā)信機(jī)采用零差結(jié)構(gòu)就可得到相同的性能，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也十分簡(jiǎn)單， 無(wú)需本振、功放、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、混頻器等環(huán)節(jié)，如圖4所示。

　　這里UWB系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)是，使用了現(xiàn)代數(shù)字無(wú)線技術(shù)常用數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)(軟件無(wú)線電)來(lái)產(chǎn)生不同的調(diào)制方式，因此可以逐步降低信息速率，在更大的范圍內(nèi)連接用戶。在接收端，天線收集的信號(hào)能量經(jīng)過(guò)放大后，通過(guò)匹配濾波或相關(guān)的接收機(jī)進(jìn)行處理，再經(jīng)高增益門限電路恢復(fù)原來(lái)的信息。當(dāng)距離增加時(shí)，可以由發(fā)端用幾個(gè)脈沖發(fā)送同一信息比特的方式，增加接收機(jī)的信噪比，同時(shí)可以通過(guò)軟件的控制，動(dòng)態(tài)地調(diào)整數(shù)據(jù)速率、功耗與距離的關(guān)系，使UWB有極大的靈活性，這種靈活性正是功率受限未來(lái)移動(dòng)計(jì)算所必須的。

　　3 UWB無(wú)線通信的性能特點(diǎn)及局限性

　　3.1 UWB無(wú)線通信的主要優(yōu)點(diǎn)

　　通過(guò)以上分析，可以概括出UWB無(wú)線通信的主要優(yōu)點(diǎn)有以下方面：

　　(1)從工程的角度看，UWB遠(yuǎn)比其它無(wú)線技術(shù)簡(jiǎn)單，UWB可以集成在一塊相對(duì)低廉的芯片中，與蜂窩電話和民用波段設(shè)備的發(fā)射功率相比，UWB僅需要毫瓦級(jí)的發(fā)送功率，是現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)的1/10～1/100。因此使用UWB產(chǎn)品的制造成本和售價(jià)比現(xiàn)有的無(wú)線系統(tǒng)要低得多。

　　(2)一般來(lái)說(shuō)在UWB無(wú)線系統(tǒng)中多徑不是主要的問(wèn)題，其GHz級(jí)的帶寬對(duì)應(yīng)ns級(jí)的解析度，使多徑信號(hào)能在時(shí)間上進(jìn)行分離，再加上采用RAKE接收機(jī)結(jié)合時(shí)間分集，可以充分地利用發(fā)射信號(hào)的能量，因此多徑效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)性能的限制，在某種程度上對(duì)UWB有所減輕。

　　(3)可以有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB可以在5 m～10 m的范圍內(nèi)提供100 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，即使是“802.11”無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(54 Mbit/s)和低能耗的藍(lán)牙技術(shù)(70 Mbit/s)也遠(yuǎn)不能與UWB相比。同時(shí)UWB的空間容量也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)。

　　(4)UWB是一種安全的通信方式，這是因?yàn)槔硐氲臎_激脈沖在頻域上可以將信號(hào)能量從直流(DC)擴(kuò)展到接近光波的頻域，但在實(shí)際中并不能產(chǎn)生一個(gè)寬度為0的脈沖，而對(duì)于UWB來(lái)說(shuō)，一個(gè)極窄的脈沖信號(hào)能量就能在頻域上跨越相當(dāng)大的范圍。發(fā)射信號(hào)在這樣大的頻段范圍內(nèi)平均發(fā)布，被淹沒(méi)在環(huán)境噪聲之中，是很難被檢測(cè)到的。

　　(4)UWB有較高的穿透力，其ns級(jí)的高速脈沖可以穿透墻壁和其它物體，可以起到與雷達(dá)相同的作用。因此，UWB除應(yīng)用于通信領(lǐng)域外，還兼有定位、車輛防撞、測(cè)距、透視等功能，且這些功能均可集于一體。

　　3.2 UWB無(wú)線通信的局限性

　　(1)影響UWB使用的一個(gè)非常實(shí)際的問(wèn)題就是干擾的問(wèn)題。這里有兩個(gè)方面：

　　a. UWB對(duì)其它無(wú)線系統(tǒng)的干擾。直到目前為止，UWB用非常寬的帶寬來(lái)收發(fā)無(wú)線電信號(hào)，而實(shí)際上并不存在如此寬的空閑頻帶，總要有部分頻帶與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)，如航空、軍事、安全、天文等領(lǐng)域的無(wú)線系統(tǒng)使用的頻帶相重疊，甚至?xí)?duì)GPS等其它窄帶無(wú)線通信形成干擾。因此，在目前UWB只能得到有限的應(yīng)用，可以說(shuō)UWB是一種以共享其他無(wú)線通信頻帶為前提的通信技術(shù)，其對(duì)窄帶系統(tǒng)潛在或嚴(yán)重的干擾仍在研究之中。

　　b.UWB受其它無(wú)線系統(tǒng)的干擾。如果UWB信號(hào)低于傳統(tǒng)超外差式接收機(jī)的門限值成立的話，那么傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)發(fā)射的窄帶信號(hào)也會(huì)大于UWB接收機(jī)的門限值，因此在UWB接收機(jī)的頻帶內(nèi)，就極易受到傳統(tǒng)窄帶通信機(jī)的干擾，其匹配濾波器的精度、超寬帶的天線等也都不易得到滿足。

　　(2)其它方面的局限性。

　　a. 由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，要作為相關(guān)檢測(cè)接收脈沖就需要精確的定時(shí)。另外，來(lái)自板載的微控制器產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槿绻莻鹘y(tǒng)的收發(fā)信 機(jī)，只要抑制帶外噪聲就可以了，而對(duì)于UWB來(lái)說(shuō)，是不可行的。

　　b.從本質(zhì)上講，UWB可以用更窄的脈沖(得到高信號(hào)/符號(hào)率)去換取其它兩個(gè)可變的參量，即帶寬(變寬)和信噪比(S/N〈減少〉)。但要使用更大的帶寬卻需要得到批準(zhǔn)，同時(shí)信號(hào)在高帶寬上會(huì)平均降低S/N，導(dǎo)致信號(hào)/符號(hào)率和信道容量(數(shù)據(jù)速率)的下降。如果UWB的目標(biāo)是得到高信道容量或高速數(shù)據(jù)速率，那么可以通過(guò)將平均脈沖頻率提高到2 GHz以上或?qū)l(fā)送信號(hào)的功率提高(如果允許且不造成干擾)的方法來(lái)達(dá)到這一目的，這就會(huì)與常規(guī)的無(wú)線通信系統(tǒng)一樣，即UWB系統(tǒng)也需在帶寬效率、發(fā)送峰值功率、復(fù)雜度、靈活支持多速率和用BER表示的性能之間取得平衡。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　無(wú)線通信已經(jīng)迅速滲透到人們的生活之中，人們對(duì)通信容量不斷增長(zhǎng)的要求，迫切需要一種不對(duì)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無(wú)線通信方案，而超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)正好滿足了人們的這一要求。本文中介紹的這種人們期待的新一代的無(wú)線通信系統(tǒng)會(huì)逐步向民用領(lǐng)域的開(kāi)放，目前國(guó)外已有多家公司開(kāi)發(fā)出了UWB系列產(chǎn)品，100Mbit/s的芯片組也已經(jīng)面市，雖然UWB仍面臨有不少的問(wèn)題，但隨著各國(guó)科研人員的共同努力，在技術(shù)上會(huì)更加完善，且會(huì)更加有效地服務(wù)于人們的生活之中。