超寬帶無線通信技術(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、無載波、基帶、時域、非正弦、正交函數(shù)和大相對帶寬無線/雷達(dá)信號，在此，以UWB來統(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)計技術(shù)，同時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，但對UWB這個名稱的真正引入還是在上世紀(jì)80年代。后來，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UWB商用系統(tǒng)，目前所做的工作都是對這一系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，使得UWB的基本構(gòu)成和具體細(xì)節(jié)及實現(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無線系統(tǒng)在國外早已得到實用，如今，由于UWB無線通信所具有的獨特的性能和近年來微電子技術(shù)及器件水平的不斷提高，UWB在低費(fèi)用的中短距離無線通信應(yīng)用中越來越具有吸引力，尤其是滿足日益增長的有線上網(wǎng)是研究短距離無線技術(shù)的一大驅(qū)動力。UWB技術(shù)是一種低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術(shù)。具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號功率譜密度低，對信道衰落不

　　敏感，截獲能力(LPI/D)低，定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入。目前國外公司正在進(jìn)一步研究將UWB技術(shù)應(yīng)用于高速無線通信領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢和所要解決的問題。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及其局限性。

　　2 UWB系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　UWB的名稱來源于可在非常寬的帶寬，即超寬帶的帶寬上傳輸信號。所謂超寬帶的帶寬，按美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的定義，即是：比中心頻率高25%或者是大于1.5 GHz的帶寬。舉個例子來說，對于一個中心頻率在4 GHz的信號將跨越從3.5 GHz(或更低)至4.5GHz(或更高)的范圍才能稱得上是一個UWB信號，如圖1所示。UWB無線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：產(chǎn)生脈沖信號串(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)計方法及接收機(jī)的設(shè)計方法等。

　　2.1 UWB脈沖信號的產(chǎn)生

　　從本質(zhì)上講，產(chǎn)生極短脈沖寬度(ns級)的信號源是研究UWB技術(shù)基本的前提條件，例如單個無載波窄脈沖信號，有兩個突出的特點：一是激勵信號的波形為具有陡峭前沿的單個短脈沖;二是激勵信號包括很寬的頻譜，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)開關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿，所以得到的脈沖寬度可達(dá)到ps(10-12)量級。另外，由于光導(dǎo)開關(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。這種方案目前應(yīng)用得最廣泛，缺點是：由于采用電脈沖信號作為觸發(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)生時間的場合，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脈沖信號時域波形和頻域波形如圖2所示。

　　從圖2可見，沖激脈沖通常采用高斯單周期脈沖，寬度在ns級，具有很寬的頻譜。實際通信中使用的是一長串的脈沖，由于時域中的信號有重復(fù)周期性，將會造成頻譜離散化，對傳統(tǒng)無線電設(shè)備和信號產(chǎn)生干擾，需要通過適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)整來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)是超寬帶無線電的兩種主要調(diào)制方式。PPM又稱時間調(diào)制(TM)，是用每個脈沖出現(xiàn)的位置超前或落后于某一標(biāo)準(zhǔn)或特定的時刻來表示某個特定信息的，因此對調(diào)制信號需要在接收端用匹配濾波的技術(shù)來正確接收，即對調(diào)制信息用交叉相關(guān)器在達(dá)到零相差的時候進(jìn)行檢測，否則，達(dá)不到正確接收的目的。而PAM是用信息符號控制脈沖幅度的一種調(diào)制方式。

　　在UWB系統(tǒng)中，采用跳時脈沖位置調(diào)制(TMPAM)對長脈沖序列進(jìn)行調(diào)制時，每一用戶的下一塊信息將在時間上隨機(jī)分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的RF信號功率分布，這使得UWB信號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)序列控制的跳時信號如圖3所示。

　　發(fā)射機(jī)在由偽隨機(jī)序列確定的時間幀上發(fā)送一個單周期脈沖，通常單周期脈沖信號的100倍為隨機(jī)出現(xiàn)的脈沖持續(xù)時間，其位置由PN碼來確定。偽隨機(jī)序列控制的跳時擴(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，即單個比特未經(jīng)擴(kuò)頻序列由PN碼調(diào)制，本質(zhì)上是時域的概念。

　　2.3 天線

　　能夠有效輻射時 域短脈沖的天線是UWB研究的另一個重要方面。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。

　　對于時域短脈沖輻射技術(shù)，國內(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)和無法測量時域目標(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)所做的天線對較高頻率沒有限制，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)相對簡單，但可以得到相同的性能。例如傳統(tǒng)的無線收發(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，實現(xiàn)起來也十分簡單， 無需本振、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)點是，使用了現(xiàn)代數(shù)字無線技術(shù)常用數(shù)字信號處理芯片(DSP)(軟件無線電)來產(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，天線收集的信號能量經(jīng)過放大后，通過匹配濾波或相關(guān)的接收機(jī)進(jìn)行處理，再經(jīng)高增益門限電路恢復(fù)原來的信息。當(dāng)距離增加時，可以由發(fā)端用幾個脈沖發(fā)送同一信息比特的方式，增加接收機(jī)的信噪比，同時可以通過軟件的控制，動態(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移動計算所必須的。

　　3 UWB無線通信的性能特點及局限性

　　3.1 UWB無線通信的主要優(yōu)點

　　通過以上分析，可以概括出UWB無線通信的主要優(yōu)點有以下方面：

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

　　(2)一般來說在UWB無線系統(tǒng)中多徑不是主要的問題，其GHz級的帶寬對應(yīng)ns級的解析度，使多徑信號能在時間上進(jìn)行分離，再加上采用RAKE接收機(jī)結(jié)合時間分集，可以充分地利用發(fā)射信號的能量，因此多徑效應(yīng)對現(xiàn)有窄帶系統(tǒng)性能的限制，在某種程度上對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UWB的空間容量也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無線技術(shù)。

　　(4)UWB是一種安全的通信方式，這是因為理想的沖激脈沖在頻域上可以將信號能量從直流(DC)擴(kuò)展到接近光波的頻域，但在實際中并不能產(chǎn)生一個寬度為0的脈沖，而對于UWB來說，一個極窄的脈沖信號能量就能在頻域上跨越相當(dāng)大的范圍。發(fā)射信號在這樣大的頻段范圍內(nèi)平均發(fā)布，被淹沒在環(huán)境噪聲之中，是很難被檢測到的。

　　(4)UWB有較高的穿透力，其ns級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、測距、透視等功能，且這些功能均可集于一體。

　　3.2 UWB無線通信的局限性

　　(1)影響UWB使用的一個非常實際的問題就是干擾的問題。這里有兩個方面：

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

　　b.UWB受其它無線系統(tǒng)的干擾。如果UWB信號低于傳統(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)射的窄帶信號也會大于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)時間短，要作為相關(guān)檢測接收脈沖就需要精確的定時。另外，來自板載的微控制器產(chǎn)生的噪聲也是一個嚴(yán)重的問題，因為如果是傳統(tǒng)的收發(fā)信 機(jī)，只要抑制帶外噪聲就可以了，而對于UWB來說，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/符號率)去換取其它兩個可變的參量，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)，同時信號在高帶寬上會平均降低S/N，導(dǎo)致信號/符號率和信道容量(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，那么可以通過將平均脈沖頻率提高到2 GHz以上或?qū)l(fā)送信號的功率提高(如果允許且不造成干擾)的方法來達(dá)到這一目的，這就會與常規(guī)的無線通信系統(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

　　無線通信已經(jīng)迅速滲透到人們的生活之中，人們對通信容量不斷增長的要求，迫切需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，而超寬帶無線通信系統(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線通信系統(tǒng)會逐步向民用領(lǐng)域的開放，目前國外已有多家公司開發(fā)出了UWB系列產(chǎn)品，100Mbit/s的芯片組也已經(jīng)面市，雖然UWB仍面臨有不少的問題，但隨著各國科研人員的共同努力，在技術(shù)上會更加完善，且會更加有效地服務(wù)于人們的生活之中。