UWB短距離無線通信方式的介紹

UWB(Ultra WideBand)是一種短距離的無線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1 GHz以上帶寬，通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。FCC規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1 GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個(gè)是傳輸帶寬，另一個(gè)是采用不采用載波方式。

從傳輸帶寬看，按照美國聯(lián)邦通信委員會FCC的定義：信號帶寬大于1.5G或者信號帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個(gè)脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數(shù)Hz～數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當(dāng)于噪聲，對傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點(diǎn)顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

　　一、UWB的實(shí)現(xiàn)

UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比較簡單，UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10 m以內(nèi)，其傳輸速率可達(dá)到5 00 Mbit/s以上。UWB系統(tǒng)使用間隙的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shí)，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)移動電話功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備功率的1/20左右。安全性方面，作為通信系統(tǒng)的物理層技術(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)，UWB信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且在大多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中難以檢測出脈沖信號。UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個(gè)芯片上，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，大大降低了設(shè)備的成本。UWB還具有多徑分辨能力強(qiáng)、定位精確等特點(diǎn)。圖1，示出超寬帶無線通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[4]。

　　圖1　超寬帶無線通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　二、UWB脈沖調(diào)制技術(shù)介紹

　　目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據(jù)頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經(jīng)典的超寬帶系統(tǒng)采用基帶脈沖波形。包含從低頻到 GHz頻率的連續(xù)帶寬。常見的如矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，只適用于學(xué)術(shù)研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達(dá)到幾GHz。設(shè)H、L和C分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率，B為相對帶寬，MB為絕對帶寬，則在B為-10dB點(diǎn)處應(yīng)有[1]：

(1)

　　或MB>500 MHz在信號調(diào)制時(shí)，可以采用單個(gè)脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調(diào)制;也可以用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制[1]。在實(shí)際中，為了降低單個(gè)脈沖的幅度，提高系統(tǒng)的抗干擾性，超寬帶脈沖無線通信系統(tǒng)往往用多脈沖調(diào)制。在多脈沖調(diào)制中，傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱為一組脈沖。因此，多脈沖調(diào)制的過程可以分成兩步：第一步是進(jìn)行每組脈沖內(nèi)對單個(gè)脈沖的調(diào)制。通常采用脈沖相位調(diào)制(PPM)或二相調(diào)制(BPM)。PPM稱為跳時(shí)擴(kuò)譜(Spread Spectrum)(THSS)，每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置。BPM稱為直接序列(Direct Sequence)擴(kuò)譜(Spread　Spectrum)(DSSS)，其每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性[1]。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制，通常采用脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖相位調(diào)制(PPM)或二相調(diào)制(BPM)。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。將第一步和第二步組合起來可形成多種調(diào)制技術(shù)：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。綜合考慮可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的組合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的區(qū)別是采用匹配濾波器的單用戶檢測情況下，TH/DS.BPM的性能要優(yōu)于TH SS PPM。而對TH BPM和DS-BPM而言，在速率低時(shí)，由于THSS對遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DSSS那么高，所 以，此時(shí)應(yīng)選擇TH.BPM;而在速率高時(shí)則優(yōu)先考慮 DS.BPM。在采用最小均方誤差準(zhǔn)～I(xiàn)J(MMSE)檢測方式的多用戶接收機(jī)應(yīng)用情況時(shí)，兩者差別不大;但在速率比較高時(shí)，TH/DS.BPM的性能則比TH.PPM系統(tǒng)好。而利用不同SS序列之間的正交性，通過同時(shí)傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率的碼分復(fù)用(Code Divison Multiplexing，CDM)技術(shù)也被用于UWB。

　　三、UWB的技術(shù)優(yōu)勢及不足

　　1.技術(shù)優(yōu)勢

　　(1)傳輸速率高理論上，一個(gè)寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit/s -500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級。如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位，那么，理論上UWB可達(dá)1 Gbit/s的速率，這樣在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

　　(2)發(fā)射功率低，功耗小因?yàn)椴皇褂幂d波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時(shí)提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw (這也是FCC為了避免對其它設(shè)備造成干擾而對UWB做出的技術(shù)指標(biāo)要求)。雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，這項(xiàng)指標(biāo)隨之會降下來。

　　(3)UWB通信的保密性強(qiáng) UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

　　(4)UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落 多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動環(huán)境下使用。

　　更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本?？梢哉f，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式[4]。