TM-UWB技術(shù)及其在無線通信中的應(yīng)用

UWB 通信系統(tǒng)有許多優(yōu)異的性能特點,即信號的功率譜密度極低,UWB 系統(tǒng)發(fā)射的功耗比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)所需功耗要低得多,可以用平均不足1mW的功率覆蓋數(shù)英里范圍內(nèi),甚至用低增益天線時也能正常工作。特別可貴的是對其它無線系統(tǒng)具有低干擾特性和自身具有的強抗多徑干擾能力;實現(xiàn)起來比建造普通的擴頻系統(tǒng)簡單,成本低。正是由于上述特點,使得UWB 通信技術(shù)在個人通信、樓內(nèi)通信、高速局域網(wǎng)、無繩電話、保安系統(tǒng)、近距離高精度定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 技術(shù)及其特性

TM-UWB 信號

在一般通信系統(tǒng)中, “寬帶信號”是指具有大的調(diào)制帶寬和高的數(shù)據(jù)傳輸率信號。而超寬帶信號是指發(fā)射信號的分數(shù)帶寬(Fractional Bandwidths , FBW) (指信號帶寬B 與中心頻率f c 之比,即B/ f c) 大于0. 25 或25 %,它通常是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調(diào)制,從而獲得具有千兆赫茲(GHz) 量級帶寬的調(diào)制信號,因而又稱為“基帶信號”或“無載波信號”。它的帶寬很寬,頻譜常從直流延伸到GHz 量級。該信號具有高分辨率、高處理增益、低竊獲、信息含量大和能探測隱蔽目標等優(yōu)點,因而得到廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 通信系統(tǒng)是一種嶄新的通信系統(tǒng),它能在傳輸媒介中以低功率、類似噪聲的信號傳輸數(shù)據(jù)、話音甚至圖像。由于采用TM-UWB 技術(shù)發(fā)射的無線信號跨越很寬的無線頻譜,而功率譜密度又很低,與背景“噪聲”差不多,因而不會對工作于同一頻段的其它無線設(shè)備造成干擾。

傳輸波形的選取

一般而言,應(yīng)用TM-UWB 技術(shù)的通信系統(tǒng)發(fā)射的不是正弦波信號,而是脈沖間隔嚴格受控的高斯單周超短時脈沖,一般工作脈寬為0. 2～1. 5ns ,重復(fù)周期為25～1 000ns。超短時單周脈沖決定了信號的帶寬很寬,這種系統(tǒng)常采用時間(脈沖位置) 調(diào)制來攜帶信息和進行信道編碼。TM-UWB 通信系統(tǒng)接收機直接將收到的射頻信號轉(zhuǎn)換成基帶數(shù)字或模擬輸出信號,只用一級前端交叉相關(guān)器即可把電磁脈沖序列轉(zhuǎn)換為基帶信號,不用傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級,大大地降低了通信系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性。一個比特信息通常被擴展到多個單周超短時脈沖,接收機相關(guān)地綜合適當?shù)拿}沖數(shù)目來恢復(fù)被發(fā)送的信息。

高斯單周超短時脈沖　

在TM-UWB 射頻技術(shù)中最基本和最重要的任務(wù)就是首先要獲得實際應(yīng)用中可實現(xiàn)的高斯單周脈沖。圖1 顯示了一個典型高斯單周超短時脈沖(中心頻率為2GHz)的時域波形和頻域特性曲線。

高斯單周脈沖的時域和頻域數(shù)學模型可分別表示為

式中,A 為脈沖峰值幅度,τ是一個時間延遲長度,此處等于脈沖持續(xù)時間, t 為時間, f 為頻率,由此可推出中心頻率f 0 = 1/τ,半功率帶寬Wb = f 0 116 %這樣可得到脈沖寬度為0. 5ns 的高斯單周脈沖,其中心頻率為2GHz ,半功率帶寬約為2GHz。

單周脈沖序列　

TM-UWB 系統(tǒng)在實際通信中使用的是單周脈沖的長序列,而不是單個單周脈沖。數(shù)據(jù)調(diào)制和信道編碼等都是通過改變脈沖序列的時間間隔來實現(xiàn)的。圖2 顯示了單周脈沖串的時域和頻域特性。由于時域信號規(guī)則的重復(fù)周期性引起頻譜的離散化,從而出現(xiàn)了強烈的能量尖峰,這些尖峰將會對傳統(tǒng)的無線通信設(shè)備和信號造成干擾,這是不期望出現(xiàn)的。

由于十分規(guī)則的時域脈沖序列將不會攜帶任何有用的信息,同時改變時域脈沖序列的規(guī)則周期性還可降低頻譜中出現(xiàn)的能量尖峰,因此在信息調(diào)制和信道編碼中常常采用時間調(diào)制(TM)技術(shù)或稱為脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation ,PPM)技術(shù)。

TM-UWB 信號處理

信息調(diào)制　

為了傳輸信息,在TM-UWB 通信系統(tǒng)中,常采用脈沖位置調(diào)制PPM技術(shù)(每個脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標準時刻一個特定的時間來表示一個特定的信息,即超前表示信息“0”,落后表示信息“1”) 來調(diào)制單周脈沖序列串,這將有利于最優(yōu)匹配技術(shù)的使用。TM-UWB 通信系統(tǒng)接收機使用交叉相關(guān)器(Correlator)便很容易將淹沒在噪聲中的信號檢測出來。圖 3顯示了PPM示意圖。

調(diào)制前的原始平均周期是PRIavg ,它和調(diào)制量的數(shù)值都很小(如100ns 和100ps) ,這樣調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收。可以看出,調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度,但由于調(diào)制的時間偏移量不夠大也不夠雜亂,因此頻譜仍不夠十分平滑。

信道編碼　

對一個相對長時間幀內(nèi)的脈沖序列串用偽隨機噪聲碼(即PN 序列碼) 按脈沖位置進行編碼調(diào)制可實現(xiàn)信道編碼。在信道編碼中采用PN 序列碼可以給TM-UWB 通信系統(tǒng)帶來許多優(yōu)越特性,諸如可解決TM-UWB 通信系統(tǒng)中的多用戶共享信道、可具有較強的保密性和抗干擾性等問題。此外在時域中使脈沖串具有隨機變化的時間偏移量還可以進一步平滑信號的頻譜。

圖4 顯示了偽隨機時間間隔調(diào)制編碼后的脈沖序列的時域波形和頻域特性。信號頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜,功率小了許多,這都是偽隨機編碼產(chǎn)生的效果。適當?shù)剡x擇PN 序列碼組,保證組內(nèi)各個碼字相互正交或接近正交,則可實現(xiàn)碼分多址(CDMA) 。對時域脈沖串的時間偏移量有時大到幾個ns ,但實際中占空比仍控制在小于1 %的情況下,每秒重復(fù)1～40Mpps ( 每秒脈沖個數(shù)) 。

在無線通信中的應(yīng)用

TM-UWB 技術(shù)是一種使用1GHz 以上帶寬的最先進的無線通信技術(shù),它能實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸,最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達到幾十Mbps～幾百Mbps。現(xiàn)有的通信系統(tǒng),一般情況下耗電量要達到幾百mW～幾W,而TM-UWB 系統(tǒng)則可以大幅度減至現(xiàn)有系統(tǒng)的1/ 100～1/ 1 000 ,即耗電量僅有幾十μW。

TM-UWB 技術(shù)也是一種可以將微弱無線電脈沖信號分散在寬闊頻帶中進行傳送的無線通信技術(shù), 與Bluetooth、IEEE802. 11b、IEEE802. 11a 等現(xiàn)有的無線通信技術(shù)相比,受干擾的影響很小,因此可獲得與室內(nèi)有線通信一樣的優(yōu)異性能。這種性能非常適用于攝像機、筆記本電腦、DVD 單放機以及數(shù)碼相機等家用產(chǎn)品之間的短距離無線通信。TM-UWB 極有可能作為家電設(shè)備和便攜式終端的無線通信技術(shù)而得到廣泛利用。作為室內(nèi)通信用途,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC) 已經(jīng)將3. 1GHz～10. 6GHz頻帶向UWB 通信開發(fā)。IEEE802 委員會也將UWB 作為PAN(Personal Area Network) 基礎(chǔ)技術(shù)的候選對象來進行研究和探討。

TM-UWB 收發(fā)信機特點

圖5 顯示了一個TM-UWB 無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機的結(jié)構(gòu)框圖。與傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機結(jié)構(gòu)相比,TM-UWB 無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機的結(jié)構(gòu)相對簡單,發(fā)射機和接收機都沒有本振、功放、PLL(鎖相環(huán)) 、VCO(壓控振蕩器) 、混頻器等。

相應(yīng)地,能在TM-UWB 無線通信系統(tǒng)中使用的合適技術(shù)是相關(guān)接收,關(guān)鍵部件被稱為相關(guān)器(correlator) 。相關(guān)器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號,再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時間內(nèi),處理過程一般在不到1ns 的時間內(nèi)完成。模板波形匹配時,相關(guān)器的輸出量度了接收到的單周脈沖和模板波形的相對時間位置差,因此可以說相關(guān)器實質(zhì)上是改進了的延遲探測器。

TM-UWB 系統(tǒng)性能分析

在TM-UWB 信號占用的頻帶范圍內(nèi),所有其他的信號對TM-UWB 系統(tǒng)來說都是干擾信號,然而對工作在無線環(huán)境中,擁有相同頻帶空間的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng),和TM-UWB 無線通信系統(tǒng)可以做到互不干擾,這主要依靠TM-UWB 系統(tǒng)綜合運用偽隨機編碼、隨機時間調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)等。

常用處理增益來衡量TM-UWB 無線通信系統(tǒng)接收機的抗噪聲能力,通常近似定義為信號的RF 帶寬與信號的信息帶寬之比(再化成分貝) 。TM-UWB 無線通信系統(tǒng)一般具有較大的處理增益。一個具有8kHz 信息帶寬、1. 25MHz 信道帶寬的CDMA 擴頻通信系統(tǒng)其處理增益為156 (即22dB) ,而一個TM-UWB 通信系統(tǒng)用2GHz 信道帶寬來傳輸相同的8kHz 帶寬的信息,其得到的處理增益為250 000(54dB) 。

存在于蜂窩無線移動通信中的瑞利衰落或多徑衰落是一種“連續(xù)波”現(xiàn)象,因而當連續(xù)時間正弦波信號在室內(nèi)傳播時多徑干擾現(xiàn)象就不可避免。由于受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑現(xiàn)象的干擾,使傳統(tǒng)連續(xù)波無線電信號的傳輸特性變得較差,只有通過提高發(fā)射功率或采用更好的信號處理技術(shù)來減小多徑干擾的影響。而TM-UWB 通信技術(shù)本身就特別適合室內(nèi)使用,由于采用Rake 接收機技術(shù)因而具有抗多徑衰落的固有魯棒性。

結(jié)束語

TM-UWB 技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?它深刻地沖擊著傳統(tǒng)的定頻通信概念。即使是現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的擴頻通信仍然需要占據(jù)一定的固定帶寬,這是 因為在擴頻之前信息要調(diào)制到一個固定的載頻上,而不是像TM-UWB 技術(shù)用持續(xù)時間為ns 級的單周脈沖。在國FCC于2002 年2 月4 日正式通過認可UWB 技術(shù)可應(yīng)用于民用通信環(huán)境的最終規(guī)定后,有相當?shù)臋C構(gòu)正在致力于UWB 技術(shù)用于短距離無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的研究。