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          超寬帶及其在無線個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用

          ——
          作者:周育輝,梅振東 時(shí)間:2007-01-26 來源:《現(xiàn)代電子技術(shù)》 收藏


          1 引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/21316.htm

          隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的不斷發(fā)展,無線傳輸技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,而超帶寬(uwb)技術(shù)作為一種新型短距離高速無線通信技術(shù)正占據(jù)主導(dǎo)地位,超帶寬技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù),是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5ghz的無線發(fā)射方案,超帶寬技術(shù)在2002年以前主要應(yīng)用于雷達(dá)和遙感等軍事領(lǐng)域,uwb技術(shù)不需載波,能直接調(diào)制脈沖信號(hào),產(chǎn)生帶寬高達(dá)幾兆赫茲的窄脈沖波形,其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬,uwb信號(hào)的寬頻帶、低功率譜密度的特性,決定了uwb無線傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì):易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)(如全球定位系統(tǒng)(gps)、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等)公用頻段,大大提高了頻譜利用率。易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信;對(duì)多徑衰落具有魯棒性,目前,uwb技術(shù)在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用正在不斷發(fā)展。

          2 uwb的關(guān)鍵技術(shù)

          2.1 脈沖成形技術(shù)

          任何數(shù)字通信系統(tǒng),都要利用與信道匹配良好的信號(hào)攜帶信息,對(duì)于線性調(diào)制系統(tǒng),已調(diào)制信號(hào)可以統(tǒng)一表示為[1]:

          s(t)=σin g(t-t)

          其中,in為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號(hào)序列;t為數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間;g(t)為時(shí)域成形波形,通信系統(tǒng)的工作頻段,信號(hào)帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于g(t)的設(shè)計(jì)。

          對(duì)于uwb通信系統(tǒng),成形信號(hào)g(t)的帶寬必須大于500mhz,且信號(hào)能量集中于3.1-10.6ghz頻段,脈沖成形技術(shù)中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖,他的帶帶寬已經(jīng)大于2ghz,高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù),各階脈沖波形可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。隨著脈沖信號(hào)階數(shù)的增加,過零點(diǎn)數(shù)逐漸增加,信號(hào)中心頻率向高頻移動(dòng),但信號(hào)的帶寬無明顯變化,相對(duì)帶寬逐漸下降,早期uwb系統(tǒng)采用1階、2階脈沖、信號(hào)頻率成分從直流延續(xù)到2ghz,按照fcc對(duì)uwb的新定義,必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。

          2.2 調(diào)制技術(shù)

          調(diào)制方式是指信號(hào)以何種方式承載信息,他不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性,是也影響信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機(jī)復(fù)雜度,在uwb系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式可以分為兩大類:基于超寬帶脈沖的調(diào)制,基于ofdm的正交多載波調(diào)制。其中基于超帶寬脈沖的調(diào)制常用的有脈位調(diào)制和脈副調(diào)制。

          脈位調(diào)制(ppm)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式,按照采用的離散數(shù)據(jù)符號(hào)狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制ppm(2ppm)和多進(jìn)制ppm(mppm)。在這種調(diào)制方式中,一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或m個(gè),脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng),根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系,又可分為部分重疊的ppm和正交ppm(oppm)。在部分重疊的ppm中,為保證系統(tǒng)傳輸可靠性,通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點(diǎn),從而使相鄰符號(hào)的歐氏距離最大化,在oppm中,通常以脈沖寬度為間隔確定脈位,接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測(cè),鑒于uwb系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制,實(shí)際應(yīng)用中,常用的調(diào)制方式為2ppm或2oppm。

          脈副調(diào)制(pam)是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在uwb系統(tǒng)中,考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性,不宜采用多進(jìn)制pam(mpam)。uwb系統(tǒng)常用的pam有兩種方式:開關(guān)鍵控(ook)和二進(jìn)制相移鍵控(bpsk)。ook可以采用非相干檢測(cè)降低接收機(jī)復(fù)雜度,而bpsk采用相干檢測(cè)可以更好地保證傳輸可靠性。

          正交多載波調(diào)制(ofdm)是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式,其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸,從而使子載波上的符號(hào)速率大幅度降低,符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng),因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力,減小了符號(hào)間干擾的影響,通常在ofdm符號(hào)前加入保護(hù)間隔,只要保護(hù)間隔大于信道的時(shí)延擴(kuò)展則可以完成消除符號(hào)間干擾,ofdm相對(duì)于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊,只要滿足子載波間相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息,由于ofdm允許子載波頻譜混迭起,其頻譜效率大大提高,因而是一種高效的調(diào)制方式。

          2.3 接收技術(shù)

          盡管uwb信道的時(shí)延擴(kuò)展很大,但是在信號(hào)占空比很低的情況下,前后兩個(gè)接收波形之間的干擾可以忽略不計(jì),因此早期的uwb接收機(jī)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,只是一個(gè)等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時(shí)為了降低微器件模擬變換器的(adc)變換速率的要求,相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過程實(shí)現(xiàn)的,但是當(dāng)對(duì)傳輸速率的要求達(dá)到了上百兆比特每秒后,不理想的信道特性對(duì)接收信號(hào)的影響變得嚴(yán)重起來,接收信號(hào)幅度上的衰落需要通過rake接收機(jī)收集足夠非常的多徑分量來克服,另一方面,信號(hào)的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象,如何解決符號(hào)間干擾(isi)問題也必須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮,一種比較理想的解決方案影響是rake+均衡,通過rake接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落,同時(shí)利用均衡來消除符號(hào)間干擾。目前對(duì)接收機(jī)在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通?;趓ake接收機(jī),在具體實(shí)現(xiàn)上,有幾種路徑選取方法可以用,例如選擇信號(hào)最強(qiáng)的l條路徑或是最先到達(dá)的l條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并,前者的性能更好,只是實(shí)現(xiàn)難度較大,從仿真結(jié)果來看,就uwb信道特性而言,選擇4-6條路徑進(jìn)行合并已可獲得接近最佳的性能,同步也是接收機(jī)中值得關(guān)注的一個(gè)問題,在高速應(yīng)用中,快速同步的實(shí)現(xiàn)尤為關(guān)鍵,如果采用最大比合并方式,接收機(jī)還需要進(jìn)行信道估計(jì)[2]。

          3 uwb無線傳輸系統(tǒng)的基本模型

          uwb系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無線信道和接收部分構(gòu)成,與傳統(tǒng)的無線發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相比,uwb的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),如傳統(tǒng)藍(lán)牙系統(tǒng)是一種低功耗的無線傳輸技術(shù),它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路,發(fā)射機(jī)部分包括壓控振蕩器、鎖相環(huán)同步器、參考振蕩器,接收機(jī)部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等;而uwb的發(fā)射、接收機(jī)的結(jié)構(gòu)不同,因?yàn)槊}沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mv的電壓就能滿足發(fā)射要求,因而發(fā)射端不需要功率放大器,在接收端,天線收集的信號(hào)先通過低噪聲放大器,再通過一個(gè)匹配濾波器或相關(guān)接收機(jī)恢復(fù)出期望信號(hào)[3],由于uwb信號(hào)的發(fā)射未經(jīng)載波調(diào)制,uwb的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器等。uwb的發(fā)射、接收機(jī)結(jié)構(gòu)比藍(lán)牙更簡(jiǎn)單,uwb的發(fā)射機(jī)可靈活地調(diào)整發(fā)射距離,當(dāng)發(fā)射距離增大時(shí),uwb可以用多個(gè)脈沖傳一個(gè)信號(hào)以增加接收端的信噪比,由于uwb的發(fā)射功率與脈沖重復(fù)頻率成正比,因此可以通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進(jìn)行管理,這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設(shè)計(jì)。

          4 uwb在無線多媒體個(gè)域網(wǎng)中的應(yīng)用

          uwb無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進(jìn)行高速無線通信(速率在100mb/s以上)時(shí),傳輸距離較近,一般在10-20m左右,進(jìn)行較低速率無線通信和定位時(shí),傳輸距離可更遠(yuǎn),uwb技術(shù)采用無載波脈沖方式時(shí),具有較強(qiáng)的透視功能,可以穿透數(shù)層墻壁進(jìn)行通信、成像或定位,與全球定位系統(tǒng)(gps)相比,uwb技術(shù)的定位精確度更高,可以達(dá)到10-20cm的精度,正是憑借短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢(shì),uwb進(jìn)入民用市場(chǎng)之初就將其應(yīng)用定位在了無線局域網(wǎng)(wlan)和無線個(gè)域網(wǎng)(wpan)上,這樣一種小范圍內(nèi)進(jìn)行高速通信,可以使人們擺脫線纜的束縛,使各種設(shè)備以高速無線進(jìn)行連接。根據(jù)超帶寬無線傳輸?shù)奶匦?,uwb技術(shù)可以應(yīng)用于無線多媒體家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng),雷達(dá)定位和成像系統(tǒng),智能交通系統(tǒng),以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。

          無線多媒體個(gè)域網(wǎng)中,各種數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要,在小范圍內(nèi)組成自組織式的網(wǎng)絡(luò),相互傳送多媒體數(shù)據(jù),并可以通過安裝在家中的帶寬網(wǎng)關(guān),接入英特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設(shè)備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設(shè)備,如數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、mp3播放器、dvd播放器、數(shù)字電視、臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機(jī)、各種智能家電、機(jī)頂盒等。uwb技術(shù)與現(xiàn)有的其他無線通信技術(shù)相比,數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。uwb技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的速率超過1gb/s,與有線的usb2.0接口相當(dāng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線局域網(wǎng)802.11 b的11mb/s,也比下一代無線局域網(wǎng)802.11a/g的54mb/s高出近一個(gè)數(shù)量級(jí),uwb通信的功耗較低,能更好地滿足使用電池的移動(dòng)設(shè)備的要求,另外,uwb信號(hào)的功率譜密度非常低,信號(hào)難以被檢測(cè)到,再加上采用的跳頻、直接序列擴(kuò)頻等擴(kuò)頻多址技術(shù),使非授權(quán)者很難接獲傳輸?shù)男畔ⅲ蚨踩苑浅:谩?

          表1是一些典型的實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用對(duì)不同無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求,從表中可以看出,如果采用無線的方式來進(jìn)行傳輸,只有uwb技術(shù)可以滿足各種應(yīng)用的要求。

          表2為下載一些多媒體信息所需的時(shí)間,采用uwb技術(shù),可以在合理的時(shí)間內(nèi)完成下載,隨著多媒體應(yīng)用的發(fā)展,其類似大小和所需傳輸速率還將不斷提高,因此,在目前的無線通信技術(shù)中,只有uwb技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。

          5 結(jié)語

          無線通信已經(jīng)迅速滲入到我們的生活之中,不斷增長(zhǎng)的容量要求需要一種不對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案,而超帶寬脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這要求,在科研人員的努力下,不久的將來技術(shù)將會(huì)更加完善、更加有效地服務(wù)于人們的生活。



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