超寬帶無線通信技術及應用研究
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1、UWB技術的定義及其特點
1.1 UWB技術的定義
2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會修訂了第15標準，第15標準是管理包括UWB設備在內的使用非授權頻段的無線設備的標準。在美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的指導下，對UWB的使用提供了在短距離（不足10m的范圍）、低發(fā)射功率（平均等方向性輻射能為-41.3 dBm/MHz）、具有極高容量（幾個Gbps）的要求。FCC對UWB信號的定義是UWB帶寬大于500 MHz（UWB帶寬指-10dB帶寬），或分數帶寬（即帶寬與中心頻率的比）大于0.20。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)一般分數帶寬都小于0.01，寬帶碼分多址（WCDMA）系統(tǒng)的分數帶寬約為0.02，而在UWB系統(tǒng)中其分數帶寬等于0.2或0.25。FCC還規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權的頻段 3.1GHz～10.6GHz內以極低的功率工作。較低的帶內帶外發(fā)射功率限制確保了UWB設備不會對現(xiàn)存授權頻段的設備及其他重要無線設備產生干擾。
從載波方面看，傳統(tǒng)的通信技術是把信號從基帶調制到載波上，而UWB技術是通過具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖對數據進行直接調制，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統(tǒng)無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它開發(fā)了一個具有千兆赫茲容量和最高空間容量的新無線信道。香農理論認為，信道的容量隨帶寬線性增加，隨信噪比（SNR）的降低呈對數減小。這種關系說明，無線通信系統(tǒng)的容量可隨所占帶寬的增加、SNR的降低而增加。這樣，對于 WPAN，在發(fā)射距離較近的情況下，信號的傳播損耗較小，可以通過增加信號帶寬來提高系統(tǒng)的容量。
從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬（信號帶寬與中心頻率之比）小于1%；相對帶寬在1%到25%之間的被稱為寬帶；相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。
從時域上講，超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進行信號調制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖（幾十ns）直接實現(xiàn)調制。超寬帶的傳輸把調制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程中所持續(xù)的時間來決定帶寬所占據的頻率范圍。由于UWB發(fā)射功率受限，進而限制了其傳輸距離，資料表明，UWB信號的有效傳輸距離在10m以內。故而在民用方面，UWB普遍定位于個人局域網的范疇。
1.2 UWB技術的特點
1）系統(tǒng)結構的實現(xiàn)比較簡單
當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續(xù)電波，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器。因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器，同時在接收端UWB接收機也有別于傳統(tǒng)的接收機，不需要中頻處理。因此，UWB系統(tǒng)結構的實現(xiàn)比較簡單。
2）數據傳輸速率高
民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍在10m以內，根據經過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/s，可見，這是實現(xiàn)個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現(xiàn)遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。
3）功耗低
UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數據，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/100左右，是藍牙設備所需功率的1/20左右；軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設備有著很大的優(yōu)越性。
4）安全性高
作為通信系統(tǒng)的物理層技術，UWB技術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，對一般通信系統(tǒng)而言，UWB信號相當于白噪聲信號，并且大多數情況下UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。UWB安全性還表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數據；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。
5）多徑分辨能力強。
由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10dB～30dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。
6）定位精確
沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。
7）工程簡單造價便宜
在工程實現(xiàn)上，UWB比其它無線技術要簡單得多，可全數字化實現(xiàn)。它只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本很低。
2、UWB的關鍵技術
2.1 脈沖信號的產生
從本質上講，產生脈沖寬度為納秒級（10-9s）的信號源是UWB技術的前提條件，單個無載波窄脈沖信號有兩個特點：一是激勵信號的波形為具有陡峭前后沿的單個短脈沖，二是激勵信號包括從直流到微波的很寬的頻譜。目前產生脈沖源的方法有：a）光電方法，基本原理是利用光導開關的陡峭上升／下降沿獲得脈沖信號。由激光脈沖信號激發(fā)得到的脈沖寬度可達到皮秒（10-12s）量級，是最有發(fā)展前景的一種方法。b）電子方法，基本原理是利用晶體管PN結反向加電，在雪崩狀態(tài)的導通瞬間獲得陡峭上升沿，整形后獲得極短脈沖，是目前應用最廣泛的方案。受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產生幾十伏到上百伏的脈沖，脈沖的寬度可以達到1ns以下，實際通信中使用一長串的超短脈沖。
2.2 UWB的調制及多址方式
2.2.1 調制方式
由于UWB的傳輸功率受傳輸信號的功率譜密度限制，因而在兩個方面影響調制方式的選擇：一是對于每比特能量調制需要提供最佳的誤碼性能；二是影響了信號功率譜密度的結構，有可能把一些額外的限制加在傳輸功率上。在UWB中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單個脈沖傳遞不同的信息，也可以使用多個脈沖傳遞相同的信息。
1）單脈沖調制
對于單個脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息。適用于UWB的主要單脈沖調制技術有：脈沖幅度調制（PAM）、脈沖位置調制（PPM）、通斷鍵控（OOK）、二相調制（BPM）和跳時／直擴二進制相移鍵控調制TH／DS-BPSK等。
PAM是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的一種脈沖調制技術。PAM既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對值。BPM和OOK是PAM的兩種簡化形式。BPM通過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。OOK通過脈沖的有無來傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調制中，發(fā)射脈沖的時間間隔是固定不變的。實際上，我們也可以通過改變發(fā)射脈沖的時間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準時間的位置來傳遞信息，這就是PPM的基本原理。在PPM中，脈沖的極性和幅度都不改變。PAM、OOK和PPM共同的優(yōu)點是可以通過非相干檢測恢復信息。PAM和PPM還可以通過多個幅度調制或多個位置調制提高信息傳輸速率。然而PAM、OOK和PPM都有一個共同的缺點：經過這些方式調制的脈沖信號將出現(xiàn)線譜。線譜不僅會使UWB脈沖系統(tǒng)的信號難以滿足一定的頻譜要求（例如FCC關于UWB信號頻譜的規(guī)定），而且還會降低功率的利用率。
通過上面五種調制方式的分析及實踐中的應用可知：對于功率譜密度受約束和功率受限的UWB脈沖無線系統(tǒng)，為了獲得更好的通信質量或更高的通信容量，BPM是一種較理想的脈沖調制技術。
2）多脈沖調制
在實際使用中，我們常使用多脈沖來提高抗干擾性能。當采用多脈沖調制時，傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，多脈沖調制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內部單個脈沖的調制；第二步為每組脈沖作為整體被調制。在第一步中，每組脈沖內部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調制；在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎肞AM、PPM或BPM調制。一般把第一步稱為擴譜，而把第二步稱為信息調制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時擴譜（TH-SS），即每組脈沖內部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置；把BPM稱為直接序列擴譜（DS-SS），即每組脈沖內部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據需要傳輸的信息比特，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到以下多脈沖調制技術：TH_SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。多脈沖調制不僅可以通過提高脈沖重復頻率來降低單個脈沖的幅度或發(fā)射功率，更重要的是，多脈沖調制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準正交性實現(xiàn)多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機性實現(xiàn)窄帶干擾抑制。在多脈沖調制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率，這樣的技術通常被稱為碼分復用（CDMA）技術。2004年的國際信號處理會議上提出了一種特殊的CDMA系統(tǒng) ——無載波的正交頻分復用系統(tǒng)（CL-UWB/OFDM），這種多脈沖調制技術可以有效地抑制多路數據之間的干擾和窄帶干擾。
2.2.2 多址方式
在UWB系統(tǒng)中，多址接入方式與調制方式有密切聯(lián)系。當系統(tǒng)采用PPM調制方式時，多址接入方式多采用跳時多址；若系統(tǒng)采用BPSK方式，多址接入方式通常有直序和跳時兩種方式?；谏鲜鰞煞N基本的多址方式，許多其他多址方式陸續(xù)被提出，主要包括以下幾種。
1）偽混沌跳時多址方式（PCTH）
PCTH根據調制的數據，產生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機序列和調制的數據，控制短脈沖的發(fā)送時刻，使信號的頻譜發(fā)生變化。PCTH調制不僅能減少對現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的影響，而且更不易被檢測到。
2）DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳時（TH）的基礎之上，通過直接序列擴頻碼進一步減少多址干擾，其多址性能優(yōu)于TH-PPM，與DS-BPSK相當，但在實現(xiàn)同步和抗遠近效應方面，具有一定的優(yōu)勢。
3）DS-BPSK/Fixed TH混合多址方式
此方式的特點是打破TH-PPM多址方式中采用隨機跳時碼的常規(guī)思路，利用具有特殊結構的固定跳時碼，減少不同用戶脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時，利用直接序列擴頻的偽隨機碼的特性，也可以進一步削弱多址干擾。
此外，由于UWB脈沖信號具有極低的占空比，其頻譜能夠達到GHz的數量級，因而UWB在時域中具有其他調制方式所不具有的特性。當多個用戶的UWB信號被設計成具有不同的正交波形時，根據多個UWB用戶時域發(fā)送波形的正交性來區(qū)分用戶，實現(xiàn)多址，這被稱之為波分多址技術。
3、UWB技術的應用
由于UWB通信利用了一個相當寬的帶寬，就好像使用了整個頻譜，并且它能夠與其他的應用共存，因此UWB可以應用在很多領域，如：個域網、智能交通系統(tǒng)、無線傳感網、射頻標識、成像應用。
3.1 UWB在個域網中的應用
UWB可以在限定的范圍內（比如4m）以很高的數據速率（比如480Mb/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍牙好很多。藍牙的數據速率是 1Mb/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無線外設訪問來傳輸照片、文件、視頻。因此UWB特別適合于個域網。通過UWB，可以在家里和辦公室里方便地以無線的方式將視頻攝像機中的內容下載到PC中進行編輯，然后送到TV中瀏覽，輕松地以無線的方式實現(xiàn)掌上電腦（PDA）、手機與PC數據同步、裝載游戲和音頻/視頻文件到PDA、音頻文件在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。
3.2 UWB在智能交通信息中的應用
利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易駕駛。當汽車的前方、后方、旁邊有障礙物時，該雷達會提醒司機。在停車的時候，這種基于UWB的雷達是司機強有力的助手。利用UWB可還以建立智能交通管理系統(tǒng)，這種系統(tǒng)應該由若干個站臺裝置和一些車載裝置組成無線通信網，兩種裝置之間通過UWB進行通信完成各種功能。例如，實現(xiàn)不停車的自動收費、汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取、站臺方對移動汽車的定位搜索和速度測量等。
3.3 傳感器聯(lián)網
利用UWB低成本、低功耗的特點，可以將UWB用于無線傳感網。在大多數的應用中，傳感器被用在特定的局域場所。傳感器通過無線的方式而不是有線的方式傳輸數據將特別方便。作為無線傳感網的通信技術，它必須是低成本的；同時它應該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無線傳感網通信技術的最合適候選者。
3.4 成像應用
由于UWB具有好的穿透墻、樓層的能力，UWB可以應用于成像系統(tǒng)。利用UWB技術，可以制造穿墻雷達、穿地雷達。穿墻雷達可以用在戰(zhàn)場上和警察的防暴行動中，定位墻后和角落的敵人；地面穿透雷達可以用來探測礦產，在地震或其他災難后搜尋幸存者?；赨WB的成像系統(tǒng)也可以用于避免使用x射線的醫(yī)學系統(tǒng)。
由于UWB有著很多優(yōu)點，它還可以用于智能標識、有線網絡的無線延伸以及在軍事方面用來實現(xiàn)超保密的通信系統(tǒng)。
4、結束語
UWB作為一種新的無線通信技術，由于調制方式和多址技術的特點使得它具有其它無線通信技術所無法具有的很寬的帶寬、高速的數據傳輸、功耗低、安全性高等優(yōu)點，超寬帶無線通信系統(tǒng)還可與其他系統(tǒng)共存，因此UWB可以應用在很多的領域，在無線通信領域UWB也是一個非常有前景的技術。
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