UWB超寬帶無(wú)線(xiàn)通信及其關(guān)鍵技術(shù)

摘要

本文首先介紹了UWB無(wú)線(xiàn)通信系統的定義、基本原理以及主要指標，然后詳細介紹了UWB的關(guān)鍵技術(shù)，最后指出了UWB所面臨的挑戰。

1、引言

UWB(Ultra-Wideband，超寬帶)脈沖無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)是近兩三年在國際上興起的一種無(wú)線(xiàn)通信革命性的通信技術(shù)，與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比有很大不同：不需要使用載波，而是依靠持續的、時(shí)間非常短的基帶脈沖信號(通常情況下)傳輸數據，因而占用的頻帶非常寬，通常在幾GHz量級。

UWB技術(shù)與下列名詞是同義的：極短脈沖、無(wú)載波、時(shí)域、非正弦、正交函數和大相對帶寬無(wú)線(xiàn)/雷達信號。UWB脈沖通信由于其優(yōu)良獨特的技術(shù)特性，越來(lái)越受到通信學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視，并且也為社會(huì )各界所關(guān)注，將會(huì )在小范圍和室內大容量高速率無(wú)線(xiàn)多媒體通信、雷達、精密定位、穿墻透地探測、成像和測量等領(lǐng)域獲得日益廣泛的應用。

2、UWB概述

目前研究的UWB實(shí)質(zhì)上是以占空比很低(低達0.5%)的沖擊脈沖作為信息載體的無(wú)載波擴譜技術(shù)。它是通過(guò)對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調制。典型的UWB直接發(fā)射沖擊脈沖串，不再具有傳統的中頻和射頻的概念，此時(shí)發(fā)射的信號可看成基帶信號(依常規無(wú)線(xiàn)電而言)，也可看成射頻信號(從發(fā)射信號的頻譜分量考慮)。沖擊脈沖通常采用單周期高斯脈沖，一個(gè)信息比特可映射為數百個(gè)這樣的脈沖。單周期脈沖的寬度在ns級，具有很寬的頻譜。UWB開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有GHz容量和最高空間容量的新無(wú)線(xiàn)信道。

基于CDMA的UWB脈沖無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機的基本組成如圖1所示。在發(fā)送端時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生一定重復周期的脈沖序列，用戶(hù)要傳輸的信息和表示該用戶(hù)地址的偽隨機碼分別或合成后對上述周期脈沖序列進(jìn)行一定方式的調制，調制后的脈沖序列驅動(dòng)脈沖產(chǎn)生電路，形成一定脈沖形狀和規律的脈沖序列，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天線(xiàn)發(fā)射出去。

在接收端，UWB天線(xiàn)接收的信號經(jīng)低噪聲放大器放大后，送到相關(guān)器的一個(gè)輸入端，相關(guān)器的另一個(gè)輸入端，加入一個(gè)本地產(chǎn)生的與發(fā)端同步的經(jīng)用戶(hù)偽隨機碼調制的脈沖序列，接收端信號與本地同步的偽隨機碼調制的脈沖序列一起經(jīng)過(guò)相關(guān)器中的相乘、積分和取樣保持運算，產(chǎn)生一個(gè)對用戶(hù)地址信息經(jīng)過(guò)分離的信號，其中僅含用戶(hù)傳輸信息以及其他干擾。然后對該信號進(jìn)行解調運算，即根據發(fā)端的調制方式對每個(gè)脈沖進(jìn)行判決，恢復出所傳輸的信息。同步電路包括捕獲和跟蹤電路，其作用是準確提取時(shí)鐘脈沖的位置和重復周期的信息，并將其作用到本地的定時(shí)電路，產(chǎn)生接收機所需的各種時(shí)鐘和定時(shí)信號。

2.1UWB主要指標

頻率范圍：3.1-10.6GHz；

系統功耗：1-4mW；

脈沖寬度：0.2-1.5ns，重復周期：25ns-1ms；

發(fā)射功率：＜-41.3dBm/MHz；

數據速率：幾十到幾百Mbit/s；

分解多路徑時(shí)延：≤1ns；

多徑衰落：≤5dB；

系統容量：大大高于3G系統；

空間容量：1000kB/m²。

3、UWB的關(guān)鍵技術(shù)

3.1脈沖信號的產(chǎn)生

從本質(zhì)上講，產(chǎn)生脈沖寬度為納秒級(10-9s)的信號源是UWB技術(shù)的前提條件，單個(gè)無(wú)載波窄脈沖信號有兩個(gè)特點(diǎn)：一是激勵信號的波形為具有陡峭前后沿的單個(gè)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(chǎn)生脈沖源的兩類(lèi)方法為：(1)光電方法，基本原理是利用光導開(kāi)關(guān)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。(2)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(chǎn)生幾十伏到上百伏的脈沖，脈沖的寬度可以達到1ns以下，實(shí)際通信中使用一長(cháng)串的超短脈沖。

3.2UWB的調制及多址方式

3.2.1調制方式

UWB的傳輸功率受傳輸信號的功率譜密度限制，因而在兩個(gè)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；二是調制方案的選擇影響了信號功率譜密度的結構，因此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(gè)脈沖傳遞不同的信息，也可以使用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息。

(1)單脈沖調制

對于單個(gè)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(shù)包括：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(shí)/直擴二進(jìn)制相移鍵控調制TH/DS-BPSK等。

PAM是通過(guò)改變脈沖幅度的大小來(lái)傳遞信息的一種脈沖調制技術(shù)。PAM既可以改變脈沖幅度的極性，也可以?xún)H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(jiǎn)化形式。BPM通過(guò)改變脈沖的正負極性來(lái)調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。OOK通過(guò)脈沖的有無(wú)來(lái)傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調制中，發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔是固定不變的。實(shí)際上，我們也可以通過(guò)改變發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔或發(fā)射脈沖相對于基準時(shí)間的位置來(lái)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(diǎn)是可以通過(guò)非相干檢測恢復信息。PAM和PPM還可以通過(guò)多個(gè)幅度調制或多個(gè)位置調制提高信息傳輸速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)：經(jīng)過(guò)這些方式調制的脈沖信號將出現線(xiàn)譜。線(xiàn)譜不僅會(huì )使UWB脈沖系統的信號難以滿(mǎn)足一定的頻譜要求(例如，FCC關(guān)于UWB信號頻譜的規定)，而且還會(huì )降低功率的利用率。

就上述5種調制方式而言，綜合考慮可靠性、有效性和多址性能等因素，目前廣泛受關(guān)注的是后兩種調制方式？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。兩者的區別在于當采用匹配濾波器的單用戶(hù)檢測情況下，TH/DS-BPSK的性能要優(yōu)于TH-PPM。而對TH/DS-BPSK而言，在速率較高時(shí)，應優(yōu)先選擇DS-BPSK方式；速率較低時(shí)，由于TH-BPSK受遠近效應的影響較小，應選擇TH-BPSK方式。在采用最小均方誤差(MMSE)檢測方式的多用戶(hù)接收機應用情況時(shí)，兩者差別不大；但在速率較高時(shí)，TH/DS-BPSK的性能還是要優(yōu)于TH-PPM系統。而B(niǎo)PM則可以避免線(xiàn)譜現象，并且是功率效率最高的脈沖調制技術(shù)。對于功率譜密度受約束和功率受限的UWB脈沖無(wú)線(xiàn)系統，為了獲得更好的通信質(zhì)量或更高的通信容量，BPM是一種比較理想的脈沖調制技術(shù)。

(2)多脈沖調制

實(shí)際上，為了降低單個(gè)脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在UWB脈沖無(wú)線(xiàn)系統中，往往采用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調制的基本思想。

當采用多脈沖調制時(shí)，把傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱(chēng)為一組脈沖，那么，多脈沖調制過(guò)程可以分兩步：第一步為每組脈沖內部單個(gè)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(gè)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(chēng)為擴譜，而把第二步稱(chēng)為信息調制。因而在第一步中，把PPM稱(chēng)為跳時(shí)擴譜(TH-SS)，即每組脈沖內部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置；把BPM稱(chēng)為直接序列擴譜(DS-SS)，即每組脈沖內部的每一個(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。在第二步中，根據需要傳輸的信息比特，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調節每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來(lái)不難得到以下多脈沖調制技術(shù)：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。

多脈沖調制不僅可以通過(guò)提高脈沖重復頻率來(lái)降低單個(gè)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(hù)使用的SS序列之間的正交性或準正交性實(shí)現多用戶(hù)干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機性實(shí)現窄帶干擾抑制。

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(guò)同時(shí)傳輸多路多脈沖調制的信號來(lái)提高系統的通信速率，這樣的技術(shù)通常被稱(chēng)為碼分復用(CDMA)技術(shù)。在2004年的國際信號處理會(huì )議上提出了一種特殊的CDM系統？？無(wú)載波的正交頻分復用系統(CL-UWB/OFDM)。這種多脈沖調制技術(shù)可以有效地抑制多路數據之間的干擾和窄帶干擾。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/353654.htm

3.2.2多址方式

在UWB系統中，多址接入方式與調制方式有密切聯(lián)系。當系統采用PPM調制方式時(shí)，多址接入方式多采用跳時(shí)多址；若系統采用BPSK方式，多址接入方式通常有兩種：直序方式和跳時(shí)方式?；谏鲜鰞煞N基本的多址方式，許多其他多址方式陸續被提出，主要包括以下幾種。

(1)偽混沌跳時(shí)多址方式(PCTH)

PCTH根據調制的數據，產(chǎn)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(shí)刻，使信號的頻譜發(fā)生變化。PCTH調制不僅能減少對現有的無(wú)線(xiàn)通信系統的影響，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(shí)(TH)的基礎之上，通過(guò)直接序列擴頻碼進(jìn)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(shí)現同步和抗遠近效應方面，具有一定的優(yōu)勢。

(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式

此方式的特點(diǎn)是：打破TH-PPM多址方式中采用隨機跳時(shí)碼的常規思路，利用具有特殊結構的固定跳時(shí)碼，減少不同用戶(hù)脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時(shí)，利用直接序列擴頻的偽隨機碼的特性，也可以進(jìn)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(shí)域中具有其他調制方式所不具有的特性。當多個(gè)用戶(hù)的UWB信號被設計成不同的具有正交波形時(shí)，根據多個(gè)UWB用戶(hù)時(shí)域發(fā)送波形的正交性，以區分用戶(hù)，實(shí)現多址，這被稱(chēng)之為波分多址技術(shù)。

3.3天線(xiàn)的設計

能夠有效輻射時(shí)域短脈沖的天線(xiàn)是UWB研究的另一個(gè)重要方面。UWB天線(xiàn)應該達到以下要求：一是輸入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超寬頻帶不變特性。即要求天線(xiàn)的輸入阻抗和相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號的有效發(fā)射和接收。

對于時(shí)域短脈沖輻射技術(shù)，早期采用雙錐天線(xiàn)、V-錐天線(xiàn)、扇形偶極子天線(xiàn)，這幾種天線(xiàn)存在饋電難、輻射效率低、收發(fā)耦合強、無(wú)法測量時(shí)域目標的特性，只能用作單收發(fā)用途。隨著(zhù)微波集成電路的發(fā)展，研制出了UWB平面槽天線(xiàn)，它的特點(diǎn)是能產(chǎn)生對稱(chēng)波束、可平衡UWB饋電、具有UWB特性。由于利用光刻技術(shù)，可以制成毫米、亞毫米波段的集成天線(xiàn)。

3.4收發(fā)機的設計

與傳統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機結構相比，UWB收發(fā)信機的結構相當簡(jiǎn)單，如圖2所示。傳統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機大多采用超外差式結構；UWB收發(fā)信機采用零差結構，在接收端，天線(xiàn)收集的信號經(jīng)放大后通過(guò)匹配濾波或相關(guān)接收機處理，再經(jīng)高增益門(mén)限電路恢復原來(lái)信息?，F代數字無(wú)線(xiàn)技術(shù)常采用數字信號處理芯片(DSP)的軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)產(chǎn)生不同的調制方式，這些系統可逐步降低信息速率以在更大的范圍內連接用戶(hù)。UWB的一大優(yōu)點(diǎn)是，即使最簡(jiǎn)單的收發(fā)信機也可采用這一數字技術(shù)。

4、UWB面臨的挑戰

雖然UWB技術(shù)有其特有的優(yōu)點(diǎn)，但是它的廣泛應用仍然還面臨很多挑戰，還有許多技術(shù)問(wèn)題需要研究解決：

(1)需要更好地理解UWB傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多經(jīng)傳播等問(wèn)題；

(2)前向糾錯編碼的設計、低復雜度的信道補償算法、快速捕獲和同步方法、容量分析；

(3)需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù)；

(4)高速脈沖收發(fā)電路的設計與實(shí)現，如高精度的匹配濾波、UWB天線(xiàn)、板上微控制器噪聲的處理等；

(5)研究新的調制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)機結構的復雜度；

(6)多址方案的研究和設計，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；

(7)接收時(shí)每個(gè)脈沖位置的檢測精度；

(8)研究它與GPS等其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的干擾問(wèn)題；

(9)在定位應用中還需要研究位置測定技術(shù)等。

5、結束語(yǔ)

UWB作為民用還是一項新技術(shù)，隨著(zhù)該技術(shù)不斷走向商業(yè)化，相信上述問(wèn)題一定能夠得以解決。由于它在無(wú)線(xiàn)通信方面的創(chuàng )新性和利益性，因此UWB在商業(yè)多媒體設備和個(gè)人網(wǎng)絡(luò )，特別是信息家電方面具有很大的市場(chǎng)潛力。