集嶄新的超寬帶(UWB)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

摘要：從超寬帶UWB技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，并對其調制方式和近期提出的新型高效脈形調制PSM（Pulse Shape ModulaTIon）做出了初步的理論探討。

超寬帶（Ultra Wide Band）作為一種新型的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與傳統的通信方式相比有著(zhù)很大的區別。由于它不需使用載波電路，而是通過(guò)發(fā)送納秒級脈沖傳輸數據，因此該技術(shù)具有發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單、功耗低、對現存通信系統影響小、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，此外它還具有多徑分辨能力強、穿透力強、隱蔽性好、系統容量大、定位精度高等優(yōu)勢。根據FCC的規定，從3.1GHz～10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率都將作為UWB通信設備所使用。但出于對現存無(wú)線(xiàn)系統影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。

UWB是一種可以為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)LAN、個(gè)人域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來(lái)低功耗、高帶寬并且相對簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它解決了困擾傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)多年的重大難題，開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有對信道衰落特性不敏感、發(fā)射信號功率普密度低、不易被截獲、復雜度不高等眾多優(yōu)點(diǎn)的傳輸技術(shù)。該技術(shù)尤其適用于室內等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入和軍事通信應用中。

圖1

1 基本概念

超寬帶（UWB）又被稱(chēng)為脈沖無(wú)線(xiàn)電（Impulse Radio）,具體定義為相對帶寬（信號帶寬與中心頻率的比）大于25%的信號，即：

Bf=B/fc=(fh-fl)/[(fh+fl)/2]>25% (1)

或者是帶寬超過(guò)1.5GHz。實(shí)際上UWB信號是一種持續時(shí)間極短、帶寬很寬的短時(shí)脈沖。它的主要形式是超短基帶脈沖，寬度一般在0.1～20ns，脈沖間隔為2～5000ns，精度可控，頻譜為50MHz～10GHz，頻帶大于100%中心頻率，典型點(diǎn)空比為0.1%。

傳統的UWB系統使用一種被稱(chēng)為“單周期（monocycle）脈形”的脈沖。一般情況下，通過(guò)隨道二極管或者水銀開(kāi)關(guān)產(chǎn)生。在計算機仿真中用高斯脈沖來(lái)近似代替它。由于天線(xiàn)對脈沖的影響不同，所以可以假設發(fā)送脈沖為：

而接收端收到的信號為：

tc是脈沖的時(shí)移，2tau為脈沖的寬度。圖1給出了發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)域脈形。

2 UWB的性能特點(diǎn)

超寬帶有別于其它現存的一些通信技術(shù)，其最根本的區別在于無(wú)需載波，大大降低了發(fā)射和接收設備的復雜性，從根本上降低了通信的成本。

UWB的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下八個(gè)方面：

（1）無(wú)需載波，發(fā)送和接收設備簡(jiǎn)單。由于UWB信號是一些超短時(shí)的脈沖，其頻率很高，所以它不象傳統的基帶信號那樣需要將其調制到某個(gè)發(fā)射頻率上才能在信道中傳輸。因此，必然會(huì )使發(fā)射機和接收機的結構簡(jiǎn)單化。

圖2

（2）功耗低。由于UWB信號無(wú)需載波，工作在頻譜的電子噪聲波段，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統只需要50～70mW的電源，而這只是移動(dòng)電話(huà)的百分之一，藍牙技術(shù)的十分之一。

（3）傳輸速率高。極寬的帶寬使UWB具有很高的傳輸速率，一般情況下，其最大數據傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。美國英特爾公司于2002年4月在“IDF2002 Spring Japan”上對該技術(shù)進(jìn)行了演示，在數米的距離內傳輸速率可達100Mbps。

（4）隱蔽性好，安全性高。由于UWB信號的帶寬很寬，且發(fā)射功率很低，這必然使該項通信技術(shù)具有低截獲能力LPD（Low Probability of DetecTIon）的優(yōu)點(diǎn)。另外超寬帶還采用了跳時(shí)TH（TIme Hopping）擴頻技術(shù)，接收端必須在知道發(fā)射端擴頻碼的條件下才能解調出發(fā)送的數據信息。

（5）多徑分辨能力強。從時(shí)域角度看，超寬帶系統采用脈沖寬度為幾納秒的窄信號，因此具有很高的時(shí)間分辨力，相應的多徑分辨率小于幾十厘米；從頻域的角度分析，由于UWB信號的帶寬極寬，所以信號在傳輸過(guò)程中出現頻率選擇性衰落出現是一定的。然而正是因為極寬的帶寬，多徑衰落只在某些頻點(diǎn)處出現，從整體上考慮，衰落掉的能量只是信號總能量很小的部分，所以該技術(shù)在抗多徑方面仍具有魯棒性。

（6）系統容量大。香農公式給出

C=Blog2(1+S/N) (4)

可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來(lái)的效應，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。

（7）高精度的距離分辨力。由于超寬帶定位設備的時(shí)間抖動(dòng)小于20ps，如果采用GPS相同的工作原理和算法，相應的距離不確定性小于1cm。而在實(shí)際應用中，超寬帶雷達系統使用的超窄脈沖信號，其距離分辨率小于30cm。

（8）穿透能力強。在具有相同帶寬的無(wú)線(xiàn)信號中，超寬帶的頻率最低，因此，它在具有大容量和高距離分辨率的同時(shí)相對于毫米波信號具有更強的穿透能力。

3 UWB信號的調制方式

UWB的調制方式有許多，以脈沖調制PPM（Pulse PosiTIon Modulation）為例作為一個(gè)舉例分析。

首先定義一個(gè)單周期脈形：

s(k)代表信號kth,w(t)為傳輸的單周期脈沖。

將其移至每一幀的開(kāi)始：

Tf代表脈沖重復周期，j表示第j個(gè)單脈沖。

加入偽隨機跳時(shí)碼：

最后加入調制數據：

其中，d(k)是信息數據，δ為時(shí)移。為了滿(mǎn)足多用戶(hù)的需求，提高通信的安全性和對系統功率譜密度PSD（Power Spectral Density）的考慮，引入了跳時(shí)碼，下面就從功率譜密度的角度來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。

假設采用圖1（a）給出的高斯單脈沖作為發(fā)送信號，且只是一串周期性的脈沖序列，由于時(shí)域信號的周期性導致其頻域出現了強烈的能量類(lèi)峰，這些類(lèi)峰將對現存傳統的無(wú)線(xiàn)信號造成干擾。因此需要采取某種措施將其平滑。如果采用PPM調制對脈沖的位置做出調整，可以看到：由于調制的置亂效果，頻域的尖峰得到了一定的控制，但此時(shí)仍比較明顯。為了進(jìn)一步降低類(lèi)峰的幅度，引入跳時(shí)碼，這樣發(fā)送信號的功率譜就會(huì )得到進(jìn)一步的平滑，幾乎近似于背景噪聲，這也正是UWB系統能與現存無(wú)線(xiàn)系統并存的原因之一。圖2給出了上述不同信號的PSD圖和引入跳時(shí)碼后的時(shí)域波形。

除PPM外，UWB信號還可以采用脈幅調制PAM（Pulse Amplitude Modulation），開(kāi)關(guān)鍵OOK（On-Off Key）和二相移鍵控BPSK（Bi-Phase Shift Key）等。在接收端，單脈沖信號可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)實(shí)現可靠接收。實(shí)際應用中常使用相關(guān)器（correlator），它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(gè)直流輸出電壓。相關(guān)器輸出的是接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時(shí)間位置差，從輸出中尋找時(shí)間位置差為0的即為要接收的信號。

為了追求更高效率的信息傳輸，近來(lái)人們提出了一種新型脈沖調制方式——脈形調制PSM（Pulse Shape Modulation）。PSM就是對脈沖的形狀進(jìn)行調制從而實(shí)現信息的載荷，因此脈沖形狀的選擇是十分重要的。它的提出得益于人們對hermite多項式的研究。由于hermite多項式的數學(xué)表達式與高斯單脈沖很接近，而且隨著(zhù)階數的變化，波形的持續時(shí)間不會(huì )有很大的變化，因此人們便想到了用hermite多項式數的變化產(chǎn)生形狀各異的脈沖，實(shí)現多元化的調制。為了尋求正交的波形，需對hermite多項式進(jìn)行修正，即：

經(jīng)過(guò)改動(dòng)之后，便可以得到彼此正交的各階hermite多項式了。這時(shí)可以在發(fā)送端同時(shí)發(fā)送n個(gè)不同形狀的單脈沖，正交性使其互不干擾，接收端用相關(guān)接收技術(shù)即可把每一個(gè)信號分離出來(lái)。

圖3給出了改進(jìn)型hermite多項式時(shí)域波形。與此同時(shí)還可以通過(guò)搭建simulink電路得到想要的各階hermite多項式脈沖。如圖4給出了搭建電路和仿真波形。在simulink電路中，Hermite多項式的階數由脈沖階數單元控制，示波器1、2給出相應階數和相應階數減1階的hermite脈形。

傳輸效率的提高帶來(lái)系統性能的下降，這是許多系統所不能容忍的，因此需要進(jìn)行編碼。首先在形域采用BCH（7，4）對信號編碼，這樣一來(lái)傳輸速率是單脈沖的4倍，而誤碼性能則與單脈沖基本相同，隨后在時(shí)域對信息幀進(jìn)行BCH（31，11）編碼，使性能進(jìn)一步提高，最后還可以在時(shí)域和形域聯(lián)合編碼，誤碼性能會(huì )得到大幅度的改善，而傳輸效率仍然高于單脈沖系統。性能曲線(xiàn)如圖5所示。

4 應用前景和發(fā)展方向

憑借自身的眾多優(yōu)勢，超寬帶技術(shù)具有廣闊的應用前景，UWB首先在美國軍方和政府部門(mén)得到了實(shí)質(zhì)性關(guān)注，并迅速應用于美國軍隊的無(wú)線(xiàn)電臺組網(wǎng)（Adhoc）和高精度雷達檢測系統中。2002年2月FCC準許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，條件是：“在發(fā)送功率低于美國放射噪音規定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1G～10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統、汽車(chē)防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測距和無(wú)線(xiàn)數據通信”。盡管該技術(shù)在應用中有如此多的限制，但它仍受到廣大電信開(kāi)發(fā)商的青睞。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已經(jīng)向IEEE-802.15委員會(huì )提出了采用超寬帶技術(shù)的議案，眾多公司的研究部門(mén)乃至學(xué)校也都將該技術(shù)的研究提到了日程中來(lái)。許多現已成熟的技術(shù)紛紛與UWB進(jìn)行結合，如UWB-OFDM、UWB-Ad hoc、UWB-Wavelet、UWB-Neural network等，有的公司甚至已經(jīng)利用這些技術(shù)生產(chǎn)出了實(shí)際的民用產(chǎn)品。

圖4

筆者把超寬帶技術(shù)的應用歸納為短距離無(wú)線(xiàn)通信、雷達探測和精確定位三個(gè)最主要的方面。其中在短距離無(wú)線(xiàn)通信中可用于密文傳送、音/視頻流傳輸、射頻標簽識別以及無(wú)中心自紡織網(wǎng)絡(luò )（Adhoc）的物理層等領(lǐng)域；雷達方面主要用作防撞雷達檢測、精密測高學(xué)、穿墻成像和探地雷達系統；精確定位則可用于資源跟蹤和全球定位系統GPS（Global Position System）。由此可見(jiàn)，UWB技術(shù)的背后蘊藏著(zhù)巨大的商機。

當然，超寬帶技術(shù)若要真正用于人們的日常生活，還有許多極具挑戰性的課題，這也是超寬帶技術(shù)近來(lái)乃至今后很長(cháng)一段時(shí)間內研究和發(fā)展的方向。

（1）建立時(shí)域內的超寬帶無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器的模型，從時(shí)域角度設計天線(xiàn)的傳輸函數；

（2）研究超寬帶信號產(chǎn)生和基本功能的優(yōu)化；

（3）研究低電平趕寬帶無(wú)線(xiàn)電信號集合而千萬(wàn)的干擾，有效平衡功率和通信范圍的關(guān)系；

（4）超寬帶跳時(shí)碼的研究；

（5）研究移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和路由協(xié)議，將超寬帶技術(shù)應用于分布式的網(wǎng)絡(luò )結構、盲捕獲和自配置功能中；研究適用于超寬帶類(lèi)似于“藍牙”系統的組網(wǎng)協(xié)議；

（6）研究基于超寬帶無(wú)線(xiàn)電傳輸技術(shù)的無(wú)線(xiàn)IP協(xié)議；

（7）研究超寬帶無(wú)線(xiàn)電的測試技術(shù)，包括傳輸信道的測試、估計、信道模型等。

如今科學(xué)界正掀起一般UWB的革命浪潮，UWB技術(shù)已成為未來(lái)最有發(fā)展前景的十大通信技術(shù)之一。我國同樣也非常重視這項革命性技術(shù)的研究，并于2001年9月初發(fā)布的“十五”863計劃通信技術(shù)主題研究項目中，把超寬帶無(wú)線(xiàn)通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)通信共性技術(shù)與創(chuàng )新技術(shù)的研究?jì)热?，鼓勵國內學(xué)者加強這方面的研發(fā)工作。

超寬帶技術(shù)開(kāi)創(chuàng )出無(wú)線(xiàn)通信中一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，擁有十分廣闊的市場(chǎng)前景?；蛟S假以時(shí)日，UWB將作為無(wú)線(xiàn)互連標準的主流出現在人們面前，讓我們拭目以待。