超寬帶通信技術(shù)及其應用

鄭州解放軍信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院(450002) 李 瑛 張水蓮 俞 飛 羅 飛
 
　　摘　要：超寬帶 UWB(Ultra-wide Bandwidth)脈沖通信(Impulse Radio)技術(shù)與其它通信技術(shù)有很大不同,它具有信號功率譜密度低、不易檢測、系統復雜度低等優(yōu)點(diǎn),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。介紹了UWB系統的信號表示形式,分析了其特點(diǎn),并介紹了超寬帶通信當前的研究及應用情況。
　　關(guān)鍵詞：UWB 脈沖通信 信號 應用

　　UWB技術(shù)是一種新型的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它通過(guò)對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調制,使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題,它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、能提供數厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。
1 超寬帶信號及其特點(diǎn)
　　美聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)規定:
　　部分帶寬=>25%或總帶寬>500MHz的信號稱(chēng)為UWB信號。其中,部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。圖1為UWB信號與窄寬信號功率譜密度的比較;UWB信號格式如圖2所示。

圖1 UWB信號與窄帶信號功率譜密度的比較

圖2 UWB信號格式

　　一種典型的脈位調制(PPM)方式的UWB信號形式[1],[2]為:

　　
　　str(k)(t)表示第k個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信號,它是大量的具有不同時(shí)移的單周期脈沖之和。w(t)表示傳輸的單周期脈沖波形,可以為單周期高斯脈沖或其一階、二階微分脈沖,從該發(fā)射機時(shí)鐘的零時(shí)刻(t(k)=0)開(kāi)始。第j個(gè)脈沖的起始時(shí)間為。仔細分析每個(gè)時(shí)移分量:
　　(1)相同時(shí)移的脈沖序列形式的脈沖表示時(shí)間步長(cháng)為
T_f  的單周期脈沖,其占空比極低,幀長(cháng)或脈沖重復時(shí)間T_f(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類(lèi)似于A(yíng)LOHA系統,這樣的脈沖序列極容易導致隨機碰撞。
　　(2)偽隨機跳時(shí):為減少多址接入時(shí)的沖突,給每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)特定的偽隨機序列{c_j^(k)},稱(chēng)之為跳時(shí)碼,其周期為Np,即,(i, j為任意整數)。跳時(shí)碼的每個(gè)碼元都是整數,
且滿(mǎn)足0≤cj(k)h。這樣跳時(shí)碼給每個(gè)脈沖附加了一個(gè)時(shí)移,第j個(gè)單周期脈沖的附加時(shí)移為c_j^(k)T_c秒。
　　由于讀出單周期脈沖相關(guān)器的輸出要占用一定的時(shí)間, N_hT_c/T_f應嚴格小于1。然而如果N_hT_c太小,那么多個(gè)用戶(hù)接入時(shí)發(fā)生沖突的概率仍然會(huì )很大。相反,如果N_hT_c足夠大且跳時(shí)碼設計合理,就可以將多用戶(hù)干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(Additive White Gauss Noise)信號。
　　由于跳時(shí)碼是周期為的周期序列,那么,其周期為。跳時(shí)碼的另外一個(gè)作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。
　　(3)數據調制:第k個(gè)用戶(hù)發(fā)送的數據序列{d_i^(k)}為二進(jìn)制數據流。每個(gè)碼元傳輸N_s個(gè)單周期脈沖,這樣增加了信號的處理增益。
　　在這種調制方式下,一個(gè)符號(或碼元)的持續時(shí)間為T(mén)_s=N_sT_f。對于固定的脈沖重復時(shí)間T_f,二進(jìn)制的符號速率R_s為:
　　
　　顯然,采用上述信號的超寬帶脈沖通信系統具有以下特點(diǎn):信號持續時(shí)間極短,為納秒、亞納秒級脈沖,信號占空比極低(1%～0.1%),故有很好的多徑免疫力;頻譜相當寬,達GHz量級,且功率譜密度低,故UWB信號對其他系統干擾小、抗截獲能力強;UWB系統處理增益很高,其總處理增益PG為:

 
　　
　　例如,當某二進(jìn)制UWB通信系統T_f=1μs,T_c=1ns,N_s=100,比特速率R_s=10kbps時(shí),該系統UWB信號的處理增益為50dB。與其他通信系統相比,其處理增益非常高。
　　另外,UWB信號為極窄脈沖的序列,故有非常強的穿透能力,可以辨別出隱藏的物體或墻體后運動(dòng)著(zhù)的物體,能實(shí)現雷達、定位、通信三種功能的結合,適合軍用戰術(shù)通信。
2 超寬帶信號發(fā)射機、接收機基本結構
2.1 發(fā)射機和相關(guān)接收機模型
　　與傳統的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機結構相比,UWB收發(fā)信機的結構相對簡(jiǎn)單。如圖3所示,在發(fā)射端,數據直接對射頻脈沖調制,再通過(guò)可編程延時(shí)器件對脈沖進(jìn)一步時(shí)延控制,最后通過(guò)超寬帶天線(xiàn)發(fā)射出去。在接收端,信號通過(guò)相關(guān)器與本地模板波形相乘,積分后通過(guò)抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中,由捕獲跟蹤部分、時(shí)鐘振蕩器和(跳時(shí))碼產(chǎn)生器控制可編程延時(shí)器,根據相應的時(shí)延產(chǎn)生本地模板波形,與接收信號相乘。整個(gè)收發(fā)信機幾乎全部由數字電路構成,便于降低成本和小型化。

圖3 UWB 信號發(fā)射機及相關(guān)接收機原理

2.2 Rake接收機模型
　　由于UWB信號需要用時(shí)域的方法進(jìn)行分析,多用于戶(hù)內密集多徑(多徑可達到30條)的條件下,而且每條路徑的信號能量都很小,難以對每條信道做出估計,所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來(lái)能量很小的多徑信號經(jīng)過(guò)能量合并后提高的信噪比提高系統性能。假設某UWB通信系統有個(gè)用戶(hù),其發(fā)射信號分別為某接收機接收到的信號為,如果想得到第一個(gè)用戶(hù)發(fā)送的數據,那么其Rake接收機的實(shí)現框圖如圖4所示。

圖4 UWB信號的Rake接收機原理

3 UWB與其他幾種無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)的比較
　　由于UWB技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn),使其成為無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò )WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技術(shù)之一。WPAN的目標是用無(wú)線(xiàn)電或紅外線(xiàn)代替傳統的有線(xiàn)電纜,以低價(jià)格和低功耗在10m范圍內實(shí)現個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián),組建個(gè)人化信息網(wǎng)絡(luò )。其最普遍的應用是連接電腦、打印機、無(wú)繩電話(huà)、PDA以及信息家電等設備。目前實(shí)現WPAN的主要技術(shù)有:IEEE802.11b(Wi-Fi)、Home RF、IrDA、藍牙(Bluetooth)以及超寬帶等五種。
　　從圖5可以看出UWB技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯,主要不足是發(fā)射功率過(guò)小限制了其傳輸距離(如圖6所示)。也就是說(shuō),10m以?xún)?UWB可以發(fā)揮出高達數百Mbps的傳輸性能,對于遠距離應用IEEE802.11b或Home RF無(wú)線(xiàn)PAN的性能將強于UWB。UWB和同為熱門(mén)的IEEE802.11b以及Home RF不會(huì )進(jìn)行直接競爭,因為UWB更多地是應用于10m左右距離的室內。事實(shí)上,把UWB看作藍牙技術(shù)的替代者可能更為適合,因后者傳輸速率遠不及前者,另外藍牙技術(shù)的協(xié)議也較為復雜。

圖5 UWB與藍牙、IEEE 802.11空間容量

圖6 FCC對UWB功率譜密度的規定

4 國內外研究及發(fā)展情況
4.1 國外研究現狀
　　軍用方面:早在1965年,美國就確立了UWB的技術(shù)基礎。在后來(lái)的二十年內,UWB技術(shù)主要用于美國的軍事應用,其研究機構僅限于與軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)以及研究機關(guān)、團體。目前,美國國防部正開(kāi)發(fā)幾十種UWB系統,包括戰場(chǎng)防竊聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )等。
　　民用方面:由于超寬帶技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)使其在無(wú)線(xiàn)通信方面具有很大的潛力,近幾年來(lái)國外對UWB信號應用的研究比較熱門(mén),主要用于通信(如家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò ),公路信息服務(wù)系統和無(wú)線(xiàn)音頻、數據和視頻分發(fā)等)、雷達(如車(chē)輛及航空器碰撞/故障避免,入侵檢測和探地雷達等)以及精確定位(如資產(chǎn)跟蹤、人員定位等)。索尼、時(shí)域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒－克萊斯勒等高技術(shù)公司都已涉足UWB技術(shù)的開(kāi)發(fā),將各種消費類(lèi)電子設備以很高的數據傳輸率相連,以滿(mǎn)足消費者對短距離無(wú)線(xiàn)通信小型化、低成本、低功率、高速數據傳輸等要求。
　　國際學(xué)術(shù)界對超寬帶無(wú)線(xiàn)通信的研究也越來(lái)越深入。2002年5月20～23日,IEEE舉辦了一期會(huì )議,專(zhuān)門(mén)討論UWB技術(shù)及其應用。2002年2月14日,美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)正式通過(guò)了將UWB技術(shù)應用于民用的議案,定義了三種UWB系統:成像系統、通信與測量系統、車(chē)載雷達系統,并對三種系統的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規定。但是,UWB技術(shù)的協(xié)議與標準尚未確定,目前,只有美國允許民用UWB器件的使用;而歐洲正在討論UWB的進(jìn)一步使用情況,并觀(guān)望美國的UWB標準。
4.2 國內研究現狀
　　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。但是國內目前關(guān)于UWB技術(shù)的深入研究?jì)H限于雷達方面,關(guān)于UWB通信系統的研究還沒(méi)有形成規模。
參考文獻
1 M. Z. Win, R.A. Scholtz. Impulse Radio: How it Works. IEEE Communications Letters, Feb.   1998
2 R. A. Scholtz. Multiple Access With Time-hopping Impulse Modulation. in Proc. MILCOM, Oct.   1993: 447～450
3 Win, M.Z., Scholtz, R.A. Ultra-wide Bandwidth Time-hop-ping Spread-spectrum Impulse Radio   for Wireless Multiple-access Communications. IEEE. Transactions on Communica-tions. Volume:   48 Issue: 4, April 2000:679～689
4 Dr. Robert J. Fontana. Ultra Wideband Technology-The Wave of the Future?
5 P. II Withington and L. W. Fullerton. An Impulse Radio Communication System. In Proceedings   of the International Conference on Ultra-Wide band,Short-Pulse Electromagnetics,NY, USA,   Oct. 1992:113～120