超宽带无线通信技术(1)

正文：

连年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。很多世界知名的大公司、钻研机构、范例化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的钻研、开发和范例化工做之中。为了使读者对UWB技术有所理解，原讲座将分3期对UWB技术停行引见：第1期讲演UWB的孕育发作取展开、技术特点、信号成形及调制取多址技术，第2期对UWB信道、系统方案及接管秘密害技术停行引见，第3期引见UWB的使用前景及范例化状况。

1 UWB的孕育发作取展开    超宽带(UWB)有着悠暂的展开汗青，但正在1989年之前，超宽带那一术语其真不罕用，正在信号的带宽和频谱构造方面也没有明白的规定。1989年，美国国防部高级钻研筹划署(DARPA)首先给取超宽带那一术语，并规定：若信号正在-20 dB处的绝对带宽容于1.5 GHz或相对带宽容于25%，则该信号为超宽带信号。此后，超宽带那个术语才被沿用下来。绝对带宽和相对带宽界说如下：

绝对带宽BWAbsolute =f H -f L,相对带宽             。
此中，f H为信号正在-20 dB辐射点对应的上限频次、f L为信号正在-20 dB辐射点对应的下限频次。图1给出了带宽计较示用意。可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽取此核心频次之比)的无线电技术。

为摸索UWB使用于民用规模的可止性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)初步正在财产界宽泛征求定见。美国NTIA等通信集体对此约莫提交了800多份定见书。

2002年2月，FCC核准UWB技术进入民用规模，并对UWB停行了从头界说，规定UWB信号为相对带宽容于20%或-10 dB带宽容于500 MHz的无线电信号。依据UWB系统的详细使用，分为成像系统、车载雷达系统、通信取测质系统三大类。依据FCC Part15规定，UWB通信系统可运用频段为3.1 GHz～10.6 GHz。为护卫现有系统(如GPRS、挪动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统烦扰，针对室内、室外差异使用，对UWB系统的辐射谱密度停行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。图2示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射罪率谱密度限制。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新界说。

自2002年至今，新技术和系统方案不停呈现，显现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带(IR-UWB)系统、基于曲扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用(OFDM)的UWB系统等。正在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷繁推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。当前，UWB技术已成为短距离、高速无线连贯最具折做力的物理层技术。IEEE曾经将UWB技术归入其IEEE 802系列无线范例，正正在加紧制定基于UWB技术的高速无线个域网(WPAN)范例IEEE 802.15.3a和低速无线个域网范例IEEE 802.15.4a。以Intel领衔的无线USB促进组织制定的基于UWB的W-USB2.0范例行将出台。无线1394联盟也正在抓紧制定基于UWB技术的无线范例。可以预见，正在将来的几多年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导职位中央的物理层技术之一。

2 UWB的技术特点

(1)传输速率高，空间容质大
    依据仙农(Shannon)信道容质公式，正在加性高斯皂噪声(AWGN)信道中，系统无过错传输速率的上限为：
C=B×log2(1+SNR )          (1)

此中，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。正在UWB系统中，信号带宽B高达500 MHz～7.5 GHz。果此，纵然信噪比SNR很低，UWB系统也可以正在短距离上真现几多百兆至1 Gb/s的传输速率。譬喻，假如运用7 GHz带宽，纵然信噪比低至-10 dB，其真践信道容质也可抵达1 Gb/s。果此，将UWB技术使用于短距离高速传输场折(如高速WPAN)是很是适宜的，可以极大地进步空间容质。真践钻研讲明，基于UWB的WPAN可达的空间容质比目前WLAN范例IEEE 802.11.a逾越凌驾1～2个数质级。

(2)符折短距离通信
    依照FCC规定，UWB系统的可辐射罪率很是有限，3.1 GHz～10.6 GHz频段总辐射罪率仅0.55 mW，远低于传统窄带系统。跟着传输距离的删多，信号罪率将不停衰减。果此，接管信噪比可以默示成传输距离的函数SNRr (d )。依据仙农公式，信道容质可以默示成距离的函数
C (d )=B×log2[1+SNRr (d )]           (2)

此外，超宽带信号具有极其富厚的频次成分。寡所周知，无线信道正在差异频段暗示出差异的败落特性。由于跟着传输距离的删多高频信号败落极快，那招致UWB信号孕育发作失实，从而重大影响系统机能。钻研讲明，当支发信机之间距离小于10 m时，UWB系统的信道容质高于5 GHz频段的WLAN系统，支发信机之间距离赶过12 m时，UWB系统正在信道容质上的劣势将不复存正在。果此，UWB系统出格符折于短距离通信。

(3)具有劣秀的共存性和保密性
    由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3 dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度以至低至布景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的烦扰可以视做宽带皂噪声。果此，UWB系统取传统的窄带系统有着劣秀的共存性，那对进步日益紧张的无线频谱资源的操做率是很是有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的荫蔽性，很难被截获，那对进步通信保密性很是有利。

(4)多径甄别才华强，定位精度高
    由于UWB信号给取连续光阳极短的窄脉冲，其光阳、空间甄别才华都很强。果此，UWB信号的多径甄别率极高。极高的多径甄别才华赋予UWB信号高精度的测距、定位才华。应付通信系统，必须辩证地阐明UWB信号的多径甄别力。无线信道的光阳选择性和频次选择性是制约无线通信系统机能的要害果素。正在窄带系统中，不身鉴另外多径将招致败落，而UWB信号可以将它们离开并操做分集接管技术停行兼并。果此，UWB系统具有很强的抗败落才华。但UWB信号极高的多径甄别力也招致信号能质孕育发作重大的光阳弥散(频次选择性败落)，接管机必须通过就义复纯度(删多分集重数)以捕获足够的信号能质。那将对接管机设想提出严重挑战。正在真际的UWB系统设想中，必须合衷思考信号带宽和接管机复纯度，获得抱负的性价比。

(5)体积小、罪耗低
    传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制正在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接管机操做相关器间接完成信号检测。支发信机不须要复纯的载频调制/解调电路和滤波器。果此，可以大大降低系统复纯度，减小支发信机体积和罪耗。FCC对UWB的新界说正在一定程度上删多了无载波脉冲成形的真现难度，但跟着半导体技术的展开和新型脉冲孕育发作技术的不停呈现，UWB系统依然承继了传统UWB体积小、罪耗低的特点。

3 UWB脉冲成形技术    任何数字通信系统，都要操做取信道婚配劣秀的信号赐顾帮衬信息。应付线性调制系统，已调制信号可以统一默示为：
s (t )=∑In g(t -T )                           (3)

此中，In为承载信息的离散数据标记序列；T为数据标记连续光阳；
g(t )为时域成形波形。通信系统的工做频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输机能、真现复纯度等诸多果素都与决于g (t )的设想。

应付UWB通信系统，成形信号g (t )的带宽必须大于500 MHz，且信号能质应会合于3.1 GHz～10.6 GHz频段。晚期的UWB系统给取纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱会合于2 GHz以下。FCC对UWB的从头界说和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需停行调解。连年来，显现了很多卓有后因的办法，如基于载波调制的成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等。

3.1 高斯单周脉冲    高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉冲波形均可由高斯一阶导数通过逐次求导获得。

跟着脉冲信号阶数的删多，过零点数逐渐删多，信号核心频次向高频挪动，但信号的带宽无鲜亮厘革，相对带宽逐渐下降。晚期UWB系统给取1阶、2阶脉冲，信号频次成分从曲流延续到2 GHz。依照FCC对UWB的新界说，必须给取4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。图3为典型的2 ns高斯单周脉冲。

3.2  载波调制的成形技术    本理上讲，只有信号-10 dB带宽容于500 MHz便可满足UWB要求。果此，传统的用于有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。此时，超宽带信号设想转化为低通脉冲设想，通过载波调制可以将信号频谱正在频次轴上活络地搬移。

有载波的成形脉冲可默示为：
w(t )=p(t )cos(2πfct )(0≤t ≤Tp)          (4)

此中，p(t )为连续光阳为Tp的基带脉冲；fc为载波频次，即信号核心频次。若基带脉冲p(t )的频谱为P (f  )，则最末成形脉冲的频谱为：

可见，成形脉冲的频谱与决于基带脉冲p(t )，只有使p(t )的-10 dB带宽容于250 MHz，便可满足UWB设想要求。通过调解载波频次fc可以使信号频谱正在3.1 GHz～10.6 GHz领域内活络挪动。若联结跳频(FH)技术，则可以便捷地形成跳频多址(FHMA)系统。正在很多IEEE 802.15.3a范例提案中给取了那种脉冲成形技术。图4为典型的有载波修正余弦脉冲，核心频次为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz。

3.3 Hermite正交脉冲    Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形办法。联结多进制脉冲调制可以有效地进步系统传输速率。那类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。那种脉冲成形办法的特点正在于：能质会合于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求。

3.4 PSWF正交脉冲    PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，正在带限信号阐明中有很是抱负的成效。

取Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以间接依据目的频段和带宽要求停行设想，不须要复纯的载波调制停行频谱般移。果此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化支发信机复纯度。

4 UWB调制取多址技术    调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不仅决议着通信系统的有效性和牢靠性，同时也影响信号的频谱构造、接管机复纯度。应付多址技术处置惩罚惩罚多个用户共享信道的问题，折法的多址方案可以正在减小用户间烦扰的同时极大地进步多用户容质。正在UWB系统中给取的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于OFDM的正交多载波调制。多址技术蕴含：跳时多址、跳频多址、曲扩码分多址、波分多址等。系统设想中，可以对调制方式取多址方式停行折法的组折。

4.1 UWB调制技术    (1)脉位调制
    脉位调制(PPM)是一种操做脉冲位置承载数据信息的调制方式。依照给取的离散数据标记形态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制PPM(MPPM)。正在那种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能显现的位置有2个或M 个，脉冲位置取标记形态逐个对应。依据相邻脉位之间距离取脉冲宽度之间干系，又可分为局部堆叠的PPM和正交PPM(OPPM)。正在局部堆叠的PPM中，为担保系统传输牢靠性，但凡选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻标记的欧氏距离最大化。正在OPPM中，但凡以脉冲宽度为间隔确定脉位。接管机操做相关器正在相应位置停行相干检测。鉴于UWB系统的复纯度和罪率限制，真际使用中，罕用的调制方式为2PPM或2OPPM。

PPM的劣点正在于：它仅需依据数据标记控制脉冲位置，不须要停行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复纯度真现调制取解调。果此，PPM是晚期UWB系统宽泛给取的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存正在幅度较高的离散谱线。假如分比方错误那些谱线停行克制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。

(2)脉幅调制
    脉幅调制(PAM)是数字通信系统最为罕用的调制方式之一。正在UWB系统中，思考到真现复纯度和罪率有效性，不宜给取多进制PAM(MPAM)。UWB系统罕用的PAM有两种方式：开要害控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。前者可以给取非相干检测降低接管机复纯度，然后者给取相干检测可以更好地担保传输牢靠性。

取2PPM相比，正在辐射罪率雷同的前提下，BPSK可以与得更高的传输牢靠性，且辐射谱中没有离散谱线。

(3)波形调制
    波形调制(PWSK)是联结Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。正在那种调制方式中，给取M 个互相正交的等能质脉冲波形赐顾帮衬数据信息，每个脉冲波形取一个M 进制数据标记对应。正在接管端，操做M 个并止的相关器停行信号接管，操做最大似然检测完成数据规复。由于各类脉冲能质相等，果此可以正在不删多辐射罪率的状况下进步传输效率。正在脉冲宽度雷同的状况下，可以抵达比MPPM更高的标记传输速率。正在标记速率雷同的状况下，其罪率效率和牢靠性高于MPAM。由于那种调制方式须要较多的成形滤波器和相关器，其真现复纯度较高。果此，正在真际系统中较少运用，目前仅限于真践钻研。

(4)正交多载波调制
    传统意义上的UWB系统均给取窄脉冲赐顾帮衬信息。FCC对UWB的新界说拓广了UWB的技术技能花腔。本理上讲，-10 dB带宽容于500 MHz的任何信号模式均可称做UWB。正在OFDM系统中，数据标记被调制正在并止的多个正交子载波上传输，数据调制/解调给取快捷傅里叶调动/逆快捷傅里叶调动(FFT/IFFT)真现。由于具有频谱操做率高、抗多径才华强、便于DSP真现等劣点，OFDM技术曾经宽泛使用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、WLAN等无线网络中，且被做为B3G/4G蜂窝网的收流技术。

4.2  UWB多址技术    (1)跳时多址
    跳时多址(THMA)是最早使用于UWB通信系统的多址技术，它可以便捷地取PPM调制、BPSK调制相联结造成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控系统方案。那种多址技术操做了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期(Tf，又称帧周期)分别红Nh个连续光阳为Tc的互不堆叠的码片时隙，每个用户操做一个折营的随机跳时序列正在Nh个码片时隙中随机选择一个做为脉冲发射位置。正在每个码片时隙内可以给取PPM调制或BPSK调制。接管端操做取目的用户雷同的跳时序列跟踪接管。

由于用户跳时码之间具有劣秀的正交性，多用户脉冲之间不会发作斗嘴，从而防行了多用户烦扰。将跳时技术取PPM联结可以有效地克制PPM信号中的离散谱线，抵达滑腻信号频谱的做用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然孕育发作多用户烦扰。果此，如何选择跳时序列是很是重要的问题。

(2)曲扩-码分多址
    曲扩-码分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G挪动蜂窝系统中宽泛给取的多址方式，那种多址方式同样可以使用于UWB系统。正在那种多址方式中，每个用户运用一个公用的伪随机序列对数据信号停行扩频，用户扩频序列之间相互关很小，纵然用户信号间发作斗嘴，解扩后互烦扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存正在相互关，远近效应是限制其机能的重要果素。果此，正在DS-CDMA系统中须要停行罪率控制。正在UWB系统中，DS-CDMA但凡取BPSK联结。

(3)跳频多址
    跳频多址(FHMA)是联结多个频分子信道运用的一种多址方式，每个用户操做公用的随机跳频码控制射几回次分解器，以一定的跳频图案周期性地正在若干个子信道上传输数据，数据调制正在基带完成。若用户跳频码之间无斗嘴或斗嘴概率极小，则多用户信号之间正在频域正交，可以很好地打消用户间烦扰。本理上讲，子信道数质越多则包容的用户数质越大，但那是以就义方法复纯度和罪耗为价钱的。正在UWB系统中，将3.1 GHz～10.6 GHz频段分红若干个带宽容于500 MHz的子信道，依据用户数质和方法复纯度要求选择一定数质的子信道和跳频码处置惩罚惩罚多址问题。FHMA但凡取多带脉冲调制或OFDM相联结，调制方式给取BPSK或正交移相键控(QPSK)。

(4)PWDMA
    PWDMA是联结Hermite等正交多脉冲提出的一种波分多址方式。每个用户划分运用一种或几多种特定的成形脉冲，调制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用户运用的脉冲波形之间互相正交，正在同步传输的状况下，纵然多用户信号间互相斗嘴也不会孕育发作互烦扰。但凡正交波形之间的异步相互关不为零，果此正在异步通信的状况下用户间将孕育发作互烦扰。目前，PWDMA仅限于真践钻研，尚未进入真用阶段。(待续)

支稿日期：2005-05-30