超宽带无线通信技术(投稿)

超宽带无线通信技术赵行之摘要：从超宽带UWB技术的基本概念、性能特点、调制方法、信道特点和硬件系统进行了简单介绍和分析，并展望了超宽带技术的技术难点和应用前景。关键词：UWB，调制技术，信道，硬件系统一、引言早在1950年就开始了对UWB技术的研究，1960年将其应用于雷达侦测与无线通讯，随后美国加州大学通信科学研究所于1993年论证了采用冲激脉冲进行跳时调制的多址技术，从而开辟了冲激作为无线通信信息载体新途径。1988年美国FCC开始制定民用超宽带无线通信技术开放频谱的法规，由此引发了超宽带通信研究热。UWB是一种可以为无线局域网LAN、个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。它解决了困扰无线技术多年的重大难题，开发了一个发射信号功率谱密度低、不易被截获、复杂度不高等众多优点的传输技术。二、超宽带定义超宽带的定义经历了以下几个阶段：1989年前，超宽带信号主要是通过发射极短脉冲获得，脉冲的形状接近高斯脉冲。图1描述了一个二阶高斯脉冲的时域波形及其频谱。从时域波形中可以看出，整个信号的宽度非常窄，大约只有0.7ns左右，相应地，信号的频谱则非常宽，其功率谱密度在从500MHz到4000MHz的频带内都比较平坦。1990年3月在美国新墨西哥州的LosAlamos国家实验室召开的超宽带雷达会议上提出了”超宽带（UWB）雷达”的概念。超宽带雷达是一种新体制的雷达，它定义为：分数带宽（FBW:FractionalBandwidth）大于25％的雷达为超宽带雷达，lhlhffffFBW2，（1）式中fL和fH由能量带宽（BE）定义给出。BE是一个频率范围，在这个频率范围内占有信号总能量的90％或95％,该频率范围的上限频率用fH表示，fL是下限频率。三、超宽带性能特点超宽带有别于其它现存的一些通信技术，其最根本的区别在于无需载波，降低了发射和接收设备的复杂性，从根本上降低了通信的成本。与其它通信技术相比，UWB系统具有很多优点：1．频谱利用率高。因为不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激脉冲序列，因而UWB系统具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其它系统共存，从而提高频谱利用率。2．系统结构简单。由于系统不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积小，系统结构比较简单。信号的处理也比较简单，只需要使用很少的射频或微波器件；射频设计简单。3．成本低。将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上精确定时部分和控制器，就可以构成一部UWB系统通信设备，因此其成本低。4．系统安全性能好。由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其它信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增强了系统的安全性。5．抗多径衰落能力强。使用无载波脉冲信号的一个突出优点就是可以减小多径效应的影响。传统窄带系统很容易受由于瑞利衰减造成的多径效应的影响。多径效应在传播路径上由于多次反射造成延迟的多个信号都被接收天线接收。这些信号之间有一定的相位差，在接收端叠加之后会对有用信号产生影响。当直接到达信号比延迟之后信号功率要低时，多径效应的影响就尤为严重。而脉冲通信系统由于本身的特性就可以抵抗多径效应的影响。经过反射和时延而到达接收端的脉冲信号不在时域调制脉冲相应的接收时间上，这时接收端的取样门呈关闭状态，因此干扰信号不会对系统性能造成影响。6．系统容量大。UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB系统发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其它的无线技术都高。7．发射功率低。由于UWB系统信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mW的发射功率实现几公里内的通信。如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用UWB系统的手机其待机时间可达6个月；而且其低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。四、超宽带调制技术实现UWB的一种方案是时跳脉冲无线电（TH-IR），此方案的UWB系统基于类似雷达系统的设计，产生极窄脉冲（大约1ns左右）的信号源是此UWB提案的最基本的前提条件。脉冲由专用宽带天线以几十兆赫兹及至几百兆赫兹的高速率发射，为了避免多用户干扰，这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔分布，进而在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。用户要传输的信息和表示该用户地址的伪随机码分别或合成后对上述周期脉冲序列进行一定方式的调制，如脉冲位置调制（PPM）、脉冲幅度调制（PAM）等。调制后的脉冲序列驱动脉冲产生电路，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后耦合到超宽带天线发射出去。FIG24.1TH-PAM这种方式下，发送的数据采用PAM调制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制，脉冲的发送时刻受伪随机序列控制。)k(jC为第K个用户PN码的第j个码元，其取值范围为{0，hN-1},伪码周期为pN。则第K个用户的信号波形为：)TccjTt(wd)t(Skjfj)k(][j/N(k)S（2）其中jd是信息序列，fT是脉冲重复周期，[]表示取整符号，上标k为用户索引，cT表示跳时序列所控制的脉冲时延，数据符号周期fsSTNT。由上式可知，一个数据符号在持续时间上发射sN个脉冲，当sN=1时，则一个符号只发射一个脉冲。4.2TH-PPM跳时脉冲位置调制TH-PPM的信号波形为：)d-TccjTt(w)t(S)k(][j/Nkjfj(k)S（3）TH-PPM仍然是SN个单周期脉冲传送一个二进制信息符号，脉冲的发送时刻由跳时序列与待传送的数据信息共同控制。4.3DS-UWB、这种方式下，发送的数据经伪随机序列扩频后再用BPSK调制，其信号波形为：)jTct(wcd)t(Sj(k)j)k(][j/N(k)S（4）这种情况下码片持续时间cT等于侦持续时间fT。五、超宽带信道特点经研究表明，UWB信道不同于一般的无线衰落信道。这种明显的区别主要体现在三个方面：1．新的多径分量幅度统计规律。传统上一般用Rayleigh分布来描述单个多径分量幅度的统计特性，前提是每个分量可以视为多个同时到达的路径合成。但UWB信道中可分离的不同多径到达时间之差可短至纳秒级，在典型的室内环境下，每个多径分量包含的路径数目很可能只有2到3条，显然已经不符合Rayleigh分布或Rice分布的假定。2．复杂的频率行为。由于超宽带脉冲信号源覆盖了数个GHz的频率范围，它所经历的频率选择性衰落要比一般窄带信号远为严重。从时域上看，会导致接收波形严重失真。3．对周围环境极为敏感。室内环境物体的尺寸已经和UWB信号的波长在同一个数量级，或者稍长，这将导致室内环境中电磁波极易发生散射，产生数量庞大的回波，这也是UWB信道之所以被称为密集多径信道的原因。研究UWB无线信道的传播特征，主要是研究路径传输损耗特性和多径传播特性。目前-K模型、S-V模型等较好体现UWB信道特征，但到目前为止还没有一个得到IEEE等机构公认的模型。六、UWB硬件系统目前为止，UWB的基本部件包括：脉冲串发生器、脉冲串调制器、开关脉冲串发生器、检测接收机、上升沿检测器、单稳态多频振荡检测器、相关检测器、信号积分器、同步检测器和宽带天线等。同传统结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，图三给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中，信息可被不同技术调制，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过相关接收后处理，再经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接收机来说，实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，制造成本低，而且UWB接收机可全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。脉冲发生器可编程延时控制时钟跳时码发生器调制数据源取样和保持信号处理数据宿跳时码发生器T0发射机脉冲发生器可编程延时控制时钟接收机相关器跟踪获取FIG3七、未来的研究课题关于UWB无线通信技术，许多研究仅仅停留于理论层次，实际系统能否采用还需要业界人士的共同努力。在UWB无线通信巨大吸引力的背后，还隐藏着许多新课题，这将是UWB未来研究的方向。其中包括：1超宽带天线技术。在UWB通信系统中，天线是一种脉冲成形滤波器，一定形状的短脉冲从信号源产生并馈入天线后，要求天线能无失真的将脉冲波形辐射出去，UWB信号频带内任何一个频率的失真都将导致发射脉冲的形状失真。2窄脉冲产生技术。窄脉冲产生是UWB通信系统的关键技术，脉冲产生电路的基本原理是利用各种高速器件等效成开关，从而利用储能元件冲放电得到短持续时间的信号，再经过网络整形形成满足要求的波形。3研究用于超宽带无线电的跳时码的设计。跳时码序列的快速同步捕获与跟踪，应用于超宽带无线电的跳时码设计具有其特殊性，同时，超短脉冲使得同步捕获与跟踪更加困难。4研究适用于超宽带无线通信系统的调制、解调技术及数字编解码技术。5研究超宽带ad-hoc无线通信网络；研究基于UWB的无线IP协议；研究基于UWB的ad-hoc网络节点的多跳转发功能，提高小区边缘的数据传输率及接入率。参考文献：[1]DanielsD.J,WheelerP.SpreadSpectrumTechniquesandApplicationsProceedings,1996;IEEE4thInternationalSymposiumonVolume1,22-25Sept1996,vol.1pp171-175[2]FederalCommunicationsCommission,”RevisionofPart15ofthecommission’srulesregardingultra-widebandtransmissionsystems,FIRSTREPORTANDORDER,”ETDocket98-153,FCC02-48,pp1-148,Febuary142002[3]曾凯，章坚，扈罗全。UWB无线通信中的关键技术。电视技术，2004年第9期[4]邹卫霞，周正。超宽带无线通信技术简介。世界电子元器件。2005年01期作者：赵行之，任武题目名称：超宽带无线通信技术称呼：赵先生单位：北京理工大学电子工程系北京理工大学电子工程系2003级研究生2班（邮编：100081）题号：16电话：[phone]手机：[phone]电子邮件：[e-mail]