超宽带无线通信技术概述

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引言
　　超宽带(UWB)的出现与下列名词相联系，即脉冲、无载波、基带、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号，在此，以UWB来统一表示。上世纪60年代已经出现了有关UWB的发射机和接收机的设计技术，同时UWB在通信和雷达中也得到了应用。此后，UWB技术不断得到发展，到70年代，有关UWB在通信和雷达应用中的全部体系概念都已经建立起来，但对UWB这个名称的真正引入还是在上世纪80年代。后来，到了90年代，因设备制造技术的进步，出现了第一个UWB商用系统，目前所做的工作都是对这一系统的具体实现，使得UWB的基本构成和具体细节及实现方法等都取得了一定的进展，进一步促进了UWB的实用化进程。
　　用于军事雷达和灾害救援搜索等方面的UWB无线系统在国外早已得到实用，如今，由于UWB无线通信所具有的独特的性能和近年来微电子技术及器件水平的不断提高，UWB在低费用的中短距离无线通信应用中越来越具有吸引力，尤其是满足日益增长的有线上网是研究短距离无线技术的一大驱动力。UWB技术是一种低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不
　　敏感，截获能力(LPI/D)低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。目前国外公司正在进一步研究将UWB技术应用于高速无线通信领域的潜在优势和所要解决的问题。本文首先介绍UWB中的主要技术，最后归纳了它的性能特点及其局限性。
　　2 UWB系统的关键技术
　　UWB的名称来源于可在非常宽的带宽，即超宽带的带宽上传输信号。所谓超宽带的带宽，按美国联邦通信委员会(FCC)的定义，即是：比中心频率高25%或者是大于1.5 GHz的带宽。举个例子来说，对于一个中心频率在4 GHz的信号将跨越从3.5 GHz(或更低)至4.5GHz(或更高)的范围才能称得上是一个UWB信号，如图1所示。UWB无线系统的关键技术主要包括：产生脉冲信号串(发送源)的方法，脉冲串的调制方法，适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。
　　

　　2.1 UWB脉冲信号的产生
　　从本质上讲，产生极短脉冲宽度(ns级)的信号源是研究UWB技术基本的前提条件，例如单个无载波窄脉冲信号，有两个突出的特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短脉冲;二是激励信号包括很宽的频谱，从直流(DC)到微波波段。目前产生脉冲源的方法有两类：
　　(1)光电方法，基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿，所以得到的脉冲宽度可达到ps(10-12)量级。另外，由于光导开关是采用集成方法制成的，可以获得很好的一致性，因此是最有发展前景的一种方法。
　　(2)电子方法，基本原理是对半导体PN结反向加电，使其达到雪崩状态，并在导通的瞬间，取陡峭的上升沿作为脉冲信号。这种方案目前应用得最广泛，缺点是：由于采用电脉冲信号作为触发，其前沿较宽，触发精度受到限制，特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合，达不到控制的精度。另外，由于受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，当然，脉冲宽度还可以达1 ns以下。典型的UWB脉冲信号时域波形和频域波形如图2所示。
　　

　　

　　从图2可见，冲激脉冲通常采用高斯单周期脉冲，宽度在ns级，具有很宽的频谱。实际通信中使用的是一长串的脉冲，由于时域中的信号有重复周期性，将会造成频谱离散化，对传统无线电设备和信号产生干扰，需要通过适当的信号调整来降低这种干扰的影响。
　　2.1 信息的调制
　　脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是超宽带无线电的两种主要调制方式。PPM又称时间调制(TM)，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某一标准或特定的时刻来表示某个特定信息的，因此对调制信号需要在接收端用匹配滤波的技术来正确接收，即对调制信息用交叉相关器在达到零相差的时候进行检测，否则，达不到正确接收的目的。而PAM是用信息符号控制脉冲幅度的一种调制方式。
　　在UWB系统中，采用跳时脉冲位置调制(TMPAM)对长脉冲序列进行调制时，每一用户的下一块信息将在时间上随机分布，可在频域内得到更为平坦的RF信号功率分布，这使得UWB信号在频域中类似于背景噪声。UWB系统中一种典型的由伪随机序列控制的跳时信号如图3所示。
　　

　　发射机在由伪随机序列确定的时间帧上发送一个单周期脉冲，通常单周期脉冲信号的100倍为随机出现的脉冲持续时间，其位置由PN码来确定。伪随机序列控制的跳时扩频与一般的扩频波形(直接序列扩频或跳频扩频)不同，UWB波形的扩频带宽是直接产生的，即单个比特未经扩频序列由PN码调制，本质上是时域的概念。
　　2.3 天线
　　能够有效辐射时 域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。作为UWB天线，应该保证能够达到这样的要求：
　　(1)天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去和不引起脉冲特性的改变或下降。
　　(2)天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致。
　　对于时域短脉冲辐射技术，国内外早期均采用双锥天线及其演变的V-锥天线和扇形偶极子天线。因这几种天线均存在着馈电难，辐射效率低，收发耦合强和无法测量时域目标特性等缺陷，只能用于单收发。随着微波集成电路的发展，利用集成电路方式进行馈电，所研制出的超宽带平面槽天线，能够产生对称波束和利用平衡超宽带馈电，因而具有超宽带的特性。又由于利用光刻技术所做的天线对较高频率没有限制，因而可以将毫米亚毫米波段应用于集成接收机。
　　2.4 收发机
　　与传统的无线收发信机的结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，但可以得到相同的性能。例如传统的无线收发信机大多采用超外差式结构，而UWB收发信机采用零差结构就可得到相同的性能，实现起来也十分简单， 无需本振、功放、压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、混频器等环节，如图4所示。
　　

　　这里UWB系统的一大优点是，使用了现代数字无线技术常用数字信号处理芯片(DSP)(软件无线电)来产生不同的调制方式，因此可以逐步降低信息速率，在更大的范围内连接用户。在接收端，天线收集的信号能量经过放大后，通过匹配滤波或相关的接收机进行处理，再经高增益门限电路恢复原来的信息。当距离增加时，可以由发端用几个脉冲发送同一信息比特的方式，增加接收机的信噪比，同时可以通过软件的控制，动态地调整数据速率、功耗与距离的关系，使UWB有极大的灵活性，这种灵活性正是功率受限未来移动计算所必须的。
　　3 UWB无线通信的性能特点及局限性
　　3.1 UWB无线通信的主要优点
　　通过以上分析，可以概括出UWB无线通信的主要优点有以下方面：
　　(1)从工程的角度看，UWB远比其它无线技术简单，UWB可以集成在一块相对低廉的芯片中，与蜂窝电话和民用波段设备的发射功率相比，UWB仅需要毫瓦级的发送功率，是现有无线系统的1/10～1/100。因此使用UWB产品的制造成本和售价比现有的无线系统要低得多。
　　(2)一般来说在UWB无线系统中多径不是主要的问题，其GHz级的带宽对应ns级的解析度，使多径信号能在时间上进行分离，再加上采用RAKE接收机结合时间分集，可以充分地利用发射信号的能量，因此多径效应对现有窄带系统性能的限制，在某种程度上对UWB有所减轻。
　　(3)可以有很高的数据传输速率。UWB可以在5 m～10 m的范围内提供100 Mbit/s的数据速率，即使是“802.11”无网络技术(54 Mbit/s)和低能耗的蓝牙技术(70 Mbit/s)也远不能与UWB相比。同时UWB的空间容量也远大于传统的无线技术。
　　(4)UWB是一种安全的通信方式，这是因为理想的冲激脉冲在频域上可以将信号能量从直流(DC)扩展到接近光波的频域，但在实际中并不能产生一个宽度为0的脉冲，而对于UWB来说，一个极窄的脉冲信号能量就能在频域上跨越相当大的范围。发射信号在这样大的频段范围内平均发布，被淹没在环境噪声之中，是很难被检测到的。
　　(4)UWB有较高的穿透力，其ns级的高速脉冲可以穿透墙壁和其它物体，可以起到与雷达相同的作用。因此，UWB除应用于通信领域外，还兼有定位、车辆防撞、测距、透视等功能，且这些功能均可集于一体。
　　3.2 UWB无线通信的局限性
　　(1)影响UWB使用的一个非常实际的问题就是干扰的问题。这里有两个方面：
　　a. UWB对其它无线系统的干扰。直到目前为止，UWB用非常宽的带宽来收发无线电信号，而实际上并不存在如此宽的空闲频带，总要有部分频带与现有无线系统，如航空、军事、安全、天文等领域的无线系统使用的频带相重叠，甚至会对GPS等其它窄带无线通信形成干扰。因此，在目前UWB只能得到有限的应用，可以说UWB是一种以共享其他无线通信频带为前提的通信技术，其对窄带系统潜在或严重的干扰仍在研究之中。
　　b.UWB受其它无线系统的干扰。如果UWB信号低于传统超外差式接收机的门限值成立的话，那么传统发射机发射的窄带信号也会大于UWB接收机的门限值，因此在UWB接收机的频带内，就极易受到传统窄带通信机的干扰，其匹配滤波器的精度、超宽带的天线等也都不易得到满足。
　　(2)其它方面的局限性。
　　a. 由于脉冲持续时间短，要作为相关检测接收脉冲就需要精确的定时。另外，来自板载的微控制器产生的噪声也是一个严重的问题，因为如果是传统的收发信 机，只要抑制带外噪声就可以了，而对于UWB来说，是不可行的。
　　b.从本质上讲，UWB可以用更窄的脉冲(得到高信号/符号率)去换取其它两个可变的参量，即带宽(变宽)和信噪比(S/N〈减少〉)。但要使用更大的带宽却需要得到批准，同时信号在高带宽上会平均降低S/N，导致信号/符号率和信道容量(数据速率)的下降。如果UWB的目标是得到高信道容量或高速数据速率，那么可以通过将平均脉冲频率提高到2 GHz以上或将发送信号的功率提高(如果允许且不造成干扰)的方法来达到这一目的，这就会与常规的无线通信系统一样，即UWB系统也需在带宽效率、发送峰值功率、复杂度、灵活支持多速率和用BER表示的性能之间取得平衡。
　　4 结束语
　　无线通信已经迅速渗透到人们的生活之中，人们对通信容量不断增长的要求，迫切需要一种不对现有的通信系统造成影响的新的无线通信方案，而超宽带无线通信系统正好满足了人们的这一要求。本文中介绍的这种人们期待的新一代的无线通信系统会逐步向民用领域的开放，目前国外已有多家公司开发出了UWB系列产品，100Mbit/s的芯片组也已经面市，虽然UWB仍面临有不少的问题，但随着各国科研人员的共同努力，在技术上会更加完善，且会更加有效地服务于人们的生活之中。