UWB无线通信及其关键技术

　　1、引言

　　UWB(Ultra-Wideband，超宽带)脉冲无线传输技术是近两三年在国际上兴起的一种无线通信革命性的通信技术，与其他无线通信技术相比有很大不同：不需要使用载波，而是依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号(通常情况下)传输数据，因而占用的频带非常宽，通常在几GHz量级。

　　UWB技术与下列名词是同义的：极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号。UWB脉冲通信由于其优良独特的技术特性，越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。

　　2、UWB概述

　　目前研究的UWB实质上是以占空比很低(低达0.5%)的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术。它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。典型的UWB直接发射冲击脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念，此时发射的信号可看成基带信号(依常规无线电而言)，也可看成射频信号(从发射信号的频谱分量考虑)。冲击脉冲通常采用单周期高斯脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。单周期脉冲的宽度在ns级，具有很宽的频谱。UWB开发了一个具有GHz容量和最高空间容量的新无线信道。

　　基于CDMA的UWB脉冲无线收发信机的基本组成如图1所示。在发送端时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序列，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，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，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天线发射出去。

　　在接收端，UWB天线接收的信号经低噪声放大器放大后，送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端，加入一个本地产生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列，接收端信号与本地同步的伪随机码调制的脉冲序列一起经过相关器中的相乘、积分和取样保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信号，其中仅含用户传输信息以及其他干扰。然后对该信号进行解调运算，即根据发端的调制方式对每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。同步电路包括捕获和跟踪电路，其作用是准确提取时钟脉冲的位置和重复周期的信息，并将其作用到本地的定时电路，产生接收机所需的各种时钟和定时信号。

　　2.1UWB主要指标

　　频率范围：3.1-10.6GHz；

　　系统功耗：1-4mW；

　　脉冲宽度：0.2-1.5ns，重复周期：25ns-1ms；

　　发射功率：＜-41.3dBm/MHz；

　　数据速率：几十到几百Mbit/s；

　　分解多路径时延：≤1ns；

　　多径衰落：≤5dB；

　　系统容量：大大高于3G系统；

　　空间容量：1000kB/m?。

　　3、UWB的关键技术

　　3.1脉冲信号的产生

　　从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级(10-9s)的信号源是UWB技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的两类方法为：(1)光电方法，基本原理是利用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒(10-12s)量级，是最有发展前景的一种方法。(2)电子方法，基本原理是利用晶体管PN结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。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，脉冲的宽度可以达到1ns以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。

　　3.2UWB的调制及多址方式

　　3.2.1调制方式

　　UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度限制，因而在两个方面影响调制方式的选择：一是对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能；二是调制方案的选择影响了信号功率谱密度的结构，因此有可能把一些额外的限制加在传输功率上。

　　在UWB中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。

　　(1)单脉冲调制

　　对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于UWB的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制TH/DS-BPSK等。

　　PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。BPM和OOK是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK通过脉冲的有无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM的基本原理。在PPM中，脉冲的极性和幅度都不改变。

　　PAM、OOK和PPM共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息。PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅会使UWB脉冲系统的信号难以满足一定的频谱要求(例如，FCC关于UWB信号频谱的规定)，而且还会降低功率的利用率。

　　就上述5种调制方式而言，综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素，目前广泛受关注的是后两种调制方式？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。两者的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS-BPSK的性能要优于TH-PPM。而对TH/DS-BPSK而言，在速率较高时，应优先选择DS-BPSK方式；速率较低时，由于TH-BPSK受远近效应的影响较小，应选择TH-BPSK方式。在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK的性能还是要优于TH-PPM系统。而BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。