超寬帶通信技術及其應用

鄭州解放軍信息工程大學信息工程學院(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)技術與其它通信技術有很大不同,它具有信號功率譜密度低、不易檢測、系統復雜度低等優點,尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信。介紹了UWB系統的信號表示形式,分析了其特點,并介紹了超寬帶通信當前的研究及應用情況。
　　關鍵詞：UWB 脈沖通信 信號 應用

　　UWB技術是一種新型的無線通信技術。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制,使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題,它具有對信道衰落不敏感、發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點。
1 超寬帶信號及其特點
　　美聯邦通信委員會(FCC)規定:
　　部分帶寬=>25%或總帶寬>500MHz的信號稱為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個用戶的發射信號,它是大量的具有不同時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,從該發射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈沖的起始時間為。仔細分析每個時移分量:
　　(1)相同時移的脈沖序列形式的脈沖表示時間步長為
T_f  的單周期脈沖,其占空比極低,幀長或脈沖重復時間T_f(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類似于ALOHA系統,這樣的脈沖序列極容易導致隨機碰撞。
　　(2)偽隨機跳時:為減少多址接入時的沖突,給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列{c_j^(k)},稱之為跳時碼,其周期為Np,即,(i, j為任意整數)。跳時碼的每個碼元都是整數,
且滿足0≤cj(k)h。這樣跳時碼給每個脈沖附加了一個時移,第j個單周期脈沖的附加時移為c_j^(k)T_c秒。
　　由于讀出單周期脈沖相關器的輸出要占用一定的時間, N_hT_c/T_f應嚴格小于1。然而如果N_hT_c太小,那么多個用戶接入時發生沖突的概率仍然會很大。相反,如果N_hT_c足夠大且跳時碼設計合理,就可以將多用戶干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(Additive White Gauss Noise)信號。
　　由于跳時碼是周期為的周期序列,那么,其周期為。跳時碼的另外一個作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。
　　(3)數據調制:第k個用戶發送的數據序列{d_i^(k)}為二進制數據流。每個碼元傳輸N_s個單周期脈沖,這樣增加了信號的處理增益。
　　在這種調制方式下,一個符號(或碼元)的持續時間為T_s=N_sT_f。對于固定的脈沖重復時間T_f,二進制的符號速率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:信號持續時間極短,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,當某二進制UWB通信系統T_f=1μs,T_c=1ns,N_s=100,比特速率R_s=10kbps時,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著的物體,能實現雷達、定位、通信三種功能的結合,適合軍用戰術通信。
2 超寬帶信號發射機、接收機基本結構
2.1 發射機和相關接收機模型
　　與傳統的無線收發信機結構相比,UWB收發信機的結構相對簡單。如圖3所示,在發射端,數據直接對射頻脈沖調制,再通過可編程延時器件對脈沖進一步時延控制,最后通過超寬帶天線發射出去。在接收端,信號通過相關器與本地模板波形相乘,積分后通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中,由捕獲跟蹤部分、時鐘振蕩器和(跳時)碼產生器控制可編程延時器,根據相應的時延產生本地模板波形,與接收信號相乘。整個收發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 信號發射機及相關接收機原理

2.2 Rake接收機模型
　　由于UWB信號需要用時域的方法進行分析,多用于戶內密集多徑(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接收機使原來能量很小的多徑信號經過能量合并后提高的信噪比提高系統性能。假設某UWB通信系統有個用戶,其發射信號分別為某接收機接收到的信號為,如果想得到第一個用戶發送的數據,那么其Rake接收機的實現框圖如圖4所示。

圖4 UWB信號的Rake接收機原理

3 UWB與其他幾種無線個人局域網技術的比較
　　由于UWB技術的種種優點,使其成為無線個人局域網絡WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技術之一。WPAN的目標是用無線電或紅外線代替傳統的有線電纜,以低價格和低功耗在10m范圍內實現個人信息終端的智能化互聯,組建個人化信息網絡。其最普遍的應用是連接電腦、打印機、無繩電話、PDA以及信息家電等設備。目前實現WPAN的主要技術有: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技術的優勢較為明顯,主要不足是發射功率過小限制了其傳輸距離(如圖6所示)。也就是說,10m以內,UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸性能,對于遠距離應用IEEE802.11b或Home RF無線PAN的性能將強于UWB。UWB和同為熱門的IEEE802.11b以及Home RF不會進行直接競爭,因為UWB更多地是應用于10m左右距離的室內。事實上,把UWB看作藍牙技術的替代者可能更為適合,因后者傳輸速率遠不及前者,另外藍牙技術的協議也較為復雜。

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的技術基礎。在后來的二十年內,UWB技術主要用于美國的軍事應用,其研究機構僅限于與軍事相關聯的企業以及研究機關、團體。目前,美國國防部正開發幾十種UWB系統,包括戰場防竊聽網絡等。
　　民用方面:由于超寬帶技術的種種優點使其在無線通信方面具有很大的潛力,近幾年來國外對UWB信號應用的研究比較熱門,主要用于通信(如家庭和個人網絡,公路信息服務系統和無線音頻、數據和視頻分發等)、雷達(如車輛及航空器碰撞/故障避免,入侵檢測和探地雷達等)以及精確定位(如資產跟蹤、人員定位等)。索尼、時域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒－克萊斯勒等高技術公司都已涉足UWB技術的開發,將各種消費類電子設備以很高的數據傳輸率相連,以滿足消費者對短距離無線通信小型化、低成本、低功率、高速數據傳輸等要求。
　　國際學術界對超寬帶無線通信的研究也越來越深入。2002年5月20～23日,IEEE舉辦了一期會議,專門討論UWB技術及其應用。2002年2月14日,美國聯邦通信委員會(FCC)正式通過了將UWB技術應用于民用的議案,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技術的協議與標準尚未確定,目前,只有美國允許民用UWB器件的使用;而歐洲正在討論UWB的進一步使用情況,并觀望美國的UWB標準。
4.2 國內研究現狀
　　2001年9月初發布的“十五”863計劃通信技術主題研究項目中,把超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容,鼓勵國內學者加強這方面的研發工作。但是國內目前關于UWB技術的深入研究僅限于雷達方面,關于UWB通信系統的研究還沒有形成規模。
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