超寬帶及其在無線個域網(wǎng)中的應(yīng)用

　　1 引言

　　隨著計算機通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳輸技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，而超帶寬（UWB）技術(shù)作為一種新型短距離高速無線通信技術(shù)正占據(jù)主導(dǎo)地位，超帶寬技術(shù)又被稱為脈沖無線發(fā)射技術(shù)，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5GHz的無線發(fā)射方案，超帶寬技術(shù)在2002年以前主要應(yīng)用于雷達和遙感等軍事領(lǐng)域，UWB技術(shù)不需載波，能直接調(diào)制脈沖信號，產(chǎn)生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬，UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)（如全球定位系統(tǒng)（GPS）、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等）公用頻段，大大提高了頻譜利用率。易于實現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；對多徑衰落具有魯棒性，目前，UWB技術(shù)在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個人網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用正在不斷發(fā)展。

　　2 UWB的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 脈沖成形技術(shù)

　　任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息，對于線性調(diào)制系統(tǒng)，已調(diào)制信號可以統(tǒng)一表示為[1]：

　　s（t）＝ΣIn g（t－T）

　　其中，In為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號序列；T為數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間；g（t）為時域成形波形，通信系統(tǒng)的工作頻段，信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于g（t）的設(shè)計。

　　對于UWB通信系統(tǒng)，成形信號g（t）的帶寬必須大于500mHz，且信號能量集中于3.1－10.6GHz頻段，脈沖成形技術(shù)中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經(jīng)大于2GHz，高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)，各階脈沖波形可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點數(shù)逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降，早期UWB系統(tǒng)采用1階、2階脈沖、信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz，按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。

　　2.2 調(diào)制技術(shù)

　　調(diào)制方式是指信號以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，是也影響信號的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機復(fù)雜度，在UWB系統(tǒng)中常用的調(diào)制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調(diào)制，基于OFDM的正交多載波調(diào)制。其中基于超帶寬脈沖的調(diào)制常用的有脈位調(diào)制和脈副調(diào)制。

　　脈位調(diào)制（PPM）是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式，按照采用的離散數(shù)據(jù)符號狀態(tài)數(shù)可以分為二進制PPM（2PPM）和多進制PPM（MPPM）。在這種調(diào)制方式中，一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應(yīng)，根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化，在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位，接收機利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進行相干檢測，鑒于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM。

　　脈副調(diào)制（PAM）是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關(guān)鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）。OOK可以采用非相干檢測降低接收機復(fù)雜度，而BPSK采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。

　　正交多載波調(diào)制（OFDM）是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續(xù)時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響，通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完成消除符號間干擾，OFDM相對于一般的多載波傳輸?shù)牟煌�之處是他允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息，由于OFDM允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。

　　2.3 接收技術(shù)

　　盡管UWB信道的時延擴展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計，因此早期的UWB接收機結(jié)構(gòu)很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關(guān)器而已。同時為了降低微器件模擬變換器的（ADC）變換速率的要求，相關(guān)器是用線性相乘和積分等模擬過程實現(xiàn)的，但是當對傳輸速率的要求達到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴重起來，接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現(xiàn)象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統(tǒng)設(shè)計中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是RAKE＋均衡，通過RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。目前對接收機在多徑和各種干擾環(huán)境下的性能分析通常基于RAKE接收機，在具體實現(xiàn)上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號最強的L條路徑或是最先到達的L條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實現(xiàn)難度較大，從仿真結(jié)果來看，就UWB信道特性而言，選擇4－6條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機中值得關(guān)注的一個問題，在高速應(yīng)用中，快速同步的實現(xiàn)尤為關(guān)鍵，如果采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計[2]。

　　3 UWB無線傳輸系統(tǒng)的基本模型

　　UWB系統(tǒng)的基本模型主要由發(fā)射部分、無線信道和接收部分構(gòu)成，與傳統(tǒng)的無線發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)相比，UWB的發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)相對簡單，易于實現(xiàn)，如傳統(tǒng)藍牙系統(tǒng)是一種低功耗的無線傳輸技術(shù)，它的集成電路是經(jīng)典的超外差電路，發(fā)射機部分包括壓控振蕩器、鎖相環(huán)同步器、參考振蕩器，接收機部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而UWB的發(fā)射、接收機的結(jié)構(gòu)不同，因為脈沖產(chǎn)生器只需產(chǎn)生大約100mV的電壓就能滿足發(fā)射要求，因而發(fā)射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號先通過低噪聲放大器，再通過一個匹配濾波器或相關(guān)接收機恢復(fù)出期望信號[3]，由于UWB信號的發(fā)射未經(jīng)載波調(diào)制，UWB的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環(huán)同步器、壓控振蕩器及混頻器等。UWB的發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)比藍牙更簡單，UWB的發(fā)射機可靈活地調(diào)整發(fā)射距離，當發(fā)射距離增大時，UWB可以用多個脈沖傳一個信號以增加接收端的信噪比，由于UWB的發(fā)射功率與脈沖重復(fù)頻率成正比，因此可以通過軟件對數(shù)據(jù)率、功耗、發(fā)射范圍進行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設(shè)計。



　　4 UWB在無線多媒體個域網(wǎng)中的應(yīng)用

　　UWB無線通信技術(shù)的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在100Mb/s以上）時，傳輸距離較近，一般在10－20m左右，進行較低速率無線通信和定位時，傳輸距離可更遠，UWB技術(shù)采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、成像或定位，與全球定位系統(tǒng)（GPS）相比，UWB技術(shù)的定位精確度更高，可以達到10－20cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率及高精確度這一巨大優(yōu)勢，UWB進入民用市場之初就將其應(yīng)用定位在了無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）上，這樣一種小范圍內(nèi)進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設(shè)備以高速無線進行連接。根據(jù)超帶寬無線傳輸?shù)奶匦�，UWB技術(shù)可以應(yīng)用于無線多媒體家域網(wǎng)、個域網(wǎng)，雷達定位和成像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測量等多個領(lǐng)域。

　　無線多媒體個域網(wǎng)中，各種數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要，在小范圍內(nèi)組成自組織式的網(wǎng)絡(luò)，相互傳送多媒體數(shù)據(jù)，并可以通過安裝在家中的帶寬網(wǎng)關(guān)，接入英特網(wǎng)。數(shù)字多媒體設(shè)備是那些需要收發(fā)視頻、音頻、文本、數(shù)據(jù)等數(shù)字多媒體信息的設(shè)備，如數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機、MP3播放器、DVD播放器、數(shù)字電視、臺式機、筆記本電腦、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機、各種智能家電、機頂盒等。UWB技術(shù)與現(xiàn)有的其他無線通信技術(shù)相比，數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、安全性好。UWB技術(shù)可以實現(xiàn)的速率超過1Gb/s，與有線的USB2.0接口相當，遠遠高于無線局域網(wǎng)802.11 b的11Mb/s，也比下一代無線局域網(wǎng)802.11a/g的54Mb/s高出近一個數(shù)量級，UWB通信的功耗較低，能更好地滿足使用電池的移動設(shè)備的要求，另外，UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等擴頻多址技術(shù)，使非授權(quán)者很難接獲傳輸?shù)男畔�，因而安全性非常好�?

　　表1是一些典型的實時多媒體應(yīng)用對不同無線傳輸技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，從表中可以看出，如果采用無線的方式來進行傳輸，只有UWB技術(shù)可以滿足各種應(yīng)用的要求。



　　表2為下載一些多媒體信息所需的時間，采用UWB技術(shù)，可以在合理的時間內(nèi)完成下載，隨著多媒體應(yīng)用的發(fā)展，其類似大小和所需傳輸速率還將不斷提高，因此，在目前的無線通信技術(shù)中，只有UWB技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。



　　5 結(jié)語

　　無線通信已經(jīng)迅速滲入到我們的生活之中，不斷增長的容量要求需要一種不對現(xiàn)有通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，而超帶寬脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這要求，在科研人員的努力下，不久的將來技術(shù)將會更加完善、更加有效地服務(wù)于人們的生活。