超寬帶無線傳輸技術(shù)

摘要:本文主要介紹了超寬帶(UWB)無線傳輸技術(shù)的基本原理、特點、關(guān)鍵技術(shù)、空間容量等,并對當前的研究成果進行了概況和分析,指出UWB技術(shù)作為新興的無線傳輸技術(shù),雖具有設(shè)備簡單,頻譜利用率高等諸多優(yōu)點,但在脈沖信號的產(chǎn)生、信號調(diào)制、接收端的信號檢測技術(shù)等方面仍存在很多問題;與UWB技術(shù)相關(guān)的標準和規(guī)范及相應的物理層、網(wǎng)絡層協(xié)議的制定仍是UWB商用化的主要障礙。在對UWB技術(shù)進行綜合分析的基礎(chǔ)上,指出UWB商用化面臨的主要問題并指明其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:超寬帶;脈沖位置調(diào)制( PPM) ;脈沖幅度調(diào)制( PAM) ;隨機跳時;多級跳頻;直接序列擴頻;高斯脈沖;瑞克接收機

超寬帶技術(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. 5G的無線發(fā)射方案。該技術(shù)曾被廣泛應用于雷達和遙感領(lǐng)域,作為商用無線通信技術(shù)目前正受到越來越多的關(guān)注。UWB技術(shù)既不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù),也不同于3G蜂窩通信中的擴頻寬帶技術(shù),它不需載波,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) 共用頻段,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。UWB與其他窄帶系統(tǒng)共用頻段,必然存在與其他系統(tǒng)間的相互干擾,對UWB信號的合理規(guī)范和設(shè)計是應用UWB技術(shù)的前提。FCC目前正致力于對UWB發(fā)射功率的限制規(guī)范,使UWB既能與其他系統(tǒng)共用頻帶又不至于對其他系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性干擾。目前,UWB技術(shù)在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個人網(wǎng)絡方面的應用前景已得到了專業(yè)界的普遍認可。

1 　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)。下面將傳統(tǒng)無線系統(tǒng)(以藍牙為例) 與UWB系統(tǒng)做一個簡單的比較。藍牙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(synth) ,參考振蕩器(refosc) ,接收機部分包括低噪放大器(LNA) 、混頻器、放大器等。UWB 的發(fā)射、接收機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 　UWB 發(fā)射、接收機框圖

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,因此發(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放大器,再通過一個匹配濾波器或相關(guān)接收機恢復出期望信號。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。顯然,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。

2 　UWB 無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

2.1 　可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)

UWB 系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴于脈沖信號功率譜密度的平坦性和功率譜覆蓋范圍,而功率譜的形狀又取決于脈沖信號的形狀,因此,脈沖信號的設(shè)計和產(chǎn)生顯得尤為重要。當信號頻率接近于零時,天線的發(fā)射效率大大下降,因此脈沖信號在接近零頻段的信號能量應該很小。這就要求脈沖的形狀具有正負對稱性,如正弦波和高斯脈沖的倒數(shù)。這些脈沖信號的寬度為幾納秒,產(chǎn)生的帶寬則高達幾兆赫茲。

UWB 最常用的信號脈沖是高斯單循環(huán)脈沖。理想的單循環(huán)脈沖時域、頻域特性如圖2 所示。單循環(huán)脈沖是寬帶信號,中心頻率和帶寬完全取決于脈沖寬度。高斯單循環(huán)脈沖的時域、頻域表達式分別為:

式中: t au表示脈沖寬度。

高斯單循環(huán)脈沖的頻域表達式為:

單循環(huán)脈沖的中心頻率是脈沖寬度的倒數(shù),帶寬是中心頻率的116 %。因此,對于如圖2 所示的寬度為0.5ns的脈沖信號,中心頻率為2GHz , 帶寬大約是2GHz。

圖2 　2GHz 中心頻率高斯脈沖單循環(huán)脈沖的時域圖和功率譜圖

2.2 　調(diào)制技術(shù)

　　目前UWB 采用的調(diào)制技術(shù)主要是脈沖位置調(diào)制( PPM) 和脈沖幅度調(diào)制( PAM) 。PPM 能去除UWB 頻譜的能量尖峰,使功率譜更加平坦,同時還能實現(xiàn)多址。但規(guī)則的單循環(huán)脈沖會產(chǎn)生規(guī)則分布的能量尖峰,這些能量尖峰會對其它無線系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾。對脈沖信號進行位置調(diào)制,即改變脈沖信號的準確發(fā)射時間,使下一時刻的脈沖信號發(fā)射提前或滯后一段時間,能使射頻能量更均勻的分布在帶寬內(nèi),使功率譜更平滑,從而減小對其它系統(tǒng)的干擾。然而,這種調(diào)制對脈沖的位置變動很小,因此對功率譜的平滑作用也較小。如果用偽隨機(PN) 碼對脈沖進行調(diào)制,可以使信號的頻譜類似噪聲頻譜去除了能量尖峰。每個用戶分配一個PN 碼,可以同時實現(xiàn)多址,如果接收機沒有PN 碼的信息,將無法識別信號,從而加強了信號的保密性。

PAM 能有效提高頻譜效率,在高斯白噪聲信道中具有最佳性能。在多徑信道中,據(jù)預測多進制PAM 調(diào)制表現(xiàn)出更好的性能。因此,為支持基于IP 的多速率業(yè)務及提高系統(tǒng)資源利用率,有必要進一步研究適用于UWB 信道的多進制脈沖調(diào)制和自適應脈沖調(diào)制技術(shù)。

2.3 　信號檢測技術(shù)

　　信號檢測技術(shù)主要研究如何提高UWB信號的接收質(zhì)量。目前實現(xiàn)UWB接收的方法主要有3 種:

(1) 相關(guān)或RAKE接收機法

　　RAKE接收機由一組相關(guān)器或匹配濾波器組成,根據(jù)接收端所獲得的信道信息對信號的多徑成分做分集接收,從而提高接收端的信噪比。接收端的信道估計和相關(guān)器(或匹配濾波器) 的個數(shù)會影響RAKE接收機的性能。相關(guān)器個數(shù)越多,RAKE接收機的效果越好,但設(shè)備的復雜度也越高。

(2) 自相關(guān)器接收機法

　　自相關(guān)接收機將接收信號和前一時刻的信號進行相關(guān)運算,在慢衰落信道中,不用進行信道估計就能捕獲到全部的信號能量。但這種接收機以帶噪的信號作為參考信號,接收機的性能會隨著信號質(zhì)量的惡化而惡化。

(3) 采用自適應最小均方誤差(MMSE) 算法的多用戶檢測(MUD) 接收機

　　RAKE 接收機雖然能有效地接收多徑信號,但接收機的復雜度隨著路徑的增多而增加。采用自適應最小均方誤差(MMSE) 算法的多用戶檢測(MUD) 接收機只接收落在觀察窗內(nèi)的可分離的多徑成分,因此復雜度是一定的。而且,采用MMSE 算法能更好地抑制碼間干擾。

仿真試驗表明,脈沖波形在時域的相關(guān)處理可以產(chǎn)生良好的時間分辨性,如RAKE 接收、自相關(guān)器接收、最小均方誤差多用戶接收機都可不同程度地有效克服多徑影響、抑制干擾和噪聲。為進一步提高接收端的信號質(zhì)量,空時陣列處理的概念也被嘗試運用在UWB 技術(shù)中。比如,基于脈沖波形的波束成形可以產(chǎn)生無旁瓣的窄的主波束,從而提高接收機抗多徑干擾,共道干擾的能力。但是,這種處理增加了算法和設(shè)備的復雜度。因此,在多徑環(huán)境下,考慮其它系統(tǒng)影響的低復雜度、易于實現(xiàn)并具有較高性能的接收技術(shù)依舊是UWB的核心問題。

3 　UWB 無線傳輸系統(tǒng)的性能分析

正如第2 節(jié)所述,UWB可以采用多種不同的調(diào)制方式。本節(jié)將以脈沖幅度調(diào)制( PAM)為例,定量分析UWB系統(tǒng)的誤碼率、信噪比及吞吐量與距離之間的關(guān)系。對系統(tǒng)做如下假設(shè):噪聲為加性高斯白噪聲;編碼后的BER為10- 5～10- 9 ;發(fā)射功率譜密度限制在-41dBm/MHz ;工作帶寬為2. 5 GHz ;中心頻率為3. 75 GHz ;信道模型為自由空間傳播模型,即L(d) = 20lg (4π/λ)+20lgd 。M-PAM 系統(tǒng)的符號錯誤率為:

比特錯誤率為:

式中: M = 2 k ;γb 為每比特信噪比,dB。由于每個符號由k 個比特組成,每符號信噪比為kγb 。

為了更好地表示脈沖帶寬和脈沖重復頻率之間的關(guān)系,每符號信噪比可用下式表示:

式中: Pave = BsPsd為平均發(fā)射功率; Psd為FCC 所規(guī)定的平均功率譜密度; Bs 為發(fā)射脈沖帶寬;η0 是噪聲功率譜密度; Bp=1/Tp為脈沖重復頻率; Ns = Bs/ Bp 為脈沖處理增益。

由式(5) 可見,增加脈沖帶寬或減小脈沖重復頻率可以提高系統(tǒng)信噪比。用式(3) 和(4) 可以得到對于用不同進制的PAM 調(diào)制,未編碼誤碼率達10- 3時所需的比特信噪比和符號信噪比。從表1 可看出,PAM 的進制數(shù)越高,所需的信噪比越大,因此,高進制的PAM 調(diào)制雖然頻譜效率高,但不省功率。

圖3 　M-PAM系統(tǒng)中基于UWB的容量曲線

從式(5)可以看出,當要求的信噪比增加時,如果要保持發(fā)射功率不變,就必須增大符號間隔,而這將導致數(shù)據(jù)率的下降。通過自由空間信道模型公式可以得到如圖3所示的吞吐量與距離的關(guān)系。顯然,傳播距離越近,UWB能提供的吞吐量越大。當然,還有許多其它的方法可以改善距離與吞吐量之間的關(guān)系,如增加天線增益,提高編碼效率等。

同時,從圖3中還能看出,在白噪聲信道中,高進制的PAM調(diào)制并不能提高系統(tǒng)吞吐量,因為對于UWB系統(tǒng)而言,頻譜由脈沖形狀, 而不是由符號速率決定。因此, 對于AWGN信道,低階的PAM調(diào)制能產(chǎn)生更好的性能。但是,如果考慮多徑信道,2 - PAM 系統(tǒng)更易遭受碼間干擾,使吞吐量受限,而M - PAM系統(tǒng)由于脈沖重復周期大,受碼間干擾的影響相對較小。另外,信道傳播模型和多徑模型也將影響系統(tǒng)性能。有效合理的信道模型將更有利于預測UWB 系統(tǒng)的性能。

4 　UWB的規(guī)范和標準問題

由于UWB具有寬帶特性,必然會對其它窄帶系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,因此,FCC目前正致力于對UWB發(fā)射的規(guī)劃以確保它的合法性。只有制定出合理規(guī)則,才能使UWB既能有效利用可用帶寬,又不會對占用這些頻段的系統(tǒng)造成破壞性干擾。圖4 顯示了在超過2GHz 的頻段內(nèi),NPRM 對UWB 的發(fā)射功率譜密度的限制。

圖4 　NPRM 限制下的功率譜密度

從圖中可以看出,UWB系統(tǒng)功率發(fā)射需要考慮兩個重要方面。①UWB對其他的共用頻段系統(tǒng)的干擾是一種寬帶干擾,相當于提高窄帶系統(tǒng)的背景噪聲。這種干擾一旦超標,其他的窄帶系統(tǒng)將無法正常工作。所以,UWB的發(fā)射功率譜密度必須遠遠低于其它窄帶系統(tǒng)的功率譜密度。為了保護全球定位系統(tǒng)( GPS) , FCC 考慮在2GHz 以下采用更低的功率譜密度,但目前還沒有定義出明確的上界。

②UWB系統(tǒng)也可能受到來自其他系統(tǒng)的強窄帶干擾。為了有效地抑制這些窄帶干擾,需要采用自適應的干擾抑制方案,這也是目前有待解決的問題。影響UWB和其他窄帶系統(tǒng)間相互作用的因素有很多,如:設(shè)備間的隔離、信道傳播損耗、調(diào)制技術(shù)、脈沖重復頻率、天線增益等。如前所述,對脈沖進行位置調(diào)制,可以減少能量尖峰,使功率譜更加平坦,從而減小對其他系統(tǒng)的干擾。

FCC對UWB系統(tǒng)的功率規(guī)劃才剛剛開始。一個可操作的、與其他系統(tǒng)共存的無線系統(tǒng)還必須考慮與協(xié)議的兼容性。目前支持短距離無線通信系統(tǒng)WLAN 和WPAN 的協(xié)議主要有802.11a 、802.11b、藍牙和家庭射頻網(wǎng)絡。由于UWB 具有支持短距離高速率業(yè)務的特性,它必將用于高速數(shù)據(jù)的傳輸,因此,必須考慮在上述協(xié)議框架內(nèi)MAC 的設(shè)計問題。

5 　結(jié)束語

UWB技術(shù)因具有在短距離內(nèi)高速傳輸數(shù)據(jù)、能與其他系統(tǒng)共用頻段等特性而備受關(guān)注�；�于UWB 的近距離商用寬帶無線傳輸技術(shù)研究已引起了國際上的廣泛關(guān)注,它將為無線局域網(wǎng)和個域網(wǎng)的接入技術(shù)提供低功耗、高帶寬并且易于實現(xiàn)的底層技術(shù)支撐,無論在創(chuàng)新性還是商業(yè)性上都具有巨大的潛力。但是,這項技術(shù)要真正實現(xiàn)仍面臨許多挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)在:

(1) 缺少確保UWB 和其他系統(tǒng)共存的明確規(guī)定

由于UWB 發(fā)射的寬帶特性,它必然與同一頻帶內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)發(fā)生互相干擾。影響UWB 對其它系統(tǒng)影響的因素很多,如:發(fā)射功率、設(shè)備間的隔離、信道傳播特性、調(diào)制技術(shù)、發(fā)射功率、脈沖重復頻率等,制定合理的UWB 技術(shù)規(guī)范必須綜合考慮這些問題。

(2) 尚未形成成熟的由UWB 信號支撐的物理層、網(wǎng)絡層協(xié)議

成熟的物理層、網(wǎng)絡層標準需要接收技術(shù)、同步技術(shù)、信道編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、物理層及網(wǎng)絡層的優(yōu)化策略等多項成熟技術(shù)的聯(lián)合支撐。從前述國際上的研究進展可以看出,針對未來無線局域網(wǎng)、個域網(wǎng)的UWB 系統(tǒng)的上述關(guān)鍵技術(shù)研究才剛剛開始,UWB技術(shù)的成熟化、商用化仍面臨許多挑戰(zhàn)。

(3) 低復雜度抗多徑接收機的設(shè)計

在以室內(nèi)環(huán)境為主的近距離無線傳輸環(huán)境中,接收信號中將包含更密集的多徑成分。因此,研究采用這兩種多址方式的、考慮多用戶干擾、窄帶干擾、多徑干擾的UWB 最佳接收機及性能分析具有重要的理論意義。理論上說,UWB 信號具有良好的時間分辨力。但是,反射、衍射、散射現(xiàn)象會造成波形信號的失真。同時,UWB 信號對散射體的高度敏感性也使接收機很難充分利用信號中的多徑成分實現(xiàn)多徑分集接收。理想的RAKE 接收機能很好地實現(xiàn)分集接收,但要求大量的相關(guān)器及瞬時自適應性,這在實際系統(tǒng)中很難實現(xiàn)。因此,研究低復雜度、易實現(xiàn)的次最優(yōu)接收機具有重要的實用意義。

來源：阿里互聯(lián)電子網(wǎng)