TM-UWB技术及其在无线通信中的应用

传统的通信系统一般都是定频通信系统,要传送的信息使用固定的带宽,信号被调制到固定的频带上,然后在信道(无线或有线) 中传送。在此信道中其他任何信号都将是对有用信号的干扰,所以具有这种特性的通信系统被称为是一种独占信道的定频通信系统。与此不同的是,超宽带 (Ultra Wideband ,UWB) 无线通信系统或称瞬间脉冲无线电系统发射的无线信号并不专门占据固定带宽,而是跨越很宽的无线频谱(一般在1～10GHz 之间) ,且功率很低,与背景“噪声”差不多,因而不会对工作于同一频率的其他无线信号造成干扰。

UWB 通信系统有许多优异的性能特点,即信号的功率谱密度极低,UWB 系统发射的功耗比传统的无线电技术所需功耗要低得多,可以用平均不足1mW的功率覆盖数英里范围内,甚至用低增益天线时也能正常工作。特别可贵的是对其它无线系统具有低干扰特性和自身具有的强抗多径干扰能力;实现起来比建造普通的扩频系统简单,成本低。正是由于上述特点,使得UWB 通信技术在个人通信、楼内通信、高速局域网、无绳电话、保安系统、近距离高精度定位等方面得到了广泛应用。

TM-UWB 技术及其特性

TM-UWB 信号

在一般通信系统中, “宽带信号”是指具有大的调制带宽和高的数据传输率信号。而超宽带信号是指发射信号的分数带宽(Fractional Bandwidths , FBW) (指信号带宽B 与中心频率f c 之比,即B/ f c) 大于0. 25 或25 %,它通常是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,从而获得具有千兆赫兹(GHz) 量级带宽的调制信号,因而又称为“基带信号”或“无载波信号”。它的带宽很宽,频谱常从直流延伸到GHz 量级。该信号具有高分辨率、高处理增益、低窃获、信息含量大和能探测隐蔽目标等优点,因而得到广泛应用。

TM-UWB 通信系统是一种崭新的通信系统,它能在传输媒介中以低功率、类似噪声的信号传输数据、话音甚至图像。由于采用TM-UWB 技术发射的无线信号跨越很宽的无线频谱,而功率谱密度又很低,与背景“噪声”差不多,因而不会对工作于同一频段的其它无线设备造成干扰。

传输波形的选取

一般而言,应用TM-UWB 技术的通信系统发射的不是正弦波信号,而是脉冲间隔严格受控的高斯单周超短时脉冲,一般工作脉宽为0. 2～1. 5ns ,重复周期为25～1 000ns。超短时单周脉冲决定了信号的带宽很宽,这种系统常采用时间(脉冲位置) 调制来携带信息和进行信道编码。TM-UWB 通信系统接收机直接将收到的射频信号转换成基带数字或模拟输出信号,只用一级前端交叉相关器即可把电磁脉冲序列转换为基带信号,不用传统通信设备中的中频级,大大地降低了通信系统设备的复杂性。一个比特信息通常被扩展到多个单周超短时脉冲,接收机相关地综合适当的脉冲数目来恢复被发送的信息。

高斯单周超短时脉冲

在TM-UWB 射频技术中最基本和最重要的任务就是首先要获得实际应用中可实现的高斯单周脉冲。图1 显示了一个典型高斯单周超短时脉冲(中心频率为2GHz)的时域波形和频域特性曲线。

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高斯单周脉冲的时域和频域数学模型可分别表示为

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式中,A 为脉冲峰值幅度,τ是一个时间延迟长度,此处等于脉冲持续时间, t 为时间, f 为频率,由此可推出中心频率f 0 = 1/&tau,半功率带宽Wb = f 0 ×116 %这样可得到脉冲宽度为0. 5ns 的高斯单周脉冲,其中心频率为2GHz ,半功率带宽约为2GHz。

单周脉冲序列

TM-UWB 系统在实际通信中使用的是单周脉冲的长序列,而不是单个单周脉冲。数据调制和信道编码等都是通过改变脉冲序列的时间间隔来实现的。图2 显示了单周脉冲串的时域和频域特性。由于时域信号规则的重复周期性引起频谱的离散化,从而出现了强烈的能量尖峰,这些尖峰将会对传统的无线通信设备和信号造成干扰,这是不期望出现的。

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由于十分规则的时域脉冲序列将不会携带任何有用的信息,同时改变时域脉冲序列的规则周期性还可降低频谱中出现的能量尖峰,因此在信息调制和信道编码中常常采用时间调制(TM)技术或称为脉冲位置调制(Pulse Position Modulation ,PPM)技术。

TM-UWB 信号处理

信息调制

为了传输信息,在TM-UWB 通信系统中,常采用脉冲位置调制PPM技术(每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间来表示一个特定的信息,即超前表示信息“0&rdquo,落后表示信息“1”) 来调制单周脉冲序列串,这将有利于最优匹配技术的使用。TM-UWB 通信系统接收机使用交叉相关器(Correlator)便很容易将淹没在噪声中的信号检测出来。图 3显示了PPM示意图。

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调制前的原始平均周期是PRIavg ,它和调制量的数值都很小(如100ns 和100ps) ,这样调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收。可以看出,调制后降低了频谱的尖峰幅度,但由于调制的时间偏移量不够大也不够杂乱,因此频谱仍不够十分平滑。

信道编码

对一个相对长时间帧内的脉冲序列串用伪随机噪声码(即PN 序列码) 按脉冲位置进行编码调制可实现信道编码。在信道编码中采用PN 序列码可以给TM-UWB 通信系统带来许多优越特性,诸如可解决TM-UWB 通信系统中的多用户共享信道、可具有较强的保密性和抗干扰性等问题。此外在时域中使脉冲串具有随机变化的时间偏移量还可以进一步平滑信号的频谱。

图4 显示了伪随机时间间隔调制编码后的脉冲序列的时域波形和频域特性。信号频谱已经接近白噪声频谱,功率小了许多,这都是伪随机编码产生的效果。适当地选择 PN 序列码组,保证组内各个码字相互正交或接近正交,则可实现码分多址(CDMA) 。对时域脉冲串的时间偏移量有时大到几个ns ,但实际中占空比仍控制在小于1 %的情况下,每秒重复1～40Mpps ( 每秒脉冲个数) 。

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在无线通信中的应用

TM-UWB 技术是一种使用1GHz 以上带宽的最先进的无线通信技术,它能实现高速的数据传输,最大数据传输速度可达到几十Mbps～几百Mbps。现有的通信系统,一般情况下耗电量要达到几百mW～几W,而TM-UWB 系统则可以大幅度减至现有系统的1/ 100～1/ 1 000 ,即耗电量仅有几十μW。

TM-UWB 技术也是一种可以将微弱无线电脉冲信号分散在宽阔频带中进行传送的无线通信技术, 与Bluetooth、IEEE802. 11b、IEEE802. 11a 等现有的无线通信技术相比,受干扰的影响很小,因此可获得与室内有线通信一样的优异性能。这种性能非常适用于摄像机、笔记本电脑、DVD 单放机以及数码相机等家用产品之间的短距离无线通信。TM-UWB 极有可能作为家电设备和便携式终端的无线通信技术而得到广泛利用。作为室内通信用途,美国联邦通信委员会(FCC) 已经将3. 1GHz～10. 6GHz频带向UWB 通信开发。IEEE802 委员会也将UWB 作为PAN(Personal Area Network) 基础技术的候选对象来进行研究和探讨。

TM-UWB 收发信机特点

图5 显示了一个TM-UWB 无线通信系统收发信机的结构框图。与传统的无线通信系统收发信机结构相比,TM-UWB 无线通信系统收发信机的结构相对简单,发射机和接收机都没有本振、功放、PLL(锁相环) 、VCO(压控振荡器) 、混频器等。

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相应地,能在TM-UWB 无线通信系统中使用的合适技术是相关接收,关键部件被称为相关器(correlator) 。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号,再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内,处理过程一般在不到1ns 的时间内完成。模板波形匹配时,相关器的输出量度了接收到的单周脉冲和模板波形的相对时间位置差,因此可以说相关器实质上是改进了的延迟探测器。

TM-UWB 系统性能分析

在TM-UWB 信号占用的频带范围内,所有其他的信号对TM-UWB 系统来说都是干扰信号,然而对工作在无线环境中,拥有相同频带空间的传统无线通信系统,和TM-UWB 无线通信系统可以做到互不干扰,这主要依靠TM-UWB 系统综合运用伪随机编码、随机时间调制以及相关解调技术等。

常用处理增益来衡量TM-UWB 无线通信系统接收机的抗噪声能力,通常近似定义为信号的RF 带宽与信号的信息带宽之比(再化成分贝) 。TM-UWB 无线通信系统一般具有较大的处理增益。一个具有8kHz 信息带宽、1. 25MHz 信道带宽的CDMA 扩频通信系统其处理增益为156 (即22dB) ,而一个TM-UWB 通信系统用2GHz 信道带宽来传输相同的8kHz 带宽的信息,其得到的处理增益为250 000(54dB) 。

存在于蜂窝无线移动通信中的瑞利衰落或多径衰落是一种“连续波”现象,因而当连续时间正弦波信号在室内传播时多径干扰现象就不可避免。由于受到建筑物内部和周围多径现象的干扰,使传统连续波无线电信号的传输特性变得较差,只有通过提高发射功率或采用更好的信号处理技术来减小多径干扰的影响。而TM-UWB 通信技术本身就特别适合室内使用,由于采用Rake 接收机技术因而具有抗多径衰落的固有鲁棒性。

结束语

TM-UWB 技术具有巨大的发展潜力,它深刻地冲击着传统的定频通信概念。即使是现在得到广泛应用的扩频通信仍然需要占据一定的固定带宽,这是 因为在扩频之前信息要调制到一个固定的载频上,而不是像TM-UWB 技术用持续时间为ns 级的单周脉冲。在国FCC于2002 年2 月4 日正式通过认可UWB 技术可应用于民用通信环境的最终规定后,有相当的机构正在致力于UWB 技术用于短距离无线数据通信领域的研究。