超宽带通信技术及其应用

郑州解放军信息工程大学信息工程学院(450002) 李 瑛 张水莲 俞 飞 罗 飞
 
　　摘　要：超宽带 UWB(Ultra-wide Bandwidth)脉冲通信(Impulse Radio)技术与其它通信技术有很大不同,它具有信号功率谱密度低、不易检测、系统复杂度低等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信。介绍了UWB系统的信号表示形式,分析了其特点,并介绍了超宽带通信当前的研究及应用情况。
　　关键词：UWB 脉冲通信 信号 应用

　　UWB技术是一种新型的无线通信技术。它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,使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。
1 超宽带信号及其特点
　　美联邦通信委员会(FCC)规定:
　　部分带宽=>25%或总带宽>500MHz的信号称为UWB信号。其中,部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较;UWB信号格式如图2所示。

图1 UWB信号与窄带信号功率谱密度的比较

图2 UWB信号格式

　　一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为:

　　
　　str(k)(t)表示第k个用户的发射信号,它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形,可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲,从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量:
　　(1)相同时移的脉冲序列形式的脉冲表示时间步长为
T_f  的单周期脉冲,其占空比极低,帧长或脉冲重复时间T_f(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统,这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。
　　(2)伪随机跳时:为减少多址接入时的冲突,给每个用户分配一个特定的伪随机序列{c_j^(k)},称之为跳时码,其周期为Np,即,(i, j为任意整数)。跳时码的每个码元都是整数,
且满足0≤cj(k)h。这样跳时码给每个脉冲附加了一个时移,第j个单周期脉冲的附加时移为c_j^(k)T_c秒。
　　由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间, N_hT_c/T_f应严格小于1。然而如果N_hT_c太小,那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反,如果N_hT_c足够大且跳时码设计合理,就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(Additive White Gauss Noise)信号。
　　由于跳时码是周期为的周期序列,那么,其周期为。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。
　　(3)数据调制:第k个用户发送的数据序列{d_i^(k)}为二进制数据流。每个码元传输N_s个单周期脉冲,这样增加了信号的处理增益。
　　在这种调制方式下,一个符号(或码元)的持续时间为T_s=N_sT_f。对于固定的脉冲重复时间T_f,二进制的符号速率R_s为:
　　
　　显然,采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点:信号持续时间极短,为纳秒、亚纳秒级脉冲,信号占空比极低(1%～0.1%),故有很好的多径免疫力;频谱相当宽,达GHz量级,且功率谱密度低,故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强;UWB系统处理增益很高,其总处理增益PG为:

 
　　
　　例如,当某二进制UWB通信系统T_f=1μs,T_c=1ns,N_s=100,比特速率R_s=10kbps时,该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比,其处理增益非常高。
　　另外,UWB信号为极窄脉冲的序列,故有非常强的穿透能力,可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体,能实现雷达、定位、通信三种功能的结合,适合军用战术通信。
2 超宽带信号发射机、接收机基本结构
2.1 发射机和相关接收机模型
　　与传统的无线收发信机结构相比,UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示,在发射端,数据直接对射频脉冲调制,再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制,最后通过超宽带天线发射出去。在接收端,信号通过相关器与本地模板波形相乘,积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中,由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器,根据相应的时延产生本地模板波形,与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成,便于降低成本和小型化。

图3 UWB 信号发射机及相关接收机原理

2.2 Rake接收机模型
　　由于UWB信号需要用时域的方法进行分析,多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下,而且每条路径的信号能量都很小,难以对每条信道做出估计,所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。假设某UWB通信系统有个用户,其发射信号分别为某接收机接收到的信号为,如果想得到第一个用户发送的数据,那么其Rake接收机的实现框图如图4所示。

图4 UWB信号的Rake接收机原理

3 UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较
　　由于UWB技术的种种优点,使其成为无线个人局域网络WPAN(Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆,以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联,组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有:IEEE802.11b(Wi-Fi)、Home RF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。
　　从图5可以看出UWB技术的优势较为明显,主要不足是发射功率过小限制了其传输距离(如图6所示)。也就是说,10m以内,UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能,对于远距离应用IEEE802.11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802.11b以及Home RF不会进行直接竞争,因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上,把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合,因后者传输速率远不及前者,另外蓝牙技术的协议也较为复杂。

图5 UWB与蓝牙、IEEE 802.11空间容量

图6 FCC对UWB功率谱密度的规定

4 国内外研究及发展情况
4.1 国外研究现状
　　军用方面:早在1965年,美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内,UWB技术主要用于美国的军事应用,其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前,美国国防部正开发几十种UWB系统,包括战场防窃听网络等。
　　民用方面:由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力,近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门,主要用于通信(如家庭和个人网络,公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞/故障避免,入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒－克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发,将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连,以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。
　　国际学术界对超宽带无线通信的研究也越来越深入。2002年5月20～23日,IEEE举办了一期会议,专门讨论UWB技术及其应用。2002年2月14日,美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将UWB技术应用于民用的议案,定义了三种UWB系统:成像系统、通信与测量系统、车载雷达系统,并对三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)分别做了规定。但是,UWB技术的协议与标准尚未确定,目前,只有美国允许民用UWB器件的使用;而欧洲正在讨论UWB的进一步使用情况,并观望美国的UWB标准。
4.2 国内研究现状
　　2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中,把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容,鼓励国内学者加强这方面的研发工作。但是国内目前关于UWB技术的深入研究仅限于雷达方面,关于UWB通信系统的研究还没有形成规模。
参考文献
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