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衝激脈衝進行直接調製,使信號具有GHz量級的頻寬。超寬頻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、系統複雜度低、能提供數厘米的定位精度等優點。
1 超寬頻信號及其特點
美聯邦通信委員會(FCC)規定:
部分頻寬= >25%或總頻寬>500MHz的信號稱為UWB信號。其中,部分頻寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。
一種典型的脈位調製(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衝之和。w(t)表示傳輸的單周期脈衝波形,可以為單周期高斯脈衝或其一階、二階微分脈衝,從該發射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈衝的起始時間為 。仔細分析每個時移分量:
(1)相同時移的脈衝序列 形式的脈衝表示時間步長為
Tf 的單周期脈衝,其占空比極低,幀長或脈衝重複時間Tf(Frame Time)的典型值為單周期脈衝寬度的一百到一千倍。類似於ALOHA系統,這樣的脈衝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衝突,給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列{cj(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)
由於讀出單周期脈衝相關器的輸出要占用一定的時間, NhTc/Tf應嚴格小於1。然而如果NhTc太小,那么多個用戶接入時發生衝突的機率仍然會很大。相反,如果NhTc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。
由於跳時碼是周期為 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)數據調製:第k個用戶傳送的數據序列{di(k)}為二進制數據流。每個碼元傳輸Ns個單周期脈衝,這樣增加了信號的處理增益。
在這種調製方式下,一個符號(或碼元)的持續時間為Ts=NsTf。對於固定的脈衝重複時間Tf,二進制的符號速率Rs為:
顯然,採用上述信號的超寬頻脈衝通信系統具有以下特點:信號持續時間極短,為納秒、亞納秒級脈衝,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Tf=1μs,Tc=1ns,Ns=100,比特速率Rs=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信號為極窄脈衝的序列,故有非常強的穿透能力,可以辨別出隱藏的物體或牆體後運動著的物體,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 超寬頻信號發射機、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,數據直接對射頻脈衝調製,再通過可程式延時器件對脈衝進一步時延控制,最後通過超寬頻天線發射出去。在接收端,信號通過相關器與本地模板波形相乘,積分後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、時鐘振盪器和(跳時)碼產生器控制可程式延時器,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,便於降低成本和小型化。
2.2 Rake接收機模型
由於UWB信號需要用時域的方法進行分析,多用於戶內密集多徑(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併後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傳送的數據.
3 UWB與其他幾種無線個人區域網路技術的比較
由於UWB技術的種種優點,使其成為無線個人區域網路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範圍內實現個人信息終端的智慧型化互聯,組建個人化信息網路。其最普遍的套用是連線電腦、印表機、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)以及超寬頻等五種。
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也就是說,10m以內,UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸性能,對於遠距離套用IEEE802.11b或Home RF無線PAN的性能將強於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更多地是套用於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,因後者傳輸速率遠不及前者,另外藍牙技術的協定也較為複雜。
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。在後來的二十年內,UWB技術主要用於美國的軍事套用,其研究機構僅限於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,包括戰場防竊聽網路等。
民用方面:由於超寬頻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信號套用的研究比較熱門,主要用於通信(如家庭和個人網路,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。
國際學術界對超寬頻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技術及其套用。2002年2月14日,美國聯邦通信委員會(FCC)正式通過了將UWB技術套用於民用的議案,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,並對三種系統的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規定。但是,UWB技術的協定與標準尚未確定,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,並觀望美國的UWB標準。
4.2 國內研究現狀
2001年9月初發布的“十五”863計畫通信技術主題研究項目中,把超寬頻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。但是國內目前關於UWB技術的深入研究僅限於雷達方面,關於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
