UWB超宽带无线通信及其关键技术

UWB超宽带无线通信及其关键技术

摘要
本文首先介绍了UWB无线通信系统的定义、基本原理以及主要指标，然后详细介绍了UWB的关键技术，最后指出了UWB所面临的挑战。
1、引言
UWB(Ultra-Wideband，超宽带)脉冲无线传输技术是近两三年在国际上兴起的一种无线通信革命性的通信技术，与其他无线通信技术相比有很大不同：不需要使用载波，而是依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号(通常情况下)传输数据，因而占用的频带非常宽，通常在几GHz量级。
UWB技术与下列名词是同义的：极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号。UWB脉冲通信由于其优良独特的技术特性，越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。
2、UWB概述
目前研究的UWB实质上是以占空比很低(低达0.5%)的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术。它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。典型的UWB直接发射冲击脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念，此时发射的信号可看成基带信号(依常规无线电而言)，也可看成射频信号(从发射信号的频谱分量考虑)。冲击脉冲通常采用单周期高斯脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。单周期脉冲的宽度在ns级，具有很宽的频谱。UWB开发了一个具有GHz容量和最高空间容量的新无线信道。
基于CDMA的UWB脉冲无线收发信机的基本组成如图1所示。在发送端时钟发生器产生一定重复周期的脉冲序列，用户要传输的信息和表示该用户地址的伪随机码分别或合成后对上述周期脉冲序列进行一定方式的调制，调制后的脉冲序列驱动脉冲产生电路，形成一定脉冲形状和规律的脉冲序列，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天线发射出去。
在接收端，UWB天线接收的信号经低噪声放大器放大后，送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端，加入一个本地产生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列，接收端信号与本地同步的伪随机码调制的脉冲序列一起经过相关器中的相乘、积分和取样保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信号，其中仅含用户传输信息以及其他干扰。然后对该信号进行解调运算，即根据发端的调制方式对每个脉冲进行判决，恢复出所传输的信息。同步电路包括捕获和跟踪电路，其作用是准确提取时钟脉冲的位置和重复周期的信息，并将其作用到本地的定时电路，产生接收机所需的各种时钟和定时信号。
2.1UWB主要指标
频率范围：3.1-10.6GHz；
系统功耗：1-4mW；
脉冲宽度：0.2-1.5ns，重复周期：25ns-1ms；
发射功率：＜-41.3dBm/MHz；
数据速率：几十到几百Mbit/s；
分解多路径时延：≤1ns；
多径衰落：≤5dB；
系统容量：大大高于3G系统；
空间容量：1000kB/m2。
3、UWB的关键技术
3.1脉冲信号的产生
从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级(10-9s)的信号源是UWB技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的两类方法为：(1)光电方法，基本原理是利用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒(10-12s)量级，是最有发展前景的一种方法。(2)电子方法，基本原理是利用晶体管PN结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到1ns以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。
3.2UWB的调制及多址方式
3.2.1调制方式
UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度限制，因而在两个方面影响调制方式的选择：一是对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能；二是调制方案的选择影响了信号功率谱密度的结构，因此有可能把一些额外的限制加在传输功率上。
在UWB中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。
(1)单脉冲调制
对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于UWB的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制TH/DS-BPSK等。
PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。BPM和OOK是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK通过脉冲的有无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM的基本原理。在PPM中，脉冲的极性和幅度都不改变。
PAM、OOK和PPM共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息。PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅会使UWB脉冲系统的信号难以满足一定的频谱要求(例如，FCC关于UWB信号频谱的规定)，而且还会降低功率的利用率。
就上述5种调制方式而言，综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素，目前广泛受关注的是后两种调制方式？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。两者的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS-BPSK的性能要优于TH-PPM。而对TH/DS-BPSK而言，在速率较高时，应优先选择DS-BPSK方式；速率较低时，由于TH-BPSK受远近效应的影响较小，应选择TH-BPSK方式。在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK的性能还是要优于TH-PPM系统。而BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。
(2)多脉冲调制
实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在UWB脉冲无线系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。
当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。一般把第一步称为扩谱，而把第二步称为信息调制。因而在第一步中，把PPM称为跳时扩谱(TH-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置；把BPM称为直接序列扩谱(DS-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM同时改变每组脉冲的幅度，PPM同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变每组脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技术：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。
多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。
在多脉冲调制中，利用不同SS序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用(CDMA)技术。在2004年的国际信号处理会议上提出了一种特殊的CDM系统？？无载波的正交频分复用系统(CL-UWB/OFDM)。这种多脉冲调制技术可以有效地抑制多路数据之间的干扰和窄带干扰。
3.2.2多址方式
在UWB系统中，多址接入方式与调制方式有密切联系。当系统采用PPM调制方式时，多址接入方式多采用跳时多址；若系统采用BPSK方式，多址接入方式通常有两种：直序方式和跳时方式。基于上述两种基本的多址方式，许多其他多址方式陆续被提出，主要包括以下几种。
(1)伪混沌跳时多址方式(PCTH)
PCTH根据调制的数据，产生非周期的混沌编码，用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化。PCTH调制不仅能减少对现有的无线通信系统的影响，而且更不易被检测到。
(2)DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳时(TH)的基础之上，通过直接序列扩频码进一步减少多址干扰，其多址性能优于TH-PPM，与DS-BPSK相当，但在实现同步和抗远近效应方面，具有一定的优势。
(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式
此方式的特点是：打破TH-PPM多址方式中采用随机跳时码的常规思路，利用具有特殊结构的固定跳时码，减少不同用户脉冲信号的碰撞概率。即使有碰撞发生时，利用直接序列扩频的伪随机码的特性，也可以进一步削弱多址干扰。
此外，由于UWB脉冲信号具有极低的占空比，其频谱能够达到GHz的数量级，因而UWB在时域中具有其他调制方式所不具有的特性。当多个用户的UWB信号被设计成不同的具有正交波形时，根据多个UWB用户时域发送波形的正交性，以区分用户，实现多址，这被称之为波分多址技术。
3.3天线的设计
能够有效辐射时域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。UWB天线应该达到以下要求：一是输入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超宽频带不变特性。即要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号的有效发射和接收。
对于时域短脉冲辐射技术，早期采用双锥天线、V-锥天线、扇形偶极子天线，这几种天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标的特性，只能用作单收发用途。随着微波集成电路的发展，研制出了UWB平面槽天线，它的特点是能产生对称波束、可平衡UWB馈电、具有UWB特性。由于利用光刻技术，可以制成毫米、亚毫米波段的集成天线。
3.4收发机的设计
与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相当简单，如图2所示。传统的无线收发信机大多采用超外差式结构；UWB收发信机采用零差结构，在接收端，天线收集的信号经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。现代数字无线技术常采用数字信号处理芯片(DSP)的软件无线电来产生不同的调制方式，这些系统可逐步降低信息速率以在更大的范围内连接用户。UWB的一大优点是，即使最简单的收发信机也可采用这一数字技术。
4、UWB面临的挑战
虽然UWB技术有其特有的优点，但是它的广泛应用仍然还面临很多挑战，还有许多技术问题需要研究解决：
(1)需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多经传播等问题；
(2)前向纠错编码的设计、低复杂度的信道补偿算法、快速捕获和同步方法、容量分析；
(3)需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术；
(4)高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理等；
(5)研究新的调制技术，进一步降低收发机结构的复杂度；
(6)多址方案的研究和设计，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；
(7)接收时每个脉冲位置的检测精度；
(8)研究它与GPS等其他无线通信技术的干扰问题；
(9)在定位应用中还需要研究位置测定技术等。
5、结束语
UWB作为民用还是一项新技术，随着该技术不断走向商业化，相信上述问题一定能够得以解决。由于它在无线通信方面的创新性和利益性，因此UWB在商业多媒体设备和个人网络，特别是信息家电方面具有很大的市场潜力。