超宽带及其在无线个域网中的应用

韩国舞族

  


　　随着计算机通信技术的不断发展，无线传输技术得到了广泛的应用，而超带宽（UWB）技术作为一种新型短距离高速无线通信技术正占据主导地位，超带宽技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于1.5GHz的无线发射方案，超带宽技术在2002年以前主要应用于雷达和遥感等军事领域，UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术具有以下优势：易于与现有的窄带系统（如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等）公用频段，提高了频谱利用率。

　　易于实现多用户的短距离高速数据通信；对多径衰落具有鲁棒性，目前，UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用正在不断发展。

UWB的关键技术

　　2.1 脉冲成形技术

　　任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息，对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为[1]：

　　s（t）＝ΣIn g（t－T）

　　其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g（t）为时域成形波形，通信系统的工作频段，信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g（t）的设计。

　　对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500mHz，且信号能量集中于3.1－10.6GHz频段，脉冲成形技术中最具代表性的无载波脉冲是高斯单周脉冲，他的带带宽已经大于2GHz，高斯单周脉冲是高斯脉冲的各阶导数，各阶脉冲波形可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降，早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲、信号频率成分从直流延续到2GHz，按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。

　　2.2 调制技术

　　调制方式是指信号以何种方式承载信息，他不但决定着通信系统的有效性和可靠性，是也影响信号的频谱结构、接收机复杂度，在UWB系统中常用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制，基于OFDM的正交多载波调制。其中基于超带宽脉冲的调制常用的有脉位调制和脉副调制。

　　脉位调制（PPM）是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式，按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM（MPPM）。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应，根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化，在OPPM中，通常以脉冲宽度为间隔确定脉位，接收机利用相关器在相应位置进行相干检测，鉴于UWB系统的复杂度和功率限制，实际应用中，常用的调制方式为2PPM或2OPPM。

　　脉副调制（PAM）是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM（MPAM）。UWB系统常用的PAM有两种方式：开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）。OOK可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而BPSK采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。

　　正交多载波调制（OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响，通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完成消除符号间干扰，OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混迭的子载波上分离出数据信息，由于OFDM允许子载波频谱混迭起，其频谱效率提高，因而是一种高效的调制方式。

　　2.3 接收技术

　　尽管UWB信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的UWB接收机结构很简单，只是一个等效于匹配滤波的相关器而已。同时为了降低微器件模拟变换器的（ADC）变换速率的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的，但是当对传输速率的要求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来，接收信号幅度上的衰落需要通过RAKE接收机收集足够非常的多径分量来克服，另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间干扰（ISI）问题也必须在系统设计中加以考虑，一种比较理想的解决方案影响是RAKE＋均衡，通过RAKE接收捕捉各条径的能量以抵抗衰落，同时利用均衡来消除符号间干扰。目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机，在具体实现上，有几种路径选取方法可以用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是实现难度较大，从仿真结果来看，就UWB信道特性而言，选择4－6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能，同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为关键，如果采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计[2]。

UWB无线传输系统的基本模型

　　UWB系统的基本模型主要由发射部分、无线信道和接收部分构成，与传统的无线发射、接收机结构相比，UWB的发射、接收机结构相对简单，易于实现，如传统蓝牙系统是一种低功耗的无线传输技术，它的集成电路是经典的超外差电路，发射机部分包括压控振荡器、锁相环同步器、参考振荡器，接收机部分包括低噪声放大器、混频器、放大器等；而UWB的发射、接收机的结构不同，因为脉冲产生器只需产生大约100mV的电压就能满足发射要求，因而发射端不需要功率放大器，在接收端，天线收集的信号先通过低噪声放大器，再通过一个匹配滤波器或相关接收机恢复出期望信号[3]，由于UWB信号的发射未经载波调制，UWB的接收端不再需要参考振荡器、锁相环同步器、压控振荡器及混频器等。UWB的发射、接收机结构比蓝牙更简单，UWB的发射机可灵活地调整发射距离，当发射距离增大时，UWB可以用多个脉冲传一个信号以增加接收端的信噪比，由于UWB的发射功率与脉冲重复频率成正比，因此可以通过软件对数据率、功耗、发射范围进行管理，这种灵活性非常有利于功率受限的便携式终端的设计。



UWB在无线多媒体个域网中的应用

　　UWB无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信（速率在100Mb/s以上）时，传输距离较近，一般在10－20m左右，进行较低速率无线通信和定位时，传输距离可更远，UWB技术采用无载波脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位，与全球定位系统（GPS）相比，UWB技术的定位精确度更高，可以达到10－20cm的精度，正是凭借短距离传输范围内的高传输速率及高精确度这一巨大优势，UWB进入民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）上，这样一种小范围内进行高速通信，可以使人们摆脱线缆的束缚，使各种设备以高速无线进行连接。根据超带宽无线传输的特性，UWB技术可以应用于无线多媒体家域网、个域网，雷达定位和成像系统，智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。

　　无线多媒体个域网中，各种数字多媒体设备根据需要，在小范围内组成自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的带宽网关，接入英特网。数字多媒体设备是那些需要收发视频、音频、文本、数据等数字多媒体信息的设备，如数码摄像机、数码照相机、MP3播放器、DVD播放器、数字电视、台式机、笔记本电脑、打印机、投影仪、扫描仪、摄像头、手机、各种智能家电、机顶盒等。UWB技术与现有的其他无线通信技术相比，数据传输速率高、功耗低、安全性好。UWB技术可以实现的速率超过1Gb/s，与有线的USB2.0接口相当，远远高于无线局域网802.11 b的11Mb/s，也比下一代无线局域网802.11a/g的54Mb/s高出近一个数量级，UWB通信的功耗较低，能更好地满足使用电池的移动设备的要求，另外，UWB信号的功率谱密度非常低，信号难以被检测到，再加上采用的跳频、直接序列扩频等扩频多址技术，使非授权者很难接获传输的信息，因而安全性非常好。

　　表1是一些典型的实时多媒体应用对不同无线传输技术的数据传输速率的要求，从表中可以看出，如果采用无线的方式来进行传输，只有UWB技术可以满足各种应用的要求。



　　表2为下载一些多媒体信息所需的时间，采用UWB技术，可以在合理的时间内完成下载，随着多媒体应用的发展，其类似大小和所需传输速率还将不断提高，因此，在目前的无线通信技术中，只有UWB技术可以满足构建无线多媒体家域网的要求。


　　无线通信已经迅速渗入到我们的生活之中，不断增长的容量要求需要一种不对现有通信系统造成影响的新的无线通信方案，而超带宽脉冲无线电系统正好满足了这要求，在科研人员的努力下，不久的将来技术将会更加完善、更加有效地服务于人们的生活。