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超寬帶無(wú)線通信技術(shù)研究論文
1超寬帶技術(shù)概述
UWB技術(shù)，也稱為超寬帶無(wú)線通信技術(shù)，顧名思義其帶寬很寬，并且遠(yuǎn)大于現(xiàn)在所采用的窄帶信號(hào)，是一種通過(guò)極短的脈沖信號(hào)進(jìn)行通信的技術(shù)，由于其時(shí)域持續(xù)時(shí)間一般在納秒級(jí)別，故其帶寬可以達(dá)到數(shù)Hz甚至數(shù)GHz，所以在現(xiàn)代高速率傳輸?shù)沫h(huán)境中，超寬帶技術(shù)因其通信速率高，通信容量大等優(yōu)點(diǎn)從軍用技術(shù)轉(zhuǎn)為了民用技術(shù)，成為了現(xiàn)代短距離無(wú)線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）將帶寬大于500MHz或相對(duì)帶寬大于20%的信號(hào)定義為超寬帶信號(hào)[1]，其中，相對(duì)帶寬定義為帶寬與中心頻率之比，亦即：其中fH指單個(gè)用戶發(fā)射的信號(hào)的上限頻率，而fL則指的是該信號(hào)的下限頻率。
2兩種技術(shù)方案比較
到目前為止，超寬帶無(wú)線技術(shù)主要有兩種技術(shù)方案：傳統(tǒng)UWB和基于傳統(tǒng)OFDM技術(shù)的多帶UWB（MB-OFDM-UWB）。傳統(tǒng)UWB方案采用的是發(fā)射傳輸脈沖信號(hào)來(lái)傳輸信息，亦即用戶利用多個(gè)窄帶脈沖信號(hào)來(lái)傳送其發(fā)射的同一個(gè)原始比特信息。由于脈沖持續(xù)時(shí)間較短，所以在頻域上來(lái)看，其信號(hào)帶寬很寬，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)無(wú)載波的調(diào)制，使發(fā)射端無(wú)需射頻等環(huán)節(jié)，減少了實(shí)際設(shè)備的復(fù)雜度，但是脈沖的可控性較差，因此會(huì)對(duì)其他一些通信設(shè)備造成干擾。目前，在超寬帶系統(tǒng)中，脈沖的調(diào)制方式有：PAM（也稱作脈沖振幅調(diào)制）、PPM（即脈沖位置調(diào)制）、OOK（二進(jìn)制開(kāi)關(guān)鍵控）以及BPSK（二進(jìn)制相移鍵控），而由于PPM調(diào)制的功率效率較高以及PAM調(diào)制的性能優(yōu)勢(shì)，在UWB系統(tǒng)中一般采用PPM和PAM兩種調(diào)制方式。
而由WiMedia提出的MB-OFDM-UWB技術(shù)方案則是采用多頻帶調(diào)制方式，采用單個(gè)子帶的OFDM信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，利用OFDM的高頻帶利用率，同時(shí)將多個(gè)頻率子帶并行發(fā)送，可以避開(kāi)某些頻帶，實(shí)現(xiàn)方式更加靈活。但是該方案利用了正交頻分復(fù)用技術(shù)而放棄了超寬帶系統(tǒng)中典型的脈沖形式，導(dǎo)致其消耗功率要高于傳統(tǒng)的UWB方案，也缺少了傳統(tǒng)UWB的高保密性和穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。所以在現(xiàn)在的研究中仍是傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)UWB方案中很多技術(shù)方案和CDMA等3G技術(shù)方案具有一致性，比如信號(hào)擴(kuò)頻碼的使用、調(diào)制方式以及檢測(cè)方法等，這里擴(kuò)頻序列的使用主要時(shí)用于多址識(shí)別，這是較方案不同的一點(diǎn)，傳統(tǒng)的CDMA中擴(kuò)頻碼除了多址識(shí)別更多的是要用來(lái)擴(kuò)展頻譜，所以在UWB方案中擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)也是研究的方向和熱點(diǎn)。傳統(tǒng)超寬帶無(wú)線技術(shù)方案一般分為T(mén)H-UWB和DS-UWB兩種。所謂TH-UWB（跳時(shí)超寬帶）是指利用偽隨機(jī)噪聲序列原始數(shù)據(jù)重復(fù)編碼后的信息進(jìn)行編碼，而編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)引起脈沖在時(shí)間軸上的偏移，也就是通過(guò)跳時(shí)碼來(lái)選擇要發(fā)送信號(hào)的碼片區(qū)間；而DS-UWB（直序超寬帶）則是編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)對(duì)基本脈沖的幅度進(jìn)行正負(fù)極性的調(diào)制。由于現(xiàn)在的通信環(huán)境需要的是大容量，亦即實(shí)現(xiàn)多用戶傳輸，而在多用戶的環(huán)境下，若采用多用戶檢測(cè)方法，TH-UWB可以獲得更大的處理增益，所以重點(diǎn)介紹TH-UWB技術(shù)。
3跳時(shí)超寬帶技術(shù)
在跳時(shí)超寬帶系統(tǒng)中，由于脈沖調(diào)制方式的不同，又主要可以分為2種，即PPM-TH-UWB（基于脈沖位置調(diào)制的跳時(shí)超寬帶）和PAM-TH-UWB（基于脈沖振幅調(diào)制的跳時(shí)超寬帶）。其中PPM-TH-UWB是指在跳時(shí)超寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用PPM實(shí)現(xiàn)信號(hào)在時(shí)間軸上的移動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)發(fā)送信號(hào)為1時(shí)，會(huì)產(chǎn)生PPM移位，反之，當(dāng)發(fā)送信號(hào)為0時(shí)則沒(méi)有PPM移位，這直接導(dǎo)致發(fā)送的數(shù)據(jù)信息是通過(guò)PPM位移來(lái)區(qū)分的。而PAM-TH-UWB則是在TH的基礎(chǔ)上改變窄帶脈沖的幅度，當(dāng)假設(shè)發(fā)送信號(hào)為1時(shí)脈沖的極性為正，則當(dāng)發(fā)送為0時(shí)則與其相反，即脈沖在極性上是相反的，同樣在該系統(tǒng)中發(fā)送的數(shù)據(jù)比特是靠脈沖的幅度極性來(lái)區(qū)分的。
在二進(jìn)制TH-UWB系統(tǒng)中，PPM調(diào)制與PAM調(diào)制在系統(tǒng)性能上不相上下，而且一般的研究都是可以進(jìn)行通用的，但是隨著調(diào)制進(jìn)制的增加，PAM調(diào)制的跳時(shí)系統(tǒng)性能將越來(lái)越差，誤碼率也越來(lái)越大，反之PPM調(diào)制下的跳時(shí)系統(tǒng)性能則良好，所以在工程中較多使用PPM調(diào)制下的跳時(shí)系統(tǒng)，這里也主要介紹PPM調(diào)制下的跳時(shí)超寬帶系統(tǒng)。（1）其中，p(t)為用于超寬帶系統(tǒng)中的高斯脈沖波形，一般采用高斯脈沖的二階導(dǎo)；Ts表示幀長(zhǎng)，也指幀周期；cj表示偽隨機(jī)序列，在此，0≤c≤M-1,Mj表示M進(jìn)制Tc；為碼片長(zhǎng)度，則有Ts=MTc；NS表示每個(gè)比特信息由多少個(gè)脈沖組成，Tb表示傳輸信息比特時(shí)間，則有Tb=NSTS，cjTc表示由跳時(shí)序列引起的位移，aj表示PPM調(diào)制引起的位移，是一個(gè)常數(shù)，aj表示經(jīng)過(guò)重復(fù)編碼器后的二進(jìn)制序列。通常PPM調(diào)制引起的位移控制在一個(gè)碼片時(shí)間內(nèi)。總之，PPM-TH-UWB技術(shù)利用了脈沖信號(hào)占空比很小的特點(diǎn)，將每一個(gè)信息比特時(shí)間劃分成L個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間（也指幀周期），然后將每一個(gè)幀周期劃分成N個(gè)碼片時(shí)間（碼片時(shí)間為最小的時(shí)間單位），接著每個(gè)用戶利用各自對(duì)應(yīng)的獨(dú)立的隨機(jī)跳時(shí)序列在N個(gè)碼片時(shí)間中選擇一個(gè)作為脈沖發(fā)射位置，以此類推，最后發(fā)送到無(wú)線信道。在接收端則利用與期望用戶相同的跳時(shí)碼進(jìn)行跟蹤接收。若跳時(shí)碼之間的正交性沒(méi)有破壞，則脈沖之間不會(huì)發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。但是在無(wú)線信道環(huán)境中，信號(hào)必然會(huì)經(jīng)過(guò)多徑衰落，從而在接收端引起各個(gè)用戶的偽隨機(jī)序列正交性嚴(yán)重破壞，造成多用戶干擾，導(dǎo)致即使在系統(tǒng)的信噪比很高的情況下，系統(tǒng)性能仍然會(huì)受到嚴(yán)重的影響，故在TH-UWB系統(tǒng)中研究多用戶檢測(cè)算法也是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。
4UWB應(yīng)用領(lǐng)域與未來(lái)發(fā)展方向
FCC定義了三種UWB系統(tǒng)：成像系統(tǒng)、通信與測(cè)量系統(tǒng)、車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)[3]。這導(dǎo)致了UWB系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，宏觀上來(lái)說(shuō)，主要有三個(gè)方面：通信、定位、雷達(dá)成像。在通信方面，UWB是一種短距離高速無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)，有良好的抗多徑干擾性能，所以在礦井、巷道等通信環(huán)境較差的受限空間中有廣泛的應(yīng)用。同時(shí)UWB有望取代USB線纜，實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。在定位方面，由于較高的分辨率，UWB具有很高的定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量。例如在軍用系統(tǒng)中，可以用來(lái)探測(cè)地雷，也可制成成像雷達(dá)，從而定位隱藏的敵人；在民用中主要應(yīng)用在汽車(chē)防碰雷達(dá)系統(tǒng)（車(chē)載UWB雷達(dá)）上。在雷達(dá)方面，主要以穿墻雷達(dá)為主。UWB信號(hào)由于具有超寬的頻譜，因此可以提高信號(hào)穿透障礙物的能力，例如UWB穿墻成像技術(shù)是利用窄帶脈沖信號(hào)穿過(guò)一定厚度的墻壁，通過(guò)設(shè)置在成像設(shè)備上的信息屏幕，獲取墻壁另一側(cè)的物體（運(yùn)動(dòng)）信息，誤差很低[4]。
UWB技術(shù)由于是使用脈沖來(lái)作為信息載體的，沒(méi)有使用正弦信號(hào)作為載波，所以并不需要中頻處理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的模型，實(shí)現(xiàn)方便簡(jiǎn)單，而且由于發(fā)送的是占空比很低的脈沖信號(hào)，所以使得所需的發(fā)射功率不需要很大，實(shí)現(xiàn)低功率傳輸。同時(shí)由于UWB信號(hào)的平均功率很小，帶寬很寬，所以發(fā)射信號(hào)常常被隱藏在噪聲等信號(hào)中難以檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)保密、低截獲/檢測(cè)率傳輸。UWB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)使得其在無(wú)線通信方面有很廣闊的發(fā)展前景。UWB技術(shù)大大提高無(wú)線頻譜資源利用率的優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)線通信變得更加敏捷。當(dāng)下主要有兩個(gè)大的方向，一是認(rèn)知超寬帶系統(tǒng)（是將認(rèn)知技術(shù)和超寬帶技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物）；二是基于協(xié)作模式的UWB定位技術(shù)。與其他國(guó)家相比，我國(guó)在UWB技術(shù)的研究上起步較晚，仍處于需要進(jìn)一步研發(fā)的狀態(tài)，所以促進(jìn)UWB技術(shù)的全面發(fā)展，有助于我國(guó)在該研究領(lǐng)域獲得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等具有很大的意義。
5結(jié)語(yǔ)
本文介紹了UWB超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的定義及技術(shù)方案，并詳細(xì)分析了TH-UWB技術(shù)以及UWB的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展方向�？梢�(jiàn)超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了現(xiàn)代無(wú)線通信在民用上的不足。盡管UWB的發(fā)展充滿了坎坷，但是其在軍事、公共安全等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，更甚者有望取代藍(lán)牙等作為新一代的短距離無(wú)線通信技術(shù)被用于人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
[1]李慧.超寬帶脈沖通信技術(shù)研究[J].信息通信,2013(2):16-17
[2]葛利嘉,朱林,等.超寬帶無(wú)線電基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005
[3]劉琪,閆麗,周正.UWB的技術(shù)特點(diǎn)及其發(fā)展方向[J].現(xiàn)代電信科技,2009(10):6-18
[4]孫家可.超寬帶通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].信息通信,2014(6):258-259
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