超宽带(UWB)无线通信技术详解.docx

超宽带(UWB )无线通信技术详解UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口 卡和接入技术带来低功耗，高带宽并且相对简单的无线通信技术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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感发射信号功率谱密度低有低截获能力，系统复杂度低, 能提供数厘米的定位精度等优点.UWB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应用中.作者：王德强 李长青 乐光新近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一许多世界著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的研究、开发和标准化工 作之中为了使读者对UWB技术有所了解，本讲座将分3期对UWB技术进行介绍：第1期讲述UWB的产生 与发展、技术特点、信号成形及调制与多址技术，第2期对UWB信道、系统方案及接收机关键技术进行介绍， 第3期介绍UWB的应用前景及标准化情况1 UWB的产生与发展超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结 构方面也没有明确的规定。

1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定： 若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号此后，超宽带这个 术语才被沿用下来其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率图1给出了 带宽计算示意图可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意 见美国NTIA等通信团体对此大约提交了 800多份意见书2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽 大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系 统、通信与测量系统三大类根据FCCPart15规定,UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz-10.6 GHz为保 护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系 统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。

图2示出了 FCC对 室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带(IR-UWB)系统、基 于直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用(OFDM)的UWB系统等在产品方面， Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟当前,UWB 技术已成为短距离、高速无线连接最具竞争力的物理层技术IEEE已经将UWB技术纳入其IEEE802系列无线 标准，正在加紧制订基于UWB技术的高速无线个域网(WPAN)标准IEEE802.15.3a和低速无线个域网标准 IEEE802.15.4a以In tel领衔的无线USB促进组织制订的基于UWB的W-USB2.0标准即将出台无线1394 联盟也在抓紧制订基于UWB技术的无线标准可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家 庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一2 UWB的技术特点(1) 传输速率高，空间容量大根据仙农(Sha nnon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为：C二Bxlog2(1+SNR) (1)其中，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。

在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz~ 7.5GHz因 此即使信噪比SNR很低UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率例如如果使用7 GHz 带宽，即使信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可达到1 Gb/s因此，将UWB技术应用于短距离高速传输 场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空 间容量比目前WLAN标准IEEE 802.11.a高出1 ~ 2个数量级2) 适合短距离通信按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz - 10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低 于传统窄带系统随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数 SNRr (d )o根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数C(d)二Bxlog2[1+SNRr(d )] (2)另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性由于 随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能研究表明，当收 发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过 12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。

因此，UWB系统特别适合于短距离通信3) 具有良好的共存性和保密性由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz),对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至 背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声因此，UWB系统与传统的窄带系统有 着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的同时，极低的辐射谱密度使UWB 信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利4) 多径分辨能力强，定位精度高由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强因此,UWB信号的多径分辨率 极高极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力对于通信系统，必须辩证地分析UWB信 号的多径分辨力无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素在窄带系统中，不 可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并因此，UWB系统具有 很强的抗衰落能力但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接 收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。

这将对接收机设计提出严峻挑战在实际的 UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比5) 体积小、功耗低传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直 接完成信号检测收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器因此，可以大大降低系统复杂度，减小 收发信机体积和功耗FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技 术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点3 UWB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：s(t)=〈Ing(t -T ) ⑶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，且信号能量应集中于3.1 GHz- 10.6 GHz 频段早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2 GHz以下。

FCC对UWB 的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需进行调整近年来，出现了许多行之 有效的方法，如基于载波调制的成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等3.1高斯单周脉冲高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲各阶脉冲波形均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图3为典型的2ns高斯单周脉冲3.2载波调制的成形技术原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求因此，传统的用于有载波通信系统的信 号成形方案均可移植到UWB系统中此时，超宽带信号设计转化为低通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频 谱在频率轴上灵活地搬移有载波的成形脉冲可表示为：w(t) = p(t)cos(2 nfct)(0

若基带脉冲p(t)的频谱为P(f ), 则最终成形脉冲的频谱为：呵「匸朴⑴「眉叫匚匚)〔习可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p(t)，只要使p(t)的-10dB带宽大于250 MHz，即可满足UWB设计 要求通过调整载波频率fc可以使信号频谱在3.1 GHz-10.6 GHz范围内灵活移动若结合跳频(FH)技术，则 可以方便地构成跳濒多址(FHMA)系统在许多IEEE 802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术图4为典 型的有载波修正余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz , -10 dB带宽为525 MHz3.3Hermite正交脉冲Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法结合多进制脉冲调制可以有 效地提高系统传输速率这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中 于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求3.4PSWF正交脉冲PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进行 频谱般移。

因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度4 UWB调制与多址技术调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性，同时也影响信号的频谱 结构、接收机复杂度对于多址技术解决多个用户共享信道的问题，合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同 时极大地提高多用户容量在UWB系统中采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 的正交多载波调制多址技术包括：跳时多址、跳濒多址、直扩码分多址、波分多址等系统设计中，可以对调 制方式与多址方式进行合理的组合4.1UWB调制技术(1) 脉位调制脉位调制(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。