TM-UWB技術(shù)及其在無線通信中的應(yīng)用

1、TM-UWB 技術(shù)及其在無線通信中的應(yīng)用 傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)一般都是定頻通信系統(tǒng) , 要傳送的信息使用固定的帶 寬, 信號(hào)被調(diào)制到固定的頻帶上 , 然后在信道 （ 無線或有線 ） 中傳送。 在此信道中其他任何信號(hào)都將是對(duì)有用信號(hào)的干擾 , 所以具有這種特 性的通信系統(tǒng)被稱為是一種獨(dú)占信道的定頻通信系統(tǒng)。 與此不同的是 , 超寬帶 （Ultra Wideband ,UWB） 無線通信系統(tǒng)或稱瞬間脈沖無線電 系統(tǒng)發(fā)射的無線信號(hào)并不專門占據(jù)固定帶寬 , 而是跨越很寬的無線頻 譜（一般在 110GHz 之間） , 且功率很低 ,與背景“噪聲”差不多 ,因 而不會(huì)對(duì)工作于同一頻率的其他無線信號(hào)造成干擾。 U

2、WB通 信系統(tǒng)有許多優(yōu)異的性能特點(diǎn) , 即信號(hào)的功率譜密度極低 ,UWB 系統(tǒng)發(fā)射的功耗比傳統(tǒng)的無線電技術(shù)所需功耗要低得多 , 可以用平 均不足 1mW的功率覆蓋數(shù)英里范圍內(nèi) , 甚至用低增益天線時(shí)也能正常 工作。特別可貴的是對(duì)其它無線系統(tǒng)具有低干擾特性和自身具有的強(qiáng) 抗多徑干擾能力 ;實(shí)現(xiàn)起來比建造普通的擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)單 , 成本低。正是 由于上述特點(diǎn) , 使得 UWB通 信技術(shù)在個(gè)人通信、樓內(nèi)通信、高速局域 網(wǎng)、無繩電話、保安系統(tǒng)、近距離高精度定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。 TM-UWB技 術(shù)及其特性 TM-UWB信 號(hào) 在一般通信系統(tǒng)中 , “寬帶信號(hào)” 是指具有大的調(diào)制帶寬和高的數(shù)據(jù) 傳輸率信

3、號(hào)。而超寬帶信號(hào)是指發(fā)射信號(hào)的分?jǐn)?shù)帶寬 (Fractional B andwidths , FBW) ( 指信號(hào)帶寬 B 與中心頻率 f c 之比,即 B/ f c) 大于 0. 25 或 25 %,它通常是通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖 激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制 , 從而獲得具有千兆赫茲 (GHz) 量級(jí)帶寬的調(diào)制 信號(hào), 因而又稱為“基帶信號(hào)”或“無載波信號(hào)”。它的帶寬很寬 , 頻譜常從直流延伸到 GHz 量級(jí)。該信號(hào)具有高分辨率、高處理增益、 低竊獲、信息含量大和能探測(cè)隱蔽目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn) , 因而得到廣泛應(yīng)用。 TM-UWB通 信系統(tǒng)是一種嶄新的通信系統(tǒng) , 它能在傳輸媒介中以低功 率、類似噪聲

4、的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)、話音甚至圖像。由于采用 TM-UWB技 術(shù)發(fā)射的無線信號(hào)跨越很寬的無線頻譜 ,而功率譜密度又很低 , 與背 景“噪聲”差不多 , 因而不會(huì)對(duì)工作于同一頻段的其它無線設(shè)備造成 干擾。 傳輸波形的選取 一般而言,應(yīng)用 TM-UWB技 術(shù)的通信系統(tǒng)發(fā)射的不是正弦波信號(hào) ,而是 脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周超短時(shí)脈沖 ,一般工作脈寬為 0. 2 1. 5ns , 重復(fù)周期為 251 000ns 。超短時(shí)單周脈沖決定了信號(hào)的帶寬 很寬,這種系統(tǒng)常采用時(shí)間 (脈沖位置 ) 調(diào)制來攜帶信息和進(jìn)行信道 編碼。 TM-UWB通 信系統(tǒng)接收機(jī)直接將收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶數(shù) 字或模擬輸出信號(hào) , 只

5、用一級(jí)前端交叉相關(guān)器即可把電磁脈沖序列轉(zhuǎn) 換為基帶信號(hào) ,不用傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級(jí) , 大大地降低了通信系 統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性。一個(gè)比特信息通常被擴(kuò)展到多個(gè)單周超短時(shí)脈沖 接收機(jī)相關(guān)地綜合適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)目來恢復(fù)被發(fā)送的信息。 高斯單周超短時(shí)脈沖 在 TM-UWB射 頻技術(shù)中最基本和最重要的任務(wù)就是首先要獲得實(shí)際應(yīng) 用中可實(shí)現(xiàn)的高斯單周脈沖。圖 1 顯示了一個(gè)典型高斯單周超短時(shí) 脈沖（ 中心頻率為 2GHz）的時(shí)域波形和頻域特性曲線。 高斯單周脈沖的時(shí)域和頻域數(shù)學(xué)模型可分別表示為 式中,A 為脈沖峰值幅度 , 是一個(gè)時(shí)間延遲長(zhǎng)度 ,此處等于脈沖持續(xù) 時(shí)間, t 為時(shí)間, f 為頻率,由此可推出中心頻

6、率 f 0 = 1/ ,半功 率帶寬 Wb = f 0 116 %這樣可得到脈沖寬度為 0. 5ns 的高斯單 周脈沖,其中心頻率為 2GHz ,半功率帶寬約為 2GHz。 單周脈沖序列 TM-UWB系 統(tǒng)在實(shí)際通信中使用的是單周脈沖的長(zhǎng)序列 , 而不是單個(gè) 單周脈沖。數(shù)據(jù)調(diào)制和信道編碼等都是通過改變脈沖序列的時(shí)間間隔 來實(shí)現(xiàn)的。圖 2 顯示了單周脈沖串的時(shí)域和頻域特性。由于時(shí)域信 號(hào)規(guī)則的重復(fù)周期性引起頻譜的離散化 , 從而出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰 這些尖峰將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的無線通信設(shè)備和信號(hào)造成干擾 , 這是不期望出 現(xiàn)的。 由于十分規(guī)則的時(shí)域脈沖序列將不會(huì)攜帶任何有用的信息 , 同時(shí)改變 時(shí)域脈沖

7、序列的規(guī)則周期性還可降低頻譜中出現(xiàn)的能量尖峰 , 因此在 信息調(diào)制和信道編碼中常常采用時(shí)間調(diào)制 (TM)技術(shù)或稱為脈沖位置 調(diào)制 (Pulse Position Modulation ,PPM)技術(shù)。 TM-UWB信 號(hào)處理 信息調(diào)制 為了傳輸信息 ,在TM-UWB通 信系統(tǒng)中 ,常采用脈沖位置調(diào)制 PPM技術(shù) (每個(gè)脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻一個(gè)特定的時(shí)間來表示一 個(gè)特定的信息 , 即超前表示信息“ 0”, 落后表示信息“ 1”) 來調(diào)制單 周脈沖序列串 , 這將有利于最優(yōu)匹配技術(shù)的使用。 TM-UWB通 信系統(tǒng)接 收機(jī)使用交叉相關(guān)器 (Correlator) 便很容易將淹沒在噪聲中的

8、信號(hào) 檢測(cè)出來。圖 3 顯示了 PPM示意圖。 調(diào)制前的原始平均周期是 PRIavg , 它和調(diào)制量的數(shù)值都很小 (如 100 ns 和 100ps) , 這樣調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接 收。可以看出 ,調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度 ,但由于調(diào)制的時(shí)間偏移 量不夠大也不夠雜亂 , 因此頻譜仍不夠十分平滑。 信道編碼 對(duì)一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間幀內(nèi)的脈沖序列串用偽隨機(jī)噪聲碼 (即 PN 序列碼 ) 按脈沖位置進(jìn)行編碼調(diào)制可實(shí)現(xiàn)信道編碼。在信道編碼中采用 PN 序列碼可以給 TM-UWB通 信系統(tǒng)帶來許多優(yōu)越特性 , 諸如可解決 TM-U WB 通信系統(tǒng)中的多用戶共享信道、可具有較強(qiáng)的保密性和

9、抗干擾性 等問題。此外在時(shí)域中使脈沖串具有隨機(jī)變化的時(shí)間偏移量還可以進(jìn) 一步平滑信號(hào)的頻譜。 圖 4 顯示了偽隨機(jī)時(shí)間間隔調(diào)制編碼后的脈沖序列的時(shí)域波形和頻 域特性。信號(hào)頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜 ,功率小了許多 ,這都是偽隨機(jī) 編碼產(chǎn)生的效果。適當(dāng)?shù)剡x擇 PN 序列碼組 , 保證組內(nèi)各個(gè)碼字相互 正交或接近正交 , 則可實(shí)現(xiàn)碼分多址 (CDMA) 。對(duì)時(shí)域脈沖串的時(shí)間偏 移量有時(shí)大到幾個(gè) ns , 但實(shí)際中占空比仍控制在小于 1 %的情況下 , 每秒重復(fù) 140Mpps ( 每秒脈沖個(gè)數(shù) ) 。 在無線通信中的應(yīng)用 TM-UWB技 術(shù)是一種使用 1GHz 以上帶寬的最先進(jìn)的無線通信技術(shù) , 它

10、能實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸 , 最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到幾十 Mbps幾百 M bps?，F(xiàn)有的通信系統(tǒng) ,一般情況下耗電量要達(dá)到幾百 mW幾 W,而 TM -UWB 系統(tǒng)則可以大幅度減至現(xiàn)有系統(tǒng)的 1/ 100 1/ 1 000 , 即耗電 量?jī)H有幾十 W。 TM-UWB技 術(shù)也是一種可以將微弱無線電脈沖信號(hào)分散在寬闊頻帶中 進(jìn)行傳送的無線通信技術(shù) , 與 Bluetooth 、IEEE802. 11b 、IEEE802. 11a 等現(xiàn)有的無線通信技術(shù)相比 , 受干擾的影響很小 , 因此可獲得與 室內(nèi)有線通信一樣的優(yōu)異性能。 這種性能非常適用于攝像機(jī)、 筆記本 電腦、 DVD 單放機(jī)以及數(shù)碼相機(jī)等家用

11、產(chǎn)品之間的短距離無線通信。 TM-UWB極 有可能作為家電設(shè)備和便攜式終端的無線通信技術(shù)而得到 廣泛利用。作為室內(nèi)通信用途 , 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 已經(jīng)將 3. 1GHz 10. 6GHz 頻帶向 UWB通 信開發(fā)。 IEEE802 委員會(huì)也將 UWB 作為 PAN(Personal Area Network) 基礎(chǔ)技術(shù)的候選對(duì)象來進(jìn)行研究 和探討。 TM-UWB收 發(fā)信機(jī)特點(diǎn) 圖 5 顯示了一個(gè) TM-UWB無 線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。 與傳統(tǒng) 的無線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)相比 ,TM-UWB無 線通信系統(tǒng)收發(fā)信機(jī) 的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單 , 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都沒有本振、 功放、PLL

12、（鎖相環(huán)） 、 VCO壓（ 控振蕩器 ） 、混頻器等。 相應(yīng)地,能在 TM-UWB無 線通信系統(tǒng)中使用的合適技術(shù)是相關(guān)接收 ,關(guān) 鍵部件被稱為相關(guān)器 （correlator） 。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘 以接收到的射頻信號(hào) , 再積分就得到一個(gè)直流輸出電壓。相乘和積分 只發(fā)生在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi) , 處理過程一般在不到 1ns 的時(shí)間內(nèi)完成。 模板波形匹配時(shí) , 相關(guān)器的輸出量度了接收到的單周脈沖和模板波形 的相對(duì)時(shí)間位置差 , 因此可以說相關(guān)器實(shí)質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測(cè) 器。 TM-UWB系 統(tǒng)性能分析 在 TM-UWB信 號(hào)占用的頻帶范圍內(nèi) , 所有其他的信號(hào)對(duì) TM-UWB系 統(tǒng) 來說都是干

13、擾信號(hào) ,然而對(duì)工作在無線環(huán)境中 , 擁有相同頻帶空間的 傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng) ,和TM-UWB無 線通信系統(tǒng)可以做到互不干擾 , 這主 要依靠 TM-UWB系 統(tǒng)綜合運(yùn)用偽隨機(jī)編碼、隨機(jī)時(shí)間調(diào)制以及相關(guān)解 調(diào)技術(shù)等。 常用處理增益來衡量 TM-UWB無 線通信系統(tǒng)接收機(jī)的抗噪聲能力 , 通 常近似定義為信號(hào)的 RF 帶寬與信號(hào)的信息帶寬之比 （再化成分貝 ） 。 TM-UWB無 線通信系統(tǒng)一般具有較大的處理增益。一個(gè)具有 8kHz 信 息帶寬、 1. 25MHz 信道帶寬的 CDMA擴(kuò) 頻通信系統(tǒng)其處理增益為 15 6 （即22dB） , 而一個(gè)TM-UWB通 信系統(tǒng)用 2GHz 信道帶寬來傳輸相同 的 8kHz 帶寬的信息 , 其得到的處理增益為 250 000（54dB） 。 存在于蜂窩無線移動(dòng)通信中的瑞利衰落或多徑衰落是一種“連續(xù)波” 現(xiàn)象, 因而當(dāng)連續(xù)時(shí)間正弦波信號(hào)在室內(nèi)傳播時(shí)多徑干擾現(xiàn)象就不可 避免。由于受到建筑物內(nèi)部和周圍多徑現(xiàn)象的干擾 , 使傳統(tǒng)連續(xù)波無 線電信號(hào)的傳輸特性變得較差 , 只有通過提高發(fā)射功率或采用更好的 信號(hào)處理技術(shù)來減小多徑干擾的影響。而 TM-UWB通 信技術(shù)本身就特 別適合室內(nèi)使用 ,由于采用 Rake 接收機(jī)技術(shù)因而具有抗多徑衰落的 固有魯棒性。 結(jié)束語