UWB通信技術中的時間調制技術及應用前景

潘樂樂

[摘要]分析uwB通信技術中的時間調制技術的原理和優(yōu)點，同時結合相關案例分析探討其應用現(xiàn)狀和未來應用的發(fā)展難點和措施。

[關鍵詞]時間調整超寬帶

中圖分類號：TN91文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020113—01

一、何謂UWB技術

所謂UWB技術，也叫超寬帶技術。簡單的說UWB技術是基于短的能量脈沖序列、通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據的一種無載波通信技術，由于其不適用載波，該技術傳輸速度較之其他的技術快很多，同時其功耗也小很多。超寬帶使用的電波帶寬為數(shù)CHZ，它搞出普通的帶寬20MHZ的無線LAN的帶寬幾百倍。

二、時間調制技術的基本原理

目前的無線通信系統(tǒng)大多采用恒包絡直接擴頻調制方式，而使很多人忽略了采用脈沖跳時調制的無線通信方式，即時域通信技術。當前，超寬帶無線電的實現(xiàn)基本上是采用沖激無線電技術。它不是基于正弦載波的無線電系統(tǒng)的概念，而是一種采用沖激脈沖作為信息載體的非正弦系統(tǒng)。

(一)時間調制超寬帶TM-UWB的關鍵技術——時間調制技術。TM-UWB技術的一般工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，其寬度通常在200ps-500ps之間，脈沖與脈沖之間的間即，即重復周期通常在25ns-1000ns之間，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，超寬帶接收機直接將射頻信號轉換為墓帶數(shù)字信號和模擬輸出信號。只用一級前端交叉相關器就把電磁脈沖序列轉換成基帶信號，不用傳統(tǒng)通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。單比特的信息常被擴展到多個單脈沖上，接收機將這幾個脈沖相加以恢復發(fā)射信息。

(二)時間調制超寬帶寬(TM--UWB)系統(tǒng)的性能特點。基于時間脈沖位置調制的超寬帶無線時域技術有以下特點：用超短周期脈沖進行通信，此信號本身為超寬帶信號，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz-SGHz之間，在亞毫瓦量級的平均功率下的傳輸距離達數(shù)英里，抗干擾和抗多徑的能力強，具有很寬的帶寬和多個信道可以利用，與擴頻系統(tǒng)相比，時域通信系統(tǒng)結構簡單，成本相對較低。具體來講：

1、隱蔽性好。無線電波空間傳播的“公開性”是無線電通信較之有線通信的固有不足。超寬帶無線電的射頻帶寬可達IGHz以上，且所需平均功率很小，信號被隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號中，難以被敵方檢測。

2、處理增益高。超寬帶無線電處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)，可以做到比目前實際擴譜系統(tǒng)高得多的處理增益。

3、多徑分辯能力強。由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數(shù)據傳輸速率。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10-30dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。

4、傳輸速率高。數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化是通信發(fā)展的主要趨勢。確保提供高質量多媒體業(yè)務的無線網絡，其信息速率不能低于50Mbps。超寬帶無線電在近距離能提供很高的數(shù)據傳輸速率，研究表明，在10-100m范圍內，傳輸速率可達到50Mbit／s-250Mbids，但超過100m系統(tǒng)吞吐量將大大降低。

5、系統(tǒng)容量大。超寬帶無線電發(fā)送占空比極低的沖徽脈沖，采用跳時(TH)地址碼調制，便于組成類似DS-CDMA系統(tǒng)的移動網絡。由于超寬帶無線電具有很高的處理增益，并且具有很強的多徑分辯能力，因此，超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大于3G系統(tǒng)。

6、穿透能力強。實驗系統(tǒng)證明，超寬帶無線電具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規(guī)超短波信號在從林中不能有效傳播的空白。

7、低功耗。超寬帶無線電的功耗很低，僅為1～4mW大大延長了電源的供電時間。

正是由于上述特點，TM-UWB技術可以用在個人通信系統(tǒng)(Pc、建筑物內通信系統(tǒng)、高速無線局域網、家庭智能網、無繩電話、保安探測、近距離高精度定位等方面。

三、UWB通信技術中的時間調制技術的應用及其前景分析

(一)雷達應用。TM-UWB技術用于地面探測雷達(GPR)已有一段歷史，現(xiàn)在正在向成像系統(tǒng)的新方向發(fā)展，并可應用于治安、消防和人員營救中，用來對藏在墻后或者碎片中的人員進行定位。

(二)通信應用。TM-UWB設備可以應用于各種通信系統(tǒng)下，如避免多徑效應干擾的短距離高數(shù)據率通信。多徑效應是一種輻射現(xiàn)象，它由于傳輸信號本身的反射，導致了到達接收天線的信號經由兩個或多個不同的路徑。UWB通信設備可以用于樓內或家庭的無線傳輸服務，如電話、電報和電腦網絡。這些設備也可提供隱蔽、可靠的通信，從而應用于治安、消防和人員營救。的用途包括：緊急事件中的區(qū)域照明，人員和有用資產跟蹤，交通工具或工農業(yè)設備的精確導航。目前已開發(fā)的系統(tǒng)有：

固定無線通信：距離超過16公里的全雙工系統(tǒng)，工作頻率1.3GHz，平均輸出功率250微瓦，可達到39kbps-156kbps的數(shù)據傳輸率。

移動無線通信：全雙工的walkie-talkie系統(tǒng)，工作頻率1.7GHz，平均輸出功率2毫瓦，數(shù)據率32kbps，距離900米。

樓內通信：單12GHz的數(shù)據鏈路，有效輸出功率50微瓦，不用前向糾錯仍保證BER為零時，能在有兩堵墻的辦公室環(huán)境中達到32Mbps的數(shù)據傳輸率，性能相當不錯。

當前無線技術的應用越來越紅火，無線資源也顯的越來越進展，無論是GSM，CDMA還是眾目期盼的3G技術，都遠遠不能滿足消費者對無線帶寬資源的需要，超寬度無線電技術及時間調制技術的出現(xiàn)，使無線通信有“山窮水復疑無路，柳暗花明又一村”的感覺。

但UWB技術及時間調制技術，雖然有著極大的吸引力-但它背后隱藏著許多極具挑戰(zhàn)性的研究課題。UWB及相應的時間調制技術真正進入商業(yè)，還有好長的路要走：首先，要建立從時域角度考慮的超寬帶無線電發(fā)射器的模型。UWB技術使用的天線最好從時域的角度考慮：天線的緊湊型、低電壓、天線的輻射效率、全向天線和定向天線的選擇等都需要解決。

低電平超寬帶無線電信號集合干擾問題也是以后研究的重點。在理論上和實踐上改進和完善時間調制信號與頻域調制信號之間的相互干擾問題。仿真結果表明在理論上是能夠有效的平衡的，但還需要現(xiàn)場實驗來驗證。

四、結語

雖然超寬帶無線電及時間調整技術在進入商用還有許多障礙，但2002~2月14日，F(xiàn)CC正式解除了超寬帶技術的民用禁令，準許該技術自由進入民用領域；在當前技術研發(fā)突發(fā)猛進的時代，新技術新應用的突出空前的快速，相信在不久的將來，時間調制技術將越發(fā)顯示出它相對與傳統(tǒng)頻域調制技術的優(yōu)越性。