超寬帶（UWB）無(wú)線通信中的調(diào)制技術(shù)

張勇 楊海林

摘 要：超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）無(wú)線技術(shù)在無(wú)線電通信、雷達(dá)、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此被認(rèn)為是未來(lái)幾年電信熱門(mén)技術(shù)之一。目前“超寬帶”的定義只是針對(duì)信號(hào)頻譜的相對(duì)帶寬（或絕對(duì)帶寬）而言，沒(méi)有界定的時(shí)域波形特征。因此，有多種方式產(chǎn)生超寬帶信號(hào)。其中，最典型的方法是利用納秒級(jí)的窄脈沖（又稱為沖激脈沖）的頻譜特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：超寬帶；無(wú)線技術(shù)；調(diào)制技術(shù)

1 UWB基本原理

FCC（美國(guó)通信委員會(huì)）對(duì)超寬帶系統(tǒng)的最新定義是：相對(duì)帶寬（在-10dB點(diǎn)處）（fH-fL）/fc>20%（fH，fL，fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率） 或者總帶寬BW> 500MHz。它與現(xiàn)有的無(wú)線電系統(tǒng)比較，在花費(fèi)更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率（100～500MbPs）、更強(qiáng)的抗干擾能力（處理增益50dB以上），同時(shí)具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力（精度在cm 以內(nèi)）。

發(fā)射超寬帶（UWB）信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短（占空比低達(dá)0.5%）的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無(wú)線電（IR）”。UWB-IR又被稱為基帶無(wú)載波無(wú)線電，因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號(hào)調(diào)制到更高的載頻上，而是用基帶信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)天線輸出的；由信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)，為了形成所產(chǎn)生信號(hào)的頻譜而用偽隨即序列對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。

2 UWB的調(diào)制技術(shù)

超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據(jù)對(duì)脈沖的調(diào)制方法可以有多種。脈沖位置調(diào)制（PPM） 和脈沖幅度調(diào)制（PAM）是UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常UWB信號(hào)模型為：

（1）

其中，w （t） 表示發(fā)送的單周期脈沖，dj，tj分別表示單脈沖的幅度和時(shí)延。PAM是一種通過(guò)改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中，一系列的脈沖幅度被用來(lái)代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過(guò)其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在{-1，+1}之間變化（對(duì)于雙極性信號(hào)）或在M個(gè)值之間變化（對(duì)于M 元PAM）。

采用脈沖幅度調(diào)制（PM）的超寬帶信號(hào)波形如下：

（2）

其中，dj是信息序列，Tf是脈沖重復(fù)周期。根據(jù)dj的不同取值，可將PAM調(diào)制方式分為以下三種：

（1）OOK（發(fā)送數(shù)據(jù)為1，UWB信號(hào)的幅度為1，發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為0）；

（2）PPAM（發(fā)送數(shù)據(jù)為1，UWB 信號(hào)的幅度為β1 ；發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為β2）；

（3）BPSK（發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ，UWB 信號(hào)的幅度為1 ；發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號(hào)的幅度為- 1） 。

對(duì)于這三種方式，在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。

脈沖位置調(diào)制（PPM） 又稱時(shí)間調(diào)制（TM） ，是用每個(gè)脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標(biāo)準(zhǔn)或特定時(shí)刻來(lái)表示某個(gè)特定信息的。二進(jìn)制PPM 是超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法，相對(duì)其它調(diào)制方法來(lái)說(shuō)也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個(gè)重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機(jī)來(lái)接收檢測(cè)信號(hào)，而這種接收機(jī)有著非常好的性能。圖1 給出了上述四種制方法的信號(hào)波形圖，對(duì)這四種調(diào)制方式給出了一個(gè)比較直觀的描述。

3 UWB 技術(shù)特點(diǎn)

由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 （1+S/N）可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來(lái)的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。超寬帶無(wú)線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。

（2）高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB系統(tǒng)使用上GHz的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bps～1Gbps。

（3）多徑分辨能力強(qiáng)。UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB 的多徑環(huán)境，UWB 信號(hào)的衰落最多不到5dB。

（4）隱蔽性好。因?yàn)閁WB 的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB 設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾就非常低。

（5）定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線電通信，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS提供絕對(duì)地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置， 其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

（6）抗干擾能力強(qiáng)。UWB 擴(kuò)頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個(gè)比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0.01～0.001 ，具有比其它擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。

（7）低成本和低功耗。UWB 無(wú)線通信系統(tǒng)接收機(jī)沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、混頻器等， 因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本將很低。由于UWB信號(hào)無(wú)需載波，而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一。

4 UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成框圖

1.UWB發(fā)射機(jī)

UWB發(fā)射機(jī)直接發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機(jī)比現(xiàn)有無(wú)線發(fā)射設(shè)備要簡(jiǎn)單得多。TH-UWB發(fā)射機(jī)組成框圖如圖2所示。

調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時(shí)延控制脈沖信號(hào)發(fā)生器的發(fā)送時(shí)刻，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的UWB信號(hào)由天線輻射出去。脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的一個(gè)關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當(dāng)于一個(gè)濾波器。

2.UWB接收機(jī)組成框圖

TH-UWB接收機(jī)采用相關(guān)接收方式，接收機(jī)框圖如圖3所示。圖3中虛線內(nèi)的部分是相關(guān)器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成。

接收機(jī)與發(fā)射機(jī)類(lèi)似，兩者的區(qū)別在于接收機(jī)的基帶信號(hào)處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號(hào)處理器的輸出控制可編程時(shí)延電，為可編程時(shí)延電路提供定時(shí)跟蹤信號(hào)，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。

5 UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景

UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì)，最大可以提供高達(dá)1000Mbps 以上的傳輸速率，使UWB 同其它短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯?，F(xiàn)有的各種無(wú)線解決方案（例如：802.11 ，Bluetooth等） 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制，UWB 的應(yīng)用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。

無(wú)線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當(dāng)中，對(duì)容量不斷增長(zhǎng)的要求需要一種不對(duì)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無(wú)線通信方案，超寬帶脈沖無(wú)線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對(duì)于無(wú)線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的，隨著研究的深入，憑借多方面的優(yōu)勢(shì)，它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域，UWB 將有廣闊的發(fā)展空間。

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