寬帶脈沖無線電通信關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

【摘 要】通訊時代已走上了高速公路，信息傳輸?shù)乃俾省⑿屎桶踩煽啃栽絹碓街匾?。相對于有線設(shè)備，人們也越來越喜愛使用無線設(shè)備，移動、攜帶便捷成為了無線設(shè)備的主要特點。現(xiàn)在的寬帶脈沖無線通信技術(shù)正逐步應(yīng)用到無線設(shè)備上，本文將向讀者介紹寬帶脈沖無線電技術(shù)的原理和意義，著重闡述其關(guān)鍵技術(shù)，并對技術(shù)應(yīng)用中所遇到的問題進(jìn)行說明分析。

【關(guān)鍵詞】超寬帶脈沖 無線電通信技術(shù) 通信技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)今科技高速發(fā)展，人與人間的聯(lián)絡(luò)方式也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這些情況使得數(shù)據(jù)通訊和無線通信業(yè)務(wù)很快繁榮了起來，人們對無線通信服務(wù)的質(zhì)量和速度也越來越看重。隨著各國商業(yè)上對3.1-10.6GHz頻譜資源的運用，超寬帶技術(shù)逐步走入人們的視野。

一、寬帶脈沖無線電技術(shù)簡介

超寬帶技術(shù)發(fā)展剛起步時，Scholtz博士開發(fā)出了一種適用于短距離密集多徑環(huán)境的跳時脈沖無線電技術(shù)，這也是當(dāng)今超寬帶的主流技術(shù)。脈沖無線電系統(tǒng)具有構(gòu)造簡便、耗能低等優(yōu)點，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛使用。同時，60GHz無線電通信技術(shù)，因其頻譜資源豐富，適用于對速率要求高的短距離通信，在吉比特以太網(wǎng)、高清晰多媒體接口等領(lǐng)域的應(yīng)用上有巨大潛能。脈沖無線電技術(shù)還因其信號穿透能力強等獨特優(yōu)點，廣受個人消費電子和傳感器網(wǎng)絡(luò)的青睞[1]。

二、應(yīng)用研究方向

目前，在脈沖無線電超寬帶和60GHz系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究主要集中在一下幾個方向：

（一）雷達(dá)與成像系統(tǒng)。雷達(dá)和成像系統(tǒng)的應(yīng)用方面，主要看重的是寬帶脈沖無線電系統(tǒng)可以直接發(fā)總納米級的短脈沖，具有較大的信號帶寬，尤其是超寬帶的信號穿透能力很強，在空間分辨率、速度策略和實體識別方面具有較高能力。在檢測掩埋物、穿墻監(jiān)視、醫(yī)療檢測等方面均發(fā)揮了超寬帶雷達(dá)的強大作用。

（二）精確定位系統(tǒng)。超寬帶脈沖無線電的多徑分辨能力強，能夠透視物體，由于超寬帶脈沖無線電的這種特點，所以基于這種技術(shù)的定位系統(tǒng)即使在很不良的環(huán)境下作業(yè)也能提供很精確的定位。

（三）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信可靠性和精度測距方面都有較高要求，脈沖無線電技術(shù)能夠很好地滿足其要求。脈沖無線電超寬帶系統(tǒng)的構(gòu)造簡便、不復(fù)雜，成本低，具有白噪聲樣的信號特點，對別的設(shè)備干擾很少，能夠抗多徑干擾和擁塞，且時域分辨率好，利于跟蹤和精確定位。

三、關(guān)鍵技術(shù)

21世紀(jì)初開始商業(yè)上已經(jīng)被允許使用超寬帶系統(tǒng)，其基本技術(shù)應(yīng)用以日趨成熟。從技術(shù)上講，對脈沖超寬帶系統(tǒng)的研究主要有一下幾方面：

（一）脈沖設(shè)計。在UWB系統(tǒng)中，能夠直接發(fā)送的短脈沖持續(xù)時間不到1ns，所以寬帶可以超過1GHz。新提出不久的高斯脈沖系列波形、修正的艾爾米特脈沖波形及拉普拉斯脈沖波形等，它們的目標(biāo)在脈沖寬度范圍內(nèi)，發(fā)射信號在頻譜分布中有近乎平直的部分，并能為有效發(fā)射信號而避免直流分量。

（二）接收機設(shè)計。超寬帶系統(tǒng)可以直接發(fā)出超短脈沖進(jìn)行通信，在完美估計信道和同步作業(yè)的情況下，相關(guān)接收機能向系統(tǒng)提供較好的誤碼性能。而且，UWB信號的延時分辨率較好，Rake接收機可以使用系統(tǒng)分辨出的多徑分量，尤為重要的是Rake接收機可以在忽略碼間干擾和多用戶干擾的情形下具有最佳檢測機制，誤碼性能達(dá)到最強。

（三）調(diào)制機制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、發(fā)送信號頻譜特征、收發(fā)機復(fù)雜度、誤碼率等都與調(diào)制機制方法緊密相關(guān)，調(diào)制機制在通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。常用的脈沖無線電超寬帶系統(tǒng)調(diào)制手段有：脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖形狀調(diào)制（PSM）、開關(guān)鍵控制（OOK）及二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）等。

（四）信道測量建模。超寬帶剛被提出的時候，信道測量就引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的強烈關(guān)注，研究人員對工廠和現(xiàn)代辦公室等典型應(yīng)用性環(huán)境進(jìn)行了測量建模。從物理層來講，60GHz系統(tǒng)與超寬帶在技術(shù)上很相似，不同之處在于60GHz系統(tǒng)所使用的脈沖屬于超高頻譜范圍，這所來了的正負(fù)面都有的。

四、技術(shù)應(yīng)用

與傳統(tǒng)窄帶通信相比，脈沖無線電系統(tǒng)的收發(fā)機結(jié)構(gòu)更簡單，發(fā)射機正常情況下只需要一支晶體管工作在簡單數(shù)字模式，晶體管產(chǎn)生的脈沖可以通過濾波器，形成單周期脈沖，不需借助線性放大器，降低了功耗和成本。脈沖無線電接收機也比傳統(tǒng)窄帶通信簡單，原因是它不需要中頻級。脈沖無線電收發(fā)機能夠集中到同一張芯片上，節(jié)約了成本，且功耗低、速率高，特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、定位和視頻監(jiān)控等應(yīng)用[3]。

（一）脈沖無線電超寬帶圖像傳輸系統(tǒng)。這種方法使用了圖像信息和信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)良好時，輸送圖像關(guān)鍵信息，信道狀態(tài)不好時，輸送圖像次要信息。這種方法的實用性和靈活性是較好的。圖像信息需要分類后在輸入到UWB系統(tǒng)中，其分類方法可以使用二位離散小波變換算法。最終圖像信息會沿著樹的走向分為四部分：斜線高頻部分、垂直高頻部分、水平高頻部分和低頻部分。得出的數(shù)據(jù)信息還有經(jīng)過信道衰落閾值選擇進(jìn)入到仿真階段。

（二）脈沖無線電UWB在智能電網(wǎng)中的前景

1.家庭能源管理系統(tǒng)。家庭能源管理系統(tǒng)是以智能電網(wǎng)中電力消費為中心的，監(jiān)控帶有智能電表的電器，優(yōu)化電力使用和消費。它要實現(xiàn)對能源的有效監(jiān)控，其通信技術(shù)主要分為兩類來研究：無線通信與有線通信。與有線通信相比，無線通信更穩(wěn)定、成本更低、性能也更好，在無線通信中，最有發(fā)展前景的莫過于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)了。

2.脈沖超寬帶系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。Zigbee技術(shù)，它的設(shè)備構(gòu)造簡便、成本較低，適用于節(jié)點很多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然Zigbee技術(shù)也有缺點，就是抗多徑力差、定位不準(zhǔn)，設(shè)備間相互易受影響。

超寬帶脈沖無線電通信技術(shù)是很有前景的，當(dāng)然也有許多地方不成熟，需要在今后的研究和實踐經(jīng)驗中逐步完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂婷婷.寬帶脈沖無線電通信技術(shù)及研究[D].山東：中國海洋大學(xué)，2013.

[2]趙陳亮.典型超寬帶信號的發(fā)射與接收技術(shù)[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2013.

[3]劉空鵬.室內(nèi)超寬帶（UWB）無線通信系統(tǒng)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2013.