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周育輝，梅振東

　　1 引言 

　　隨著計算機通信技術的不斷發展，無線傳輸技術得到了廣泛的應用，而超帶寬（UWB）技術作為一種新型短距離高速無線通信技術正占據主導地位，超帶寬技術又被稱為脈沖無線發射技術，是指占用帶寬大于中心頻率的1/4或帶寬大于1.5GHz的無線發射方案，超帶寬技術在2002年以前主要應用于雷達和遙感等軍事領域，UWB技術不需載波，能直接調制脈沖信號，產生帶寬高達幾兆赫茲的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業無線通信技術所占用的帶寬，UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術具有以下優勢：易于與現有的窄帶系統（如全球定位系統（GPS）、蜂窩通信系統、地面電視等）公用頻段，大大提高了頻譜利用率。  
易于實現多用戶的短距離高速數據通信；對多徑衰落具有魯棒性，目前，UWB技術在商業多媒體設備、家庭和個人網絡方面的應用正在不斷發展。 

　　2 UWB的關鍵技術 

　　2.1 脈沖成形技術 

　　任何數字通信系統，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息，對于線性調制系統，已調制信號可以統一表示為[1]： 

　　s（t）＝ΣIn g（t－T） 

　　其中，In為承載信息的離散數據符號序列；T為數據符號持續時間；g（t）為時域成形波形，通信系統的工作頻段，信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現復雜度等諸多因素都取決于g（t）的設計。 

　　對于UWB通信系統，成形信號g（t）的帶寬必須大于500mHz，且信號能量集中于3.1－10.6GHz頻段，脈沖成形技術中最具代表性的無載波脈沖是高斯單周脈沖，他的帶帶寬已經大于2GHz，高斯單周脈沖是高斯脈沖的各階導數，各階脈沖波形可由高斯一階導數通過逐次求導得到。隨著脈沖信號階數的增加，過零點數逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降，早期UWB系統采用1階、2階脈沖、信號頻率成分從直流延續到2GHz，按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。 

　　2.2 調制技術 

　　調制方式是指信號以何種方式承載信息，他不但決定著通信系統的有效性和可靠性，是也影響信號的頻譜結構、接收機復雜度，在UWB系統中常用的調制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調制，基于OFDM的正交多載波調制。其中基于超帶寬脈沖的調制常用的有脈位調制和脈副調制。 

　　脈位調制（PPM）是一種利用脈沖位置承載數據信息的調制方式，按照采用的離散數據符號狀態數可以分為二進制PPM（2PPM）和多進制PPM（MPPM）。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態一一對應，根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重疊的PPM中，為保證系統傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關函數的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化，在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位，接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測，鑒于UWB系統的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2PPM或2OPPM。 

　　脈副調制（PAM）是數字通信系統最為常用的調制方式之一。在UWB系統中，考慮到實現復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM（MPAM）。UWB系統常用的PAM有兩種方式：開關鍵控（OOK）和二進制相移鍵控（BPSK）。OOK可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而BPSK采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。 

　　正交多載波調制（OFDM）是一種高效的數據傳輸方式，其基本思想是把高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響，通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完成消除符號間干擾，OFDM相對于一般的多載波傳輸的不同之處是他允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交則可以從混迭的子載波上分離出數據信息，由于OFDM允許子載波頻譜混迭起，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調制方式。 

　　2.3 接收技術 

　　盡管UWB信道的時延擴展很大，但是在信號占空比很低的情況下，前后兩個接收波形之間的干擾可以忽略不計，因此早期的UWB接收機結構很簡單，只是一個等效于匹配濾波的相關器而已。同時為了降低微器件模擬變換器的（ADC）變換速率的要求，相關器是用線性相乘和積分等模擬過程實現的，但是當對傳輸速率的要求達到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性對接收信號的影響變得嚴重起來，接收信號幅度上的衰落需要通過RAKE接收機收集足夠非常的多徑分量來克服，另一方面，信號的占空比不足以避免前后波形之間的重疊現象，如何解決符號間干擾（ISI）問題也必須在系統設計中加以考慮，一種比較理想的解決方案影響是RAKE＋均衡，通過RAKE接收捕捉各條徑的能量以抵抗衰落，同時利用均衡來消除符號間干擾。目前對接收機在多徑和各種干擾環境下的性能分析通常基于RAKE接收機，在具體實現上，有幾種路徑選取方法可以用，例如選擇信號最強的L條路徑或是最先到達的L條路徑。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是實現難度較大，從仿真結果來看，就UWB信道特性而言，選擇4－6條路徑進行合并已可獲得接近最佳的性能，同步也是接收機中值得關注的一個問題，在高速應用中，快速同步的實現尤為關鍵，如果采用最大比合并方式，接收機還需要進行信道估計[2]。 

　　3 UWB無線傳輸系統的基本模型 

　　UWB系統的基本模型主要由發射部分、無線信道和接收部分構成，與傳統的無線發射、接收機結構相比，UWB的發射、接收機結構相對簡單，易于實現，如傳統藍牙系統是一種低功耗的無線傳輸技術，它的集成電路是經典的超外差電路，發射機部分包括壓控振蕩器、鎖相環同步器、參考振蕩器，接收機部分包括低噪聲放大器、混頻器、放大器等；而UWB的發射、接收機的結構不同，因為脈沖產生器只需產生大約100mV的電壓就能滿足發射要求，因而發射端不需要功率放大器，在接收端，天線收集的信號先通過低噪聲放大器，再通過一個匹配濾波器或相關接收機恢復出期望信號[3]，由于UWB信號的發射未經載波調制，UWB的接收端不再需要參考振蕩器、鎖相環同步器、壓控振蕩器及混頻器等。UWB的發射、接收機結構比藍牙更簡單，UWB的發射機可靈活地調整發射距離，當發射距離增大時，UWB可以用多個脈沖傳一個信號以增加接收端的信噪比，由于UWB的發射功率與脈沖重復頻率成正比，因此可以通過軟件對數據率、功耗、發射范圍進行管理，這種靈活性非常有利于功率受限的便攜式終端的設計。

　　4 UWB在無線多媒體個域網中的應用

　　UWB無線通信技術的主要功能包括無線通信和定位功能。進行高速無線通信（速率在100Mb/s以上）時，傳輸距離較近，一般在10－20m左右，進行較低速率無線通信和定位時，傳輸距離可更遠，UWB技術采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數層墻壁進行通信、成像或定位，與全球定位系統（GPS）相比，UWB技術的定位精確度更高，可以達到10－20cm的精度，正是憑借短距離傳輸范圍內的高傳輸速率及高精確度這一巨大優勢，UWB進入民用市場之初就將其應用定位在了無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）上，這樣一種小范圍內進行高速通信，可以使人們擺脫線纜的束縛，使各種設備以高速無線進行連接。根據超帶寬無線傳輸的特性，UWB技術可以應用于無線多媒體家域網、個域網，雷達定位和成像系統，智能交通系統，以及應用于軍事、公安、救援、醫療、測量等多個領域。

　　無線多媒體個域網中，各種數字多媒體設備根據需要，在小范圍內組成自組織式的網絡，相互傳送多媒體數據，并可以通過安裝在家中的帶寬網關，接入英特網。數字多媒體設備是那些需要收發視頻、音頻、文本、數據等數字多媒體信息的設備，如數碼攝像機、數碼照相機、MP3播放器、DVD播放器、數字電視、臺式機、筆記本電腦、打印機、投影儀、掃描儀、攝像頭、手機、各種智能家電、機頂盒等。UWB技術與現有的其他無線通信技術相比，數據傳輸速率高、功耗低、安全性好。UWB技術可以實現的速率超過1Gb/s，與有線的USB2.0接口相當，遠遠高于無線局域網802.11 b的11Mb/s，也比下一代無線局域網802.11a/g的54Mb/s高出近一個數量級，UWB通信的功耗較低，能更好地滿足使用電池的移動設備的要求，另外，UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等擴頻多址技術，使非授權者很難接獲傳輸的信息，因而安全性非常好。

　　表1是一些典型的實時多媒體應用對不同無線傳輸技術的數據傳輸速率的要求，從表中可以看出，如果采用無線的方式來進行傳輸，只有UWB技術可以滿足各種應用的要求。



　　表2為下載一些多媒體信息所需的時間，采用UWB技術，可以在合理的時間內完成下載，隨著多媒體應用的發展，其類似大小和所需傳輸速率還將不斷提高，因此，在目前的無線通信技術中，只有UWB技術可以滿足構建無線多媒體家域網的要求。



　　5 結語

　　無線通信已經迅速滲入到我們的生活之中，不斷增長的容量要求需要一種不對現有通信系統造成影響的新的無線通信方案，而超帶寬脈沖無線電系統正好滿足了這要求，在科研人員的努力下，不久的將來技術將會更加完善、更加有效地服務于人們的生活。