超宽带通信系统

超宽带通信系统（精选9篇）

超宽带通信系统 篇1

0 引言

UWB主要应用于短距离的无线通信,无线的高速率个人区域网(WPAN)具有非常低的传输率和精确的定位能力,目前,在日益缺少的无线电频资源无法再生的情况下,无线通信的分配后的资源可供人们有效地使用,可见,它的这种优点也使其他形式的无线通信系统所进行的电磁兼容得到加强,更是在对其的生成问题上有很大影响。

1 电磁兼容概述

电磁兼容性(EMC)指的是设备以及系统在电磁环境里既要符合运行要求,又不能对其环境里的任何设备带来不能忍受电磁的干扰能力。因此,EMC有两方面具体要求:(1)设备正常运行的过程中要对所在周围环境产生电磁的干扰的有限值不能被超越;(2)器具对周围环境所存在电磁的干扰要具有一定的抗干扰度,也就是我们常说的电磁敏感性。

EMC包含EMI(电磁干扰)和EMS(电磁耐受性),所谓EMI指的是机器执行自身具有的功能时所产生的不利于系统的大量电磁的噪声;EMS指的机器执行自身具有的功能时不受到周围电磁的环境影响力。

2 单个 UWB 设备进行电磁兼容的分析方法

单个UMB装置和其他形式的无线通信系统间彼此相互干扰于已设定UWB设备及与其它形式系统之间存有的安全距离内对单个UWB做出研究,确定出UWB发射时最大功率或者于已给出UWB设备发射最大功率时此种操作模式下,对其他无线通讯系统的性能、容量等方面不产生影响,将两者间的距离定在最小范围内的基础上再来考虑:受干扰的设备的发射信号功率谱的形状、灵活度、路径损害以及UWB信号脉冲的重复频率和UWB信号脉冲的反复频率。

2.1UWB 设备在最大有效等向发射功率时的计算方法

假设在只有单个形式UWB设备,于给定单个的UWB设备和其它的系统的安全距离时,将UWB设备的最大EIRP给予确定:

上式中:EIRPMAX为UWB设备于参考宽带内最大地EIRP值。

其中,ELRPMAX作为UWB的参考宽带范围内的最大ELRP, 我们用DBM/BREF来表示,受干扰的接收器能承受最大的干扰值为用DBM/BREF来表示,当系统发生不符合条件上述性能情况之时所带中平均干扰值用来确定出IMAX, 通常情况下会利用所受干扰接收器所接预期信号强度与信号冗余的和再减去载噪比来表示。

宽带的纠正因子:BWCF,用在UWB的信号PRF,BEF和BIF(受干扰的接受器)的频带宽之间用来做补偿,假设UWB对整个接收器的频带宽上的辐射非常均匀。关于UWB的无抖动发射如表1所示。

对于收发天线(LP) 的传输路径的损耗用DB表示 ,LR为插入的损耗,即接收器和接收天线之间的损耗。

2.2最小距离计算方法

考虑到两系统间的电磁兼容性影响因素:建立系统的发射功率时,为避免其对其它系统带来干扰,这需要估算出两个系统间的最小距离加以计算得出最小传输路径损耗,其后再利用合适的路径损耗模型,选择合适的参数,就可以将其转换为路径损耗的最小距离,受干扰设备的用PRX, 来表示设备灵敏性,用SMAR, 来表达系统的期望信号冗余,可用C/N代表设备的灵敏度的载噪比。

3 多个 UWB 设备基于电磁兼容方面的分析法

3.1 傅立叶变换法

若假设UWB设备在均匀分布状态下放置于受干扰的接收器干扰周围,并把受干扰接收器放在中心位置上。再用傅立叶的变换法对多个UWB发射器的冲击脉冲f(t) 进行计算 , 角频率为:脉冲宽度为, 代表脉冲中心频率。这样的情况下把受到干扰的接收器存于带通滤波器里,此刻信号峰值便会从冲击脉冲以及傅立叶变换成受干扰接收器频率,再利用乘法计算而得出,受干扰接收器天的场强计算公式为:

该情况下用d来表示多个UWB发射器与受到干扰的接收器间的距离。将所有UWB设备效应进行加法求和,便可得到干扰信号在频带之上的峰值。

3.2积分法

假设uwB发射机 (Tr) 受干扰的接收器 (Rx) 在受到干扰时,将其均匀的安置于该环形的区域,再假定UwB发射的功率全部符合相等的情况,此时,已受到干扰接收器其R米定义在微分的环形区域里,面积是:dA=2πrdr,所包含UWB设备他们的总发射功率为以下公式表示:。UWB设备功率为PT,用GT表示天线增益,用N来代表发射器密度。

3.3总和法

该方法假定UWH发射器位置分布在存有间隔的同心环上,且其空间之上各个环均被均匀地分布在整个受害的干扰中心,由于每个环上的发射机具有相等距离和具有相同的路径损耗,当计算环上每一个发射器上全部的光谱功率的通量密度时,可以得出其接受天线合成光谱的通量密度总值。

在假设用N来表示用户密度,而发射器则位于最外环上并以R0来表示,而R1来表示最内环,此时得到的发射器于整个环面内数量。再经过计算得出环中心全部的发射器所受到的干扰接收器上的总功率的通量密度。用G1代表发射器天线增益,得出总谱功率的通量密度。

3.4蒙特卡罗法

该方法是利用随机的概率得出值加以计算,拥有不确定性质的变量因素,在恰好加入适合的数学模型下生成大量的数据,得出的值可当做统计的结果。其中有效性与精度依赖于其受干扰的条件,根据不同的条件来进行数学模型准确性与测试数量计算。

蒙特卡罗方法假定 , 先把被受干扰接收器以均匀方式分布与干扰器的范围运行,再逐个施加到各个接收器的发射功率、损天线增益以及接收器包装与频率间隔加以干扰进行确定,观察载波的干扰低于保护合成载波噪声比N时,将被认定的干扰。合成的载波干扰比时等于载噪比GN与预期信号冗余的和,就是所需的信号电平和噪声门限之间的差。

4 电磁兼容分析新方法

4.1幅概分布法

该法用在无线电工程之中,主要用于描述信号和幅度统计特性等。常表示这种信号的幅度显然有极大程度上高出门限值概率的情况发生。经观察得到此种信号的幅度几乎没有大于高电压值的现象产生。

4.2幅度概率频域分布法

为了能够直观准确的观测到信号在不同频率的APD的分布状态,可将频率域信号用APD做出分析,实际应用中采用计算出均方根 (RMS)统计量。

综上所说,APD上所分析对象并非完整的信号,只是频率在某一频段部分信号,因此对于窄带业务,只有在被其它附带宽带覆盖范围中信号干扰才能对其造成影响,而范围外信号即便干扰性能有多强,对它也产生不了太大的影响。

5 结束语

通过对本文上述分析方法加以探讨,基于UWB信号在室内和室外的信道损耗模型、GSM通信系统的性能参数以及指标方面,都是可以模拟UWB设备来得到的也可以依靠其他的系统设备间的相互电磁兼容性,来帮助UWB确定最大的发射功率的谱密度,也可以用来确定UWB设备和其它通信系统设备间最小的安全距离。

超宽带通信系统 篇2

超宽带无线通信技术应用在很大程度上为人们的日常生活提供了便利，同时其使得人和人的关系更密切，新通信时代的到来有力推动了各大行业的进步。目前，世界上的超宽带无线通信技术的传输效率能够达到上千兆，即使在信号功率密度偏低的条件下，依然能够维持较高的传输速度。另外，由于距超宽带无线通信技术会在很大程度上受到长距离与高频信号的干扰，因此，该项技术的通信距离往往偏短，而通信距离的大幅度缩短也会在很大程度上提升传输效率。目前，我国超宽带无线通信的发射功率极其低，但是传输效率依旧能够稳定在每秒100兆至500兆的合理范围内。甚至就理论分析，当信号的带宽能够达到7GHz、信噪低于-10dB时，信道流量甚至可以达到每秒1G，这是传统通信技术远远无法实现的传输速度。

1.2发射功率低

在短距离的信号传输中，其发射功率甚至可以低于1毫瓦，这主要是由于带宽的牺牲实现的，其能够有效促进超宽带与窄宽带的共同使用，最大程度提升现有资源的利用效率。根据国际相关标准的具体规定，UWB信号的发射功率需要低于美国信噪的标准值-41.3dBm/MHz。因此，就理论分析而言，UWB信号产生的干扰仅仅为一宽带的噪声，一方面，这能够实现UWB信号与现有通信系统的良好共存，从而有效提升频谱的利用效率，缓解越来越紧张的能源局势；另一方，UWB信号的发射功率低能够有效提升信号的隐蔽性与安全性，使得其拦截与探测难度大大提升，这对于军事机密的安全传输来说起着非常重要的作用。

1.3互补性

超宽带无线通信技术具有明显的互补性特征，其主要体现在该项技术在接入方式、覆盖规模以及适用范围等方面，例如4G与WiFi技术都能够在一定方面互相补充，4G能够有效实现网络漫游与移动，同时在大范围内实现网络的无缝覆盖。而WiFi则能够在限定范围内实现高速度的信号传输，有效弥补了4G网络在信号传输速率方面的局限性。在此基础上，为了促进超宽带无线通信技术的改进与完善，这要求相关的技术人员应该加强对该项技术的研究与重视，实现网络技术体系的一体化发展，实现技术之间的互补与协调，并通过互补的接入方式与通信手段，全面满足客户的多样化需求，为客户提供更高质量的通信服务。与此同时，超宽带无线通信技术的互补性对于市场的细分与建立来说起着非常重要的作用，其能够实现技术系统整体的全面发展，改善其发展不均衡的现状，为其良好应用奠定可靠的基础。

1.4多径传播

超宽带通信系统 篇3

关键词：蓝牙；超宽带；无线通信；高速传输

0引言

微电子技术、无线电技术的发展和数字通信技术的紧密结合，逐步形成了无线数据传输技术。它的出现改变了传统的有线传输的使用现状，极大地减少了人们对有线网络的依赖，省去了铺设有线线路的麻烦，是无线通讯技术的一个重要发展方向。在现代无线移动终端设备中，蓝牙技术成为了数据传输的新宠；然而，随着无线通信技术的发展，各种无线通信系统相继出现，使可利用的频谱资源日趋饱和。但人们对无线通信系统的要求仍在不断提高，希望其提供更高的数据传输速率、成本更低、功耗更小。在这样的背景下，超宽带技术引起了人们的重视，已逐渐成为无线通信领域研究、开发的一个热点，并被视为下一代无线通信的关键技术之一。由于蓝牙技术和超宽带技术都适用于短距离无线通信，两者也具有很多相似性，因此将两者技术结合无不失为一种很好的现代无线通信解决方案。并且，Bluetooth SIG也在2005年5月公布了其与UWB团体合作的意愿，以开发能够使用UWB无线电的高速率Bluetooth规格。

本文首先阐述了蓝牙与超宽带无线通信的技术特点，之后提出了将蓝牙与超宽带无线通信技术相结合的一个解决方案。方案既保留了蓝牙技术现有的核心价值；又能够支持需要更高数据流通量的应用。实际上，对于传输文件这一目前典型的蓝牙应用，将来极有可能需要超宽带技术的速度。在本文最后，说明了该方案的可行性。

1蓝牙和超宽带技术特点

Bluetooth无线技术是—种短距离通信技术，旨在取代电缆来连接便携式和，或固定设备，并保证高度安全性。Bluetooth技术的主要特点在于功能强大、耗电量低、成本低廉。Bluetooth规格为范围广泛的设备定义了统一的结构，以便于彼此之间进行连接和通信。Bluetooth技术已获得了全球认可，世界各地的Bluetooth设备都可以与其邻近的Bluetooth设备连接。Bluetooth电子设备可以通过短距离的即时网络(称为微微网)进行无线连接和通信。在微微网中每个设备同时可以与多达七个设备进行通信。每个设备还可以同时属于多个微微网。当Bluetooth设备出入无线电邻近区域时，微微网可在此期间自动动态建立和撤消。

UWB是具革命性的无线数字数据传输技术，以极低的功率通过频段的宽频谱传输数据。它可以极高的速率传输数据(适合无线局域网应用)。理想情况下，UWB无线技术功耗小、价格低廉、高速、可使用范围很宽的无线电频谱、可穿透障碍物传输数据和具有广泛的应用范围。UWB允许在2米范围内达到约0～500Mbps的数据率，在10米范围内则能达到约110Mbps。

2利用蓝牙和超宽带技术相互配合实现无线数据传输

2．1基本思路

从以上分析可知，蓝牙在文件较小的数据传输方面比较有优势，因为文件较小，若用超宽带技术则浪费网络带宽，而用蓝牙则可以得到较快的链路建立时间；而对于音频、视频等多媒体文件的传输则超宽带技术以其数据传输速率占绝对优势，并且，它的脉冲非常短，传输的数据也很难被截取，安全也得以保证。因此，可以设想：对于比较小的文件用蓝牙进行传输，而对于多媒体文件可以用超宽带技术进行传输；利用蓝牙作为控制链路，负责传递网络协议的一些参数，而用超宽带直接传输文件数据。以最简单的点对点网络为例(如图l所示)，整个传输过程包括一个简化了的协议、自动重传请求机制(ARQ)以及一个结束标识。建立连接的过程类似于TCP协议的三次握手过程，而终止类似于TCP连接的改进的三次握手协议，但这些信号是通过蓝牙进行传输的。

2．2具体过程分析

在通讯双方初始化过程中，发送端需要发送待传输文件大小数据，接收端接收该数据后需要检验内存是否有足够空间可用，以保证传输文件的完整性。初始化阶段要求双方协定UWB链路的一些参数，比如一些调制参数、同步码序列以及帧参数等。由于蓝牙可提供可靠传输链接，UWB帧的发送信息可以通过蓝牙接口来识别。

考虑到蓝牙和超宽带技术的数据传输率相差悬殊以及蓝牙传输的可靠性，这里选用选择性重传策略(SRP)作为自动重传机制。当使用了这种策略以后，接收到的坏帧被丢弃，但是坏帧后面的好帧继续被缓存起来。当发送方超时以后，它只重传最早的未被确认的那一帧。如果那一帧正确到达接收方的话，则接收方依次将它所缓存的帧递交给网络层。选择性重传策略通常也跟以下的策略结合起来使用：当接收方检测到错误(例如，帧的校验和错误或者序列号不正确)时，它发送一个否定的确认(NAK)。NAK可以激发重传操作，而不需要等到相应的定时器过期，因此，NAK可以提高性能。

因此，在UWB通信系统中，接收端不必发送每一帧的确认信息，只需接收缓存到一定量的数据后，发送一个接收数据的校验和就够了。

另外，在两者互通技术方面，目前尚未有可行的标准出台，因此本文在此提出一种假设性的解决方案。

两者的物理层标准并不相同，如果修改两者的物理层标准可以实现互通，但是工程可能相当巨大，因此，可以在两者的物理层之上都添加一层协议融合层。众所周知，数据是以二进制方式传输的，因此可以在待传输的数据打包之前添加一位作为识别位。两者都靠协议融合层发送和接受数据。UWB的数据在第—位之前添加0，Bluetooth的数据在第一位之前添加1，之后数据打包，传输到协议融合层发送数据。接受数据时，协议融合层首先判断数据的第一位是0还是1，如果是0，则向下传输到UWB的物理层；如果是1，则向下传输到Bluetooth的物理层，之后再进行数据处理。如此，虽然协议融合层的编程可能有些复杂，但是可以不必修改双方的物理层协议。

3可行性分析

3．1二者技术的相似性

首先，从距离上考虑，蓝牙和UWB技术同是短距离通信。一个蓝牙设备在10m范围内感应到另一个蓝牙设备时，它们自动在两者之间建立连接，UWB的有效距离也是10m，属于近距离多媒体通信，这一点上二者几乎没有任何差别。其次，蓝牙使用了扩谱通信中的跳频方案，发射机每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，不断搜寻干扰比较小的信道，接收机以频率跟踪的方式进行接收；而UWB的多脉冲调制过程中的第一步就是扩谱，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置。第三，蓝牙和UWB技术都是低成本和低功耗的。蓝牙的市场目标就是移动设备，移动设备的外观和功耗要求，使得蓝牙必须是低成本低功耗的，蓝牙的输出功率只有1毫瓦，成本也只几美元左右；而UWB是不使用载波传输的无线通讯技术，又由于UWB直接采用二进制的传输

方式，可大大减少其零件组数，并且UWB的射频收发器架构简单，此外，芯片也可以使用CMOS结构，使得成本进一步降低，而当超宽带结合了蓝牙之后，功耗还可以大幅度降低。

3.2超宽带和蓝牙相结合的优势

在目前的标准下，在同一环境中使用2．45GHz的频段的WLAN(80Zllb)和蓝牙，尤其当二者相距较近常常会发生相互干扰使数据传输速度降低。蓝牙信道经常从不同的频隙跳到802..11b信号上，干扰802.11b信号，并阻止信号包的发送。当信号包被“破坏”后，发射系统因不能收到确认消息，就会重新发送，这就导致信息吞吐量的下降。要消除这样的干扰需要不断完善蓝牙协议标准。由于超宽带的脉冲非常短，频谱非常宽，能避免多路径传输的信号干扰问题，因此采用超宽带和蓝牙相结合的技术与其他无线通信技术间产生干扰的可能性大大降低。另外，蓝牙的数据传输率只有1Mb/s，远远不能满足将来的流媒体高速率的要求，而超宽带就能满足高容量的多媒体中流传输应用。其次，蓝牙提供短距离的对等通信，同其他技术比，蓝牙信号很容易被窃取，而超宽带的脉冲非常短，因此难以被侦测，同时其收发器之间由事先确认的辨认方法进行转换，接收端必须知道传送端的脉冲序列才能正确收到信号，因此具备高度的安全性。蓝牙在采用了超宽带的物理层后，将更加安全地传输。第四，超宽带最初是军方用在雷达的侦测系统上的，因为其具备精确的测距能力与定位功能，如果和蓝牙技术相结合，更能最大程度地提高连接性能和服务质量。

3.3展望

蓝牙特别兴趣团体(Bluetooth SIG)在2005年5月公布了其与UWB团体合作的意愿，以综合利用蓝牙和超宽带这两种无线技术的优点，开发能够使用UWB无线电的高速率Bluetooth规格。虽然新架构尚未得到充分定义，但新架构将使蓝牙产品能够利用超宽带的高速数据率。这将满足需要高速数据传输的应用需求，并可以使便携产品能够支持高质量视频应用。

4尚需解决的问题

由于蓝牙和超宽带的物理层并不相同，因此物理层互通是这项技术亟需解决的问题，这可以通过修改蓝牙的物理层标准得以解决。另一种解决的办法是在蓝牙和超宽带的物理层之上分别添加一层协议融合层，作为被选中的UWB MAC与蓝牙的逻辑连接控制及应用协议层之间接口的基础，以实现蓝牙和超宽带的物理层彼此互通。本文设想了一种解决办法，但还没有考虑协议融合层诸如安全等方面的问题，不过这些问题相信假以时日，都会得以解决。

5结束语

超宽带通信系统 篇4

超宽带 (UWB) 通信具有数据传输速率高、功耗低、多径分辨能力强等特点, 它适用于基带多用户通信、战场无线通信、高数据率多媒体业务等通信系统[1]。脉冲无线电 (IR) 是超宽带的最主要形式, 它通过基带传输纳秒级极短脉冲串传递信息, 其超宽的带宽使接收信号具有十分良好的时间分辨能力和衰落抑制能力, 易于Rake接收机的使用以实现多径分集[2]。为了获得良好的多径分集增益, 需要RAKE接收机的支路数通常较大, 但这增加了工程实践的复杂度。另一方面, 在多输入多输出 (MIMO) 信道上实现无线传输的技术也得到了很大的发展[3], 其采用多个发射以及接收天线为无线通信提供更大的系统容量。为了实现MIMO系统的性能潜力, 现在通常采用空时编码技术, 同时获得分集增益和编码增益。将空时编码技术引入多天线超宽带通信系统, 可以充分利用UWB和空时编码的优点, 在不增加接收机复杂度的情况下, 既获得了超宽带所固有的多径分集增益又获得了空间和时间的分集增益, 有效提高无线通信系统的信道容量, 同时提高了抗误比特率性能和抗定时抖动能力。已有部分文献研究了如何把空时编码应用到UWB系统中。需要注意的是, 在应用超宽带空时编码技术时应该考虑到信道特性的差异, 常规的空时编码通常应用于平坦衰落信道, 而超宽带信道一般建模为密集多径信道, 另外, 超宽带空时编码应用于实域无载波的超宽带无线通信系统, 不支持相位调制;而常规的空时编码是基于载波调制的, 可以采用相位调制。

1 几种超宽带空时编码方案

常见的空时编码方案有空时分组码 (STBC) 、空时网格码 (STTC) 、空时分层码 (LAST) 、差分空时码 (DSTC) [4], 下面分别介绍如何将它们应用于多天线超宽带通信系统中。定义w (t) 为超宽带脉冲, 每个符号在一个码元周期内通过Nf个脉冲重复发送, Tf为帧长, ε为符号能量, 发射天线数为MT。

1.1 超宽带空时分组码 (STBC-UWB-IR )

空时分组码是基于不同天线间符号正交设计的, 可以实现发射天线数MT确定的完全发射分集, 并且通过简单的最大似然译码算法实现最大可能的分集优势。将其引入超宽带通信系统中, 以文献[5]中的两根发射天线的超宽带空时分组码为例进行说明, 分析了两种编码方案。

第一种编码方案:

同一个符号周期内当两根天线上发送相同的符号s时, 从两根天线上发送的信号s0, s1分别为:

$\begin{array}{l}s{}_0=s\sqrt{\frac{\epsilon }{2{\rm N}{}_f}}{\displaystyle \sum _{n{}_f=0}^{{\rm N}{}_f-1}(}-1){}^{n{}_f}w(t-n{}_f{\rm T}{}_f)(1)\\ s{}_1=s\sqrt{\frac{\epsilon }{2{\rm N}{}_f}}{\displaystyle \sum _{n{}_f=0}^{{\rm N}{}_f-1}w}(t-n{}_f{\rm T}{}_f)(2)\end{array}$

第二种编码方案:

当在两个连续符号周期内从两根天线上发送两个连续的符号sa, sb时, 从两根天线上发送的信号s0, s1分别为:

$\begin{array}{l}s{}_0(t)=s\sqrt{\frac{\epsilon }{2{\rm N}{}_f}}{\displaystyle \sum _{n{}_f=0}^{{\rm N}{}_f-1}[}s{}_{a}w(t-2n{}_f{\rm T}{}_f)-\\ s{}_{b}w(t-2n{}_f{\rm T}{}_f-{\rm T}{}_f)](3)\\ s{}_1(t)=s\sqrt{\frac{\epsilon }{2{\rm N}{}_f}}{\displaystyle \sum _{n{}_f=0}^{{\rm N}{}_f-1}[}s{}_{b}w(t-2n{}_f{\rm T}{}_f)+\\ s{}_{a}w(t-2n{}_f{\rm T}{}_f-{\rm T}{}_f)](4)\end{array}$

常规的空时分组码, 当发射天线MT=3, 5, 6, 7, … 时分组码的码率小于1, 但超宽带空时分组码的码率等于1。因为涉及到符号内脉冲波形编码, 所以超宽带空时分组码也叫做模拟空时码。

1.2 超宽带空时网格码 (STTC-UWB-IR)

空时网格码是一种综合了差错控制编码、调制、发射接收分集的联合设计编码, 将空时网格码引入超宽带通信系统, 在增加信道容量的同时进一步提高系统性能。假设s为t时刻输入的N进制符号, 含有m=log2N个信息比特, 将s分成m路信息流, 每路含有1比特的信息量。发射天线数为MT时, 空时网格码的生成矩阵为G=[G1, G2, …, GN]T, Gn=[gn1, gn2, …, gnMT], n=1, 2, …, N。将每路信息流分别与Gn, n=1, 2, …, N, 相乘后各相量进行模N相加, 将所得相量中每个元素调制到脉冲w (t) 上, 并分别通过MT根天线发射出去。下面以四进制双正交调制和空时网格码QPSK编码方案为例进行说明[6]。

四进制的双正交调制实际是通过二进制PPM调制和双极性脉冲实现的。四进制双正交调制和QPSK调制的星座图是一样的, 所以可以简单地将常规的空时网格码QPSK编码方案直接应用于四进制双正交调制的超宽带系统中。如图1所示, G为4×MT矩阵, 输入信息被分成两路信息流d${}_t^1$和d${}_t^2$, 分别经过线性移位寄存器与生成矩阵的一行Gn, n=1, 2, 3, 4相乘, 然后模四相加, 每根天线发送的信号为:

$s(t)=\frac{{\rm P}}{\sqrt{{\rm M}{}_{{\rm T}}}}{\displaystyle \sum _{j=1}^{{\rm M}{}_{{\rm T}}}{\displaystyle \sum _{i=0}^{{\rm N}{}_f}a}}{}_{ij}w(t-i{\rm T}{}_f-b{}_{ij}t{}_p)(5)$

1.3 超宽带空时分层码 (LAST-UWB-IR)

空时分层码是一种空间复用技术, 即将N个通过信道编码后的比特流通过矢量编码器的变换映射到对应的N个发射天线上, 可将高速数据业务分拆成若干低速数据业务, 这使它在高速率无线通信中的应用有着非常大的潜力。将空时分层码应用于多天线超宽带通信系统[7], 当发送端输入信息比特流{di}时, 通过串并转换分解成与发送天线的数目MT相同的多路低数据率的比特流, 采用DS-UWB调制并发送出去。在一个信息符号发送时间间隔内, 每个天线发送的信号为:

$\begin{array}{l}S{}_i=\sqrt{\frac{\epsilon }{{\rm N}{}_{\text{D}\text{S}}}}{\displaystyle \sum _{j=0}^{{\rm N}{}_{\text{D}\text{S}}-1}w}(t-j{\rm T}{}_f)n{}_j(1-2d{}_i)\\ i=1,2,3,\cdots ,{\rm M}{}_{{\rm T}}(6)\end{array}$

1.4 超宽带差分空时码 (DSTC-UWB-IR)

在很难准确地估计信道的情况下, 差分非相关脉冲无线电系统具有折衷的系统性能和复杂度, 因此将差分超宽带技术应用于MIMO系统。下面以差分参考传递系统 (DTR) 为例进行说明[8]。假设采用PAM调制方式, 信号从MT个发送天线同时发送到Q个接收天线上。ND个等概率信息符号流{UM}${}_{{\rm M}=1}^{{\rm N}{}_D}$通过差分编码被编成一个新的信息流{DM}${}_{{\rm M}=0}^{{\rm N}{}_D}$。UM是N×N的正交矩阵, 其中元素取值为{-1, 0, 1}, DM是MT×N的矩阵, 其中元素取值为{-1, 1}, 并且UMUTM=UTMUM=IN×N, DMDTM=NIMT×MT, DTMDM=MTIN×N。{DM}${}_{{\rm M}=0}^{{\rm N}{}_D}$的第一个符号D0是参考符号不携带信息, 是满足上面性质的任意阵, DM=DM-1UM, 发射矩阵为:

$\mathit{D}{}_{{\rm M}}=\left[\begin{array}{cccc}d{}_{10}& d{}_{11}^{}& \cdots & d{}_{1{\rm N}-1}\\ d{}_{20}& d{}_{21}& \cdots & d{}_{2{\rm N}-1}\\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮\\ d{}_{{\rm M}{}_{{\rm T}}0}& d{}_{{\rm M}{}_{{\rm T}}1}& \cdots & d{}_{{\rm M}{}_{{\rm T}}{\rm N}-1}\end{array}\right](7)$

DM的列是同一时刻下从不同天线发出的符号, 从第i根天线发出的信号是:

$S{}_i(t)={\displaystyle \sum _{j}d}{}_{ij}w(t-\text{j}{\rm T})(8)$

2 几种超宽带空时编码方案性能特点比较

超宽带空时编码系统的接收通常采用最大似然检验接收, 在分层空时码中也会用到多用户检测技术, 这与传统的空时编码系统的接收技术相当, 在这里就不做过多说明。

下面对不同超宽带空时编码的性能特点进行比较:

(1) 超宽带空时分组编码并不包含差错控制编码来提高编码增益;其他的超宽带空时码可以引入差错控制编码来获得编码增益。

(2) 超宽带空时网格码译码难度大;而其他超宽带空时编码技术都可以采用简单的线性译码算法。

(3) 超宽带空时分组码编码是对符号内部的脉冲波形进行编码, 其他的超宽带空时码不涉及符号内脉冲的编码。

(4) 超宽带空时分组码采用正交PPM调制时可以通过非相关能量检测解调出信号[6];但采用别的调制方式时只能进行相关接收, 而超宽带差分空时码系统在采用任何调制时都可以进行非相关接收, 不需要准确的信道估计。

参考文献

[1]Yang L Q, Giannakis G B.Ultra-Wideband Communica-tions:An Idea Whose Time Has Come[J].IEEE SignalProcessing Magazine, 2004, 21 (6) :26-54.

[2]葛利嘉, 曾凡鑫, 刘郁林.超宽带通信[M].北京:国防工业出版社, 2005.

[3]Alamouti S M.A Simple Transmit Diversity Technique forWireless Communications[J].IEEE Journal on SelectedAreas in Communications, 1998, 16 (8) :1 451-1 458.

[4]Paulrai A, Nabar R, Gore D.Introduction to Space-TimeWireless Communications[M].北京:清华大学出版社, 2005:32-58.

[5]Yang L, Giannakis G B.Analog Space-time Coding forMulti-antenna Ultra-wideband Transmissions Communica-tions[J].IEEE Transactions on Communications, 2004, 52 (3) :507-517.

[6]Heliot F, Ghavami M, Nakhai R, et al.Performance ofSpace-time Block Coding and Space-time Trellis Coding forImpulse Radio[A].Global Telecommunications Conference[C].GLOBECOM, 2004:3 225-3 229.

[7]Kumar N, Buehrer R M.Application of Layered Space-timeProcessing to Ultra Wideband Communication[A].Circuitsand Systems[C].MWSCAS, 2002, 3:III-597-600.

超宽带脉冲通信技术研究 篇5

关键词：超宽带 (UWB) ,脉冲通信,窄脉冲,PPM调制

1 超宽带脉冲通信概述

超宽带脉冲信号是指信号的相对带宽大于25%的任何波形[1]。利用超宽带脉冲通信技术, 解决了困扰传统无线技术多年的有关传播中多径损耗大的重大问题, 对非通视条件下的通信和探测难题, 提出了很好的解决方案。

相对带宽=2 (fH-fL) / (fH+fL) ;

其中fH表示信号高端频率, fL表示信号低端频率, fH-fL表示信号带宽。

2002年4月, FCC (美国联邦通信委员会) 发布了UWB无限设备的初步规定, 规定室内UWB通信的实际使用频谱范围为3.1～10.6GHz, 并在这一范围内, 有效各向同性辐射功率不超过-41.3d Bm/MHz。

UWB通信技术的优势:

UWB信号不使用载波, 不需要传统收发器所需的上下变频和本地振荡器等, 因此在设备结构上较为简单, 能够全数字化实现。

UWB信号采用了跳时扩频, 直接发射跳时伪随机码和信息比特控制的冲击脉冲序列, 具有很宽的频谱, 能够达到1GHz以上, 发射功率谱密度很低, 有用的信息完全淹没在噪声中, 被截获概率很小, 并且需要采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能解调, 具有良好的隐蔽性和更强的抗干扰能力。这一点在保密通信和军事通信上有很广阔的应用前景。

UWB信号使用上GHz的超宽带宽, 所以即使把发射信号功率谱密度降到很低, 也可以实现高达100～500Mbit/s的信息速率。一般来说仅需使用 (2.5～3.5) W的系统功耗, 就可以满足工作要求。

2 技术分析

超宽带脉冲通信系统主要包括三个部分:信号产生, 信号调制和解调。

2.1 信号产生

产生超宽带脉冲的硬件方法主要有两类:一类是光电方法, 利用快速激活和钝化的光导开关导通时瞬间产生的陡峭上升沿获得脉冲信号;二是电子方法, 对半导体PN结反向加电, 使其达到雪崩状态, 在导通瞬间, 取陡峭的上升沿为超宽带脉冲信号, 可以利用隧道二极管、阶跃恢复二极管、以及漂移阶跃恢复二极管产生[2]。目前应用最广泛的是阶跃恢复二极管 (SRD) , 它能够产生幅度为20V~200V, 持续时间为60ps～200ps的窄脉冲, 并且电路构建简单, 产生的窄脉冲在传输前能够容易地整形成符合辐射掩蔽要求的超宽带发射脉冲。所以在目前的工程中大量地使用。

2.2 信号调制

超宽带脉冲信号的调制方式一般采用脉冲相位调制 (PPM) 和PAM调制。

PPM、PAM调制共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息, 还可以通过多个幅度调制或多个频谱位置调制提高信息传输速率。然而随着调制进制的增加, PAM调制系统的误码率越来越大, 性能越来越差, 而PPM系统的性能却很好, 误码率很小, 同时还能除去UWB频谱的能量尖峰, 使功率谱更加平坦。PPM调制在工程中较多使用。

2.3 信号解调

超宽带脉冲信号的解调包括脉冲监测和解码。主要是通过本地产生伪随机码窄脉冲信号和接收天线收到的脉冲信号进行相关过程 (主要是计数) 。计数器对接收的信号计数, 当出现调制方式对应的计数值, 即对应着相应的输入信号值, 再经过平滑滤波、波形整形等处理, 输出数据信息, 完成了信号解调。

3 超宽带脉冲通信应用范围

超宽带脉冲通信的应用大致可分为三类:通信、雷达/监听和跟踪、定位。

在通信方面, 超宽带通信设备支持高速低功耗数据链路, 并且在抗多径干扰机制上有独到之处。可用于楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话、保密无线电和无线宽带因特网接入等。

在矿井巷道中, 由于井下巷道四壁的凹凸不平, 巷道壁的反射及折射带来的复杂的多径传播, 导致频域上的频率选择性衰落[3]。超宽带无线通信具有很好的抗多径衰落能力, 在这类受限空间内有很广泛的应用。

超宽带脉冲通信技术还可用于可靠的通信组网。在公共安全领域, 如大型体育馆的内勤活动, 民警在地铁站、机场、车站的巡逻, 消防队员在建筑物内的灭火行动, 灾难现场的救援处置等等, 这些应用领域均环境复杂, 不通视, 遮挡严重, 反射多。通过超宽带脉冲通信这种稳定可靠、无死角的通信方式, 指挥部门可以随时动态掌控一线警力和服务人员的分布状况和位置信息, 实现信息互通, 方便指挥部门全面地了解一切动态信息, 随时调整指挥方案和人员配置。

超宽带脉冲通信在雷达方面的应用主要有:探地雷达、穿墙雷达、安全监视、碰撞避免系统、道路及道路监测雷达等。例如在穿墙雷达中, 雷达天线发射窄脉冲信号, 接收及其微弱的反射同步脉冲, 测量时间差和脉冲形式, 可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动的物体, 误差只有1～2cm[4]。

超宽带脉冲通信在定位方面可以用来探测地雷, 找出敌军的地下工作室;也可制成成像雷达, 寻找隐藏的敌人。在监测查找地下金属管道裂缝、探测高速公路地基等方面, 超宽带脉冲通信具有很高的定位精度和广泛的应用领域。

4 结语

超宽带无线通信系统的各种特点, 弥补了传统无线电通信在军事和民用上的不足。超宽带无线通信系统在军事、工业、公共安全等领域有着不可估量的巨大应用潜力, 相信在不久以后超宽带无线通信设备将被应用于人们生活的各个领域。

参考文献

[1]魏磊磊, 熊建设.超宽带无线通信[J].微计算机信息, 2010, 11 (3) :58-60

[2]卞晓晓, 李佶莲.超宽带脉冲波形的设计优化与性能分析[J].江苏教育学院学报, 2010 (2) :35-38

[3]周帆.关于超宽带无线通信技术的分析研究[J].通信技术.

议超宽带无线通信技术 篇6

UWB技术最初是1960年美国作为军用雷达技术开发的, 早期主要用于雷达技术领域。该技术的发展带动了脉冲检测器等设备的开发, 而且该技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。

但在随后的30多年间, UWB技术发展很缓慢, 一方面是因为军方的限制让第三方无法开发支持UWB的软件和硬件, 此外, UWB技术对其他频带带来的干扰, 也阻碍了它的发展步伐。2002年2月, FCC批准了UWB技术用于民用, 进而将UWB技术推向了市场前端。

目前的UWB技术根据底层UWB信号的实现形式不同, 可分为两大类。一类是基于窄脉冲式的冲激类UWB, 即不使用载波, 而是使用短的能量脉冲序列, 并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。这样提出的UWB设计方案称为直接序列CDMAUWB (DS-CDMAUWB) 方案。这个方案频谱利用率高, 可进行高精度定位和跟踪, 抵抗多径衰落能力强, 但频谱共享的灵活性较差, 不利于与其他窄带系统共存。

另外一类是基于调制载波扩频式的载波类UWB, 提出的设计方案叫多载波OFDMUWB (MB-OFDMUWB) 方案, 它采用OFDM技术传输子带信息, 提高了频谱的灵活性, 但易造成较高的功率峰值与均值比 (PAR) , 容易产生对其他系统的干扰, 因此解决干扰问题是该方案目前最大的难题。两种技术形成了鲜明对立的两大阵营, 使得制订面向UWB高速数据传输标准的802.15.3a工作组已经解散。

目前, 由ITU-RTG1/8工作组来负责UWB高速数据传输的全球统一标准的制订工作。

与其他无线技术相比, UWB具有以下几个技术特性。其一是高带宽、高传输速率。按照UWB的技术设计, UWB使用的带宽在1GHz以上, 高达几个GHz, 数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s, 这样的理论速度高于蓝牙100倍, 特别适合局域网或者个域网内设备之间的快速共享数据库以及传送数据。

其次是强大的抗干扰性能, UWB采用跳时扩频信号, 系统具有较大的处理增益, 在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中, 输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来, 在解扩过程中产生扩频增益。因此, 与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比, 在同等码速条件下, UWB具有更强的抗干扰性。另外, 由于UWB的脉冲非常短 (0.1~1.5ns) , 频谱非常宽 (数GHz, 可超过10GHz) , 能避免多路径传输的信号干扰。

第三是低功耗, UWB系统发射功率非常小, 通信设备可以用小于1m W的发射功率实现通信, 另外, CDMA-UWB不使用载波, 只是发出瞬间脉冲电波, 也就是直接按“0”和“1”发送出去, 并且在需要时才发送脉冲电波, 大大延长了系统电源的工作时间。

二、UWB系统方案及一些技术问题

2.1单频带系统

单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输, 其信号带宽很大, 多径分辨率很高, 抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重, 接收机的复杂度较高。此外, 为解决共存性问题, 避免与带内窄带系统的干扰, 该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA。在单载波DS-CDMA方案中, 经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制, 从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量, 无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决了这一难题。

2.2多频带系统

多频带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带。使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成通过射频载波搬移到不同子带, 避开传统窄带系统使用频段。多频带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。

其多址问题采用跳频技术来解决。相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段。并采用正交频分复用 (OFDM) 方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。

从技术上来讲, MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的。对无线电频率管理来说, 有两个基本的原则:一是新的无线电技术不得对已有的无线电台 (系统) 造成有害干扰;二是受到干扰不得提出保护要求, 即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CA-MA因为使用整个3.1~10.6GHz频段, 包括传统无线技术使用其中的一些频率, 而MBOA使用多个频率子带可以很方便地避开这些频率。

2.3 UWB硬件系统

同传统结构相比, UWB收劫言机的结构相对简单, 图2给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中, 信息可被不同技术调制, 在接收端, 天线收集信号能量经放大后通过相关接收后处理, 再经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接收机来说, 实现相对简单, 没有本振、功放、PLL (锁相环) 、VCO (压控振荡器) 、混频器等, 成本低, 而且UWB接收机可全数字化实现, 采用软件无线电技术, 可动态调整数据率、功耗等。

三、UWB技术的应用

3.1 UWB在个域网中的应用

UWB可以在限定的范围内 (比如4m) 以很高的数据速率 (比如480Mbit/s) 、很低的功率 (200μW) 传输信息, 这比蓝牙好很多。蓝牙的数据速率是1Mbit/s, 功率是lm W。UWB能够提供快速的无线外设访问来传输照片、文件、视频。

因此UWB特别适合于个域网。通过UWB, 可以在家里和办公室里方便地以无线的方式将视频摄像机中的内容下载到PC中进行编辑, 然后送到TV中浏览, 轻松地以无线的方式实现个人数字助理 (PDA) 、手机与PC数据同步、装载游戏和音频/视频文件到PDA、音频文件在MP3播放器与多媒体PC之间传送等。

3.2 UWB在智能交通信息中的应用

利用UWB的定位和搜索能力, 可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时, 该雷达会提醒司机。在停车的时候, 这种基于UWB的雷达是司机强有力的助手。利用UWB可还以建立智能交通管理系统, 这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网, 两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。

例如, 实现不停车的自动收费、汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取、站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等。

3.3传感器联网

利用UWB低成本、低功耗的特点, 可以将UWB用于无线传感网。在大多数的应用中, 传感器被用在特定的局域场所。传感器通过无线的方式而不是有线的方式传输数据将特别方便。

作为无线传感网的通信技术, 它必须是低成本的;同时它应该是低功耗的, 以免频繁地更换电池。UWB是无线传感网通信技术的最合适候选者。

四、结语

尽管目前UWB的发展中存在着频率管制、标准化等难题, 也还必须面对其他无线技术的竞争, 但是可以预见, 随着无线多媒体应用越来越普及, UWB将在消费电子领域、通信领域获得大规模应用。物理层方案虽然没有融合的迹象, 但是双方都没有放弃产业化的脚步, 谁最终占领市场, 谁将成为事实标准, 这都预示着UWB技术的前景将非常广泛。

摘要：超宽带 (UWB) 无线通信技术是近年来备受关注的一种高速、低功耗的无线通信技术, 在简单介绍超宽带无线通信的概念基础上, 着重分析了超宽带无线通信的特点和应用。

关键词：超宽带,无线通信,技术特点

参考文献

超宽带无线通信技术及应用 篇7

关键词：超宽带无线通信技术,无线个人局域网,多址技术

0 引言

2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)批准限用于军用雷达的超宽带(UWB)技术可运用于民用产品上,同年4月,批准将3.1 GHz和10.6 GHz之间的免授权频段分配给UWB使用。自此,此项技术开始引起业界广泛关注。UWB在公共安全、军事效能、航空安全、医疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。

1 UWB技术

超宽带(UWB,Ultra-Wideband)的核心是冲击无线电技术,即用持续时间非常短(亚纳秒级)的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看,信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。美国FCC对于UWB的定义为:

undefined。 (1)

其中:fH、fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时所对应的高端频率和低端频率;fc为载波频率或中心频率。

FCC规定UWB工作频谱位于3.1 GHz～10.6 GHz。如图1所示, UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰,必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号发射的功率谱密度级可达-41.3 dBm/MHz。图2为FCC条例第15部分所规定使用的频谱限界。图2中分为室内使用和室外使用两部分,其中的主要区别是:室外的带外部分具有较高的功率衰落程度,其目的就是要保护现有频段或相邻频段及其他设备免遭UWB信号较强的同频干扰。

2 UWB接收机关键技术

超宽带的信号传输受到大尺度路径损耗、阴影效应、小尺度多径衰落等因素的影响,因此,到达接收机的信号波形存在严重的失真;同时,信号还可能受到多址干扰、窄带干扰和背景噪声的影响。因此,UWB的研究与开发需要解决如下关键技术:接收机技术、同步技术和信道估计。

2.1 Rake接收机

当信道为频率选择性衰落信道时,对于发信号的宽带特性,收信号r(t)具有内在的多径分集。在此情况下,Rake接收机可利用分集技术,从可分辨的多径信号中构筑合并的脉冲波形,以提高传输特性。

Rake 接收机的结构框图如图3所示。

2.2 定时同步技术

目前UWB系统的定时同步方法分为两大类:①数据辅助的定时同步,该方法借助于事先设计的导符号训练序列进行定时捕获和跟踪,采用的训练序列有M序列、Gold序列、巴克码等,这类同步方法的优点是捕获速度快、跟踪精度高,但在系统带宽效率和功率效率上付出的代价较大;②盲定时同步(Non-data Aided),该方法借助于超宽带信号内在的循环平稳特征进行定时捕获和跟踪,不使用任何预知的训练符号,这种方法在系统带宽效率上高于数据辅助的同步方法,但捕获速度和同步性能有所下降,盲同步方法结合串行搜索比较适合于低成本、低功耗的低速网络。

2.3 信道估计技术

信道估计问题是UWB接收技术中的关键问题之一。在基于脉冲的UWB系统中,采用Rake接收机合并多径信号能量并进行相干检测,信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度。在基于OFDM的UWB系统中,接收机根据信道频域响应对每个子信道进行频域均衡后进行相干检测,信道估计问题即估计信道频域响应。

根据利用的先验信息分类,现有的信道估计方法分为:①数据辅助(Data-aided)的信道估计,这种方法利用已知的训练符号进行信道估计,具有估计速度快的特点,但其频谱利用率和功率利用率受到了一定影响;②盲(Blind)信道估计,这种方法不需要训练符号,而是利用信号自身的结构特点或数据信息内在的统计特征进行信道估计,其缺点是计算复杂度高、收敛速度慢。

3 UWB技术的应用

高速WPAN的主要目标是解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接,以实现信息的快速交换、处理、存储等。

(1) 在家庭应用方面,随着技术的不断进步,家用电器范畴的不断扩大,利用UWB技术为这些设备提供高速无线连接,使各种设备在小范围内组成自组织式网络,相互传送多媒体数据,并可以通过安装在家中的宽带网关接入英特网。

(2) 在办公室,办公桌上的个人电脑与各种外设之间通过错综复杂的线路相互连接。如果采用UWB技术将它们以无线的方式连接起来,则将改善线路连接情况,且这些设备可以在房间内自由地移动位置,当然这类应用一般只需要支持2 m～4 m的传输距离,但速率要求可以从几万比特至几百兆比特每秒。

(3) UWB技术还可应用于会议室等场所。参会人员坐在会议室中,能够利用自己的便携式电脑组建临时性的自组织网络,既可以共享演示文档,也可以共享投影仪和打印机等设备。

目前很多关于IEEE802.15的研究都集中于高速数据的传输。但是在生活中,我们并不总是随时随地需要高速的数据传输,比如对冰箱、微波炉、电灯、通风系统、热水器等家用电器进行控制所需要的控制信息就很简单。在家庭应用中,可以应用LR-WPAN组成家庭电器控制网络,通过中心控制器将各个电器、开关、通风系统和插座组网,实现家庭智能控制的功能。

4 UWB的不足与改进

单频段单脉冲方式不能很好地满足美国联邦通信委员会(FCC)制定的关于民用UWB产品的技术规范,主要存在以下两个问题:①频谱不能充分利用所规定的矩形部分,由于商用超宽带设备是一个功率受限的系统,故这个问题将会影响到它的覆盖范围;②由于超宽带系统占据广阔的频率范围,其中包括蜂窝电话、蓝牙、卫星等传统无线通信系统的频段,为了避免相互干扰,在单脉冲单频段超宽带系统中需要在发射端和接收端均增加滤波器,以避免超宽带系统对传统无线系统的影响。

多频带脉冲调制方式是一种改进的超宽带调制方式。该调制方式第一次出现在Intel公司于2003年3月向IEEE802.15.3任务组提交的高速WPAN物理层方案中。Intel递交的这份方案的特点有:把可用的频带划分为多个子带,每个子带的带宽大于500 MHz;系统可以根据数据速率、干扰、当地频谱规定等等因素选择部分或者全部子带进行传输;还能以合适的调制方式使用多个子带。

5 UWB的开发及发展前景

5.1 超宽带天线的发展

超宽带的关键技术之一是天线设计。根据天线传输理论,不同频率的电磁波有效发射的天线尺寸和波长有关,由于超宽带信号占据极宽的频带,就必须考虑兼顾不同频率的信号,对天线的设计不能采用窄带通信的天线设计理论。

超宽带系统的天线在极宽的频带上很难一直都有很好的匹配阻抗。天线的发射效率和发射图案对发射的脉冲具有空间和时间的滤波作用。对于超宽带信号的不同频率分量,超宽带天线的辐射特性是不一样的。在考虑信道模型的时候必须考虑天线的影响,所以在工业界也曾有一种用天线的特性来定义超宽带的建议,就是因为天线设计是关系到整个超宽带系统性能的一个关键技术步骤。

5.2 超宽带芯片设计

超宽带技术的优点之一是结构简单,超宽带接收机可以用几个芯片,甚至单个芯片实现。目前很多公司在进行超宽带芯片的设计,比较著名的有飞思卡尔(Freescale)公司、Time Dpmain公司等。这些公司在超宽带技术的开发方面走在了前列,他们开发的芯片有些已经在军事和政府部门得到应用。其中飞思卡尔半导体公司在802.15.3a芯片的开发中领先。到目前为止,飞思卡尔是唯一一家为无线连接应用提供商用化UWB方案的半导体制造商。飞思卡尔的芯片组XS110于2002年2月获得FCC原有UWB规则认证,该芯片使用DS-UWB方案,每秒的数据传输率可达110 Mbit,可在10 m的范围内进行多条高清晰度视频流传输。

5.3 超宽带商用产品开发

2005年1月,在美国拉斯维加斯举行的消费电子展(CES)上,众多超宽带(UWB)制造商和开发商纷纷登台亮相,展示了他们生产的各种原型机及其产品设计。其中,飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor)展出了一款由其前母公司摩托罗拉设计的具备UWB功能的手机,这种手机能连接便携式电脑,可从互联网上下载MP3文件或手机所拍的照片。该公司是UWB直接序列(DS,Direct Sequence)版本的主要支持者,其芯片还在其他产品上得到应用,如海尔公司具备UWB功能的高清电视(HDTV)以及三星与Intellon展出的混合无线网络。飞思卡尔的DS-UWB解决方案可广泛应用于不同的无线产品之上,目前已销售给全球的原始设备制造商(OEM)客户,并已为多家公司及厂商所采用。目前飞思卡尔的XS110已经可提供高达110 Mb/s的速度传输,而不久推出的新品的传输速度将可达到660 Mb/s。

参考文献

[1]方旭明,何蓉.短距离无线与移动通信网络[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]王金龙.无线超宽带(UWB)通信原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[3]邹卫霞,周正,张春青.UWB的调制与多址技术[J].济南大学学报,2004,18(4):319-321.

[4]王德强,李长青,乐光新.超宽带无线通信技术[J].中兴通信技术,2005(5):54-56.

[5]樊昌信.通信原理[M].第6版.北京:国防工业出版社,2009.

[6]吴大正.信号与线性系统分析[M].第4版.北京:高等教育出版社,2005.

超宽带通信抗干扰性能分析 篇8

超宽带(UWB:Ultra width band)是指信号的-10dB相对带宽超过中心频率的20%或-10dB绝对带宽超过500MHz。

其中相对带宽η定义为

$\eta =2\times \frac{f{}_h-f{}_l}{f{}_h+f{}_l}$

式中fh为频谱上界,fl为频谱下界。

在冲激无线电中,最重要的两种跳时类调制方式是脉冲位置调制PPM(Pulse Position Modulation)和脉冲幅度调制PAM(Pulse Amplitude Modulation)。PPM系统模型是最典型的冲激无线电模型,PPM系统的信号波形为:

$S{}^{(i)}(t)={\displaystyle \sum _{{\rm K}=-\infty }^{+\infty }w}(t-{\rm K}{\rm T}{}_f-y{}_i({\rm K}){\rm T}{}_c-\delta d{}_{[{\rm K}/{\rm N}{}_S]}^i)(1)$

其中,t代表发射机发射脉冲的时间,i表示多用户系统中的第i个用户,W(·)表示发射的单周期脉冲波形,Tf代表冲激脉冲的脉冲间隔;yi(K)表示第i个用户所使用的跳时序列,其周期为L,跳时序列满足 0≤yi(K)≤Nh;Tc是跳时码控制的脉冲时延,满足Tf=N Tc,通常取N=Nh+1;d${}_{[{\rm K}/{\rm N}{}_S]}^i$表示待传的二进制信息数据(取0或1),δ表示由待传信息控制的脉冲时延,[·]表示取整运算,每Ns个单周期脉冲传送一个二进制信息符号。超宽带冲激无线电的PPM调制方式的系统方框图如图 1所示。

由于超宽带冲激无线电技术是新兴的通信技术,所以它其中的许多技术有待解决,如冲激脉冲的产生、跳时码的设计、系统的同步问题、相关接收问题以及基于超宽带无线电传输技术的网络组建和体制协议的研究问题等等。然而,决定其以优良的性能应用于军事通信系统之中,并成为最具潜力的通信对抗新技术的主要原因却在于它采用了冲激脉冲技术和跳时码调制。

2 超宽带通信关键技术分析

冲激脉冲技术和跳时码调制是超宽带冲激无线电通信系统的两项关键技术。脉宽极窄的冲激脉冲决定了该通信系统具有极宽的带宽,从而使其具有低截获、低检测概率的性能,并为其在通信反干扰中的应用提供了前提。而具有优良相关性能的跳时码的采用则使其具有多址功能,能够实现组网战术通信,同时也克服了自身的相互干扰。本节将对这两项技术进行说明。

2.1 冲激脉冲技术

我们知道,一般通信技术是把信号从基带调制到载波上,而UWB则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,从而具有GHz量级的带宽。这种相当宽的带宽使得它的能量被分散,平均功率只有几毫瓦甚至于几微瓦。它不采用常规正弦波无线电通信系统中的中频和射频电路,因而系统结构简单、体积小、成本低,可做成便携式超宽带电台。目前,UWB使用的冲激脉冲的波形有许多种类,其中最广泛地应用于研究中的是高斯脉冲波形,其数学表达为

$g(t)=\sqrt{2\pi e}\cdot t\cdot f{}_c\cdot e{}^{-\pi (tf{}_c){}^2}$

其频谱为

$G(f)=-j\sqrt{2\pi e}\cdot f\cdot \frac{1}{f{}_c^2}\cdot e{}^{-\pi (f/f{}_c){}^2}$

该单周期冲激脉冲的波形和功率谱密度如图 2和图 3。

2.2 跳时码调制跳时技术

跳时码调制跳时技术是扩频技术的一个重要组成部分,它可以看成是一种时分系统,所不同的地方是它不是在一帧中固定分配一定位置的时片,而是由跳频序列控制的按一定规律跳变位置的时片。由于跳时的处理增益不高,长期以来人们对它的研究远没有直接序列扩频和跳频扩频多,通常是将它与其它扩频方式结合使用,组成各种混合扩频方式。然而,超宽带冲激无线电技术的出现却使它开始受到人们越来越多的关注和研究。由公式(1)可知,该模型使用跳时码和待传输的信息符号共同控制冲激脉冲的发送时刻,所以跳时技术是超宽带冲激无线电通信中的一项重要技术,在超宽带无线电通信系统中起着至关重要的作用。跳时码是超宽带无线电实现多址通信的来源,跳时码的数目直接决定了超宽带无线电通信系统的用户数目,同时它也是同步与信道检测的可靠保证,所以跳时码性能的优劣直接影响到整个超宽带无线电通信系统性能的好坏。为了满足系统的要求,跳时码必须具有良好的相关性能,即良好的自相关性和互相关性。当系统不采用跳时码而是直接进行等间隔调制时,其数学模型(1)转变如下:

$S{}^{(i)}(t)={\displaystyle \sum _{{\rm K}=-\infty }^{+\infty }w}(t-{\rm K}{\rm T}{}_f-\delta d{}_{[{\rm K}/{\rm N}{}_S]}^i)\cdots \cdots (2)$

从公式(2)中我们可以看出,进行等间隔调制时,需要严格的系统定时和同步,否则其自身将发生灾难性的时隙碰撞。而且,由于没有采用多址方式,系统也不能进行多用户组网通信。但是,当采用了性能优良的跳时码以后,上面的问题就被解决了。此时需要研究怎样设计具有良好相关性能的跳时码,以便最大限度地减少多址干扰。此外,跳时码对于超宽带冲激无线电通信系统的功率谱密度PSD(Power Spectral Density)也有很大的影响。当不考虑对信息数据的调制时(因为信息数据可看作随机信号,进行数据调制时只会使功率谱变得更加平滑),其功率谱密度可以表示如下:

$S(f)=\frac{1}{{\rm T}{}_p^2}|W(f)|{}^{2}C(f){\displaystyle \sum _{{\rm K}=-\infty }^{+\infty }\delta }{}_D(f-{\rm K}/{\rm T}{}_{{\rm P}})$

其中$C(f)=|{\displaystyle \sum _{n=0}^{{\rm N}{}_{{\rm P}}-1}\exp }\{-j2\pi f(n{\rm T}{}_f+y{}_n({\rm K}){\rm T}{}_C)\}|{}^2$;W(f)是冲激脉冲w(t)的频谱,δD是冲激函数,NP是跳时码的周期长度,TP是冲激脉冲串的周期,满足TP=TfNP,其他符号表示与公式(1)相同。对于W(f),当冲激脉冲确定以后,它是确定的。所以,功率谱密度S(f)决定于C(f),而C(f)又决定于跳时码yn(K)。由此可以看出,如果设计出良好性能的跳时码,将使得该通信系统的功率谱变得低而平滑。

3 抗干扰性能分析

超宽带冲激无线电与常规的正弦波无线电相比较有许多优良的性能,因而适用于军事通信。尤其是在通信对抗中,要求信号具有隐蔽性、抗截获、抗干扰以及多址组网等诸多性能,这使得该项通信新技术具有很好的应用前景。

3.1 毫瓦级的平均功率使其具有极好的隐蔽性和共存性

信号的平均功率越低,功率谱密度曲线越平滑,信号的隐蔽性就越好。超宽带冲激无线电通信系统因为具有极宽的带宽,使得信号的平均功率相当低,一般为毫瓦级。如果是短距离通信,甚至可以达到微瓦级。这样低的平均功率使信号隐蔽在噪声中,不但自身难以被敌方检测到,同时也不会造成对己方其它通信系统的干扰,因而具有极好的隐蔽性和共存性能。与此相比较,对于其它的窄带通信系统或者扩频通信系统因为受到诸多因素的影响,要达到这样的性能是很难的,甚至是不可能的。

3.2 极高的处理增益使其具有良好的抗干扰性

因为超宽带冲激无线电系统具有GHz量级的带宽,所以在传输同样速率的信息数据时,其处理增益要比扩频通信系统高得多。如果要传输速率为8kbit/s的信息,对于一个2GHz/10Mbit/s的超宽带无线电通信系统来说,其处理增益可达到54dB。而同样的要求对于直接序列扩频系统来说,需要其具有相当宽的射频带宽,这在工程上给射频电路的实现带来了极大的困难。同时,对于跳频系统来说,在低频段上的高速跳频是不容易实现的。因为一般在短波跳频电台中,其跳速目前不超过100跳/秒,而在甚高频电台中的跳速一般也只是在500跳/秒。由此可见超宽带无线电系统的巨大优势所在。

3.3 性能优良的跳时码使其具有多址组网能力

多址组网能力是现代军事通信的一个基本要求。在战术通信中,更是要求各战术电台之间能够进行组网通信。例如,我们熟悉的跳频通信组网就是这样。对于通信组网,一般可分为正交组网和准正交组网。正交组网为了保证各用户之间正交而采用同步网,所以对全网的同步有严格的要求。然而准正交组网则简化了对网络的管理,采用异步网方式。这使得它不需要全网的定时同步,因此可以降低定时精度的要求,且便于技术上实现。对于超宽带冲激无线电通信系统,因为使用了跳时码,所以可以通过寻找具有良好相关性能的跳时码来尽量减少跳时时隙的碰撞机会,以便采用对定时要求不高的准正交网。超宽带无线电采用跳时码来实现组网通信,实际上是码分多址方式。码分多址有许多良好的性能,它便于组网、进行选呼、增加保密性,同时也可以解决新用户随时入网等问题。所以超宽带无线电通信系统在使用上可以变得更加灵活。

4 结束语

UWB技术是一项新型技术,为当今通信领域中的容量与有限的频谱资源分配等问题提供了解决方法,同时也为军用通信抗干扰技术提供了借鉴,并为通信对抗提出了新的课题。虽然它现在仍处于初级阶段,各项理论仍有待深入探讨。但在标准、规范的制定方面,欧美、日本等国家已经进行了相关的工作,并取得了一定的进展,为UWB系统广泛应用奠定了一个良好的基础。相信在不久的将来,UWB技术将会开创军用无线通信中一个崭新的领域。

参考文献

[1]Win M Z.,Scholtz RA.Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread-Spectrum Impulse Radio for WirelessMultiple-Access Communications[J].IEEE Trans.onCommunications,2000,48(4):679-690.

[2]Toma28 April~2 May,so Erseghe.Two Novel Time-Hopping Sequence Constructions for Impulse Radio[A].IEEE International Conference on Communications[C],28 April~2 May,2002.

[3]周先军,胡修林,张蕴玉,王甲池.超宽带无线通信关键技术[J].电子技术应用,2005年第10期,P54-57.

[4]高志英,郑国莘.超宽带跳时扩频通信系统性能分析[J].上海大学学报(自然科学版),第10卷第3期,2004年6月,P226-229.

[5]王中杰,刘治德.超宽带(UWB)无线通信技术[J].山西电子技术,2006年第1期,P17-18.

超宽带通信系统 篇9

1.1 什么是UWB

UWB (Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术, 采用纳秒到微微秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据, 因而能够在较宽的频谱上传送功率极低的信号, UWB可以在10米左右范围内实现数百Mbps到数Gbps的数据传输率。

1.2 UWB的特点

(1) 不用载波, 而采用时间间隔极短 (小于1ns) 的脉冲波进行通信。

(2) 能利用纳秒到微微秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据。通过较宽的频谱来传送极低功率的信号, UWB可以在10米左右范围内达到数百Mbit/s到数Gbit/s的数据传输速率。

(3) 抗干扰性能比较强, 传输速率很高, 系统容量大且发送功率非常小。UWB系统发射功率很小, 通信设备能用低于1m W的发射功率就可以实现通信。同时, 低发射功率能延长系统电源的工作时间。并且, 发射功率小, 意味着其电磁波辐射对人体造成的影响也会很小, 应用面就广。

目前, 超宽带的传输距离都在十米之内, 它的传输速率达到了480Mbps, 与同类技术相比, 是蓝牙标准的159倍, 是Wi Fi标准的18.5倍, 很适合传输数据量较大的多媒体信息。

总结:抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小、保密性好。

2 UWB的实现结构

简单UWB发射器的设计与实现如图1所示。

3 国内外UWB技术研究历程

3.1 国外UWB技术的研究

美国Intel公司在2002年2月28日举办了“Intel Developer Forum (IDF) Spring 2002”开发商会议, 公开演示了UWB (超宽带技术) ——下一代无线通信技术。它主要有以下3大特点: (1) 高达数百Mbps的高速率通信。 (2) 耗电量不到现有无线技术的百分之一。 (3) 相对于现有无线技术成本低。

Intel总裁保罗·奥特里尼已宣布:“将会在Banias中集成无线LAN的功能”。Banias是能够和Crusoe抗衡的低耗电处理器, 在2003年上半年便已开始供应。

欧盟以及日本也很重视UWB, 纷纷开展了研究计划。由Wisair、Philips等六家公司成立了Ultrawaves组织。主要研究家庭等是室内环境内UWB在AV设备高速传输的可行性。STMicro、Thales集团和Motorola等多家公司团体成立了UCAN组织, 利用UWB实现PWAN的技术, 其中包括MAC层、实体层、路由以及硬件技术等。瑞士的IBM研究公司和英国的Philips等四十多家研究团体组成了PULSERS组织, 主要研究UWB的位置测量技术以及近距离无线界面技术。

3.2 国内对UWB技术的研究

中国早在2001年9月初就在"十五"国家863计划通信技术主题研究项目中将"UWB无线通信的关键技术以及其共存和兼容的技术"首次作为无线通信的研究内容, 以此鼓励国内学者关注这方面的研究。当下, 常州唐恩软件科技有限公司, 研制了基于UWB技术的高精度定位系统, 能够在室内环境实现3D高精度定位, 是当今无线电实时定位领域最先进的定位系统之一。

4 UWB的主要应用

4.1 军用方面

超宽带的一个介于雷达与通信中间的应用是精确地理定位, 比如利用UWB技术提供3D地理定位信息的设备。此系统是由无线塔标和移动漫游器组成的。它的基本原理是, 通过漫游器和塔标间的包突发传送实现航程时间的测量, 再经过往返时间测量值的对比, 再分析便能得到目标的精确定位。UWB地理定位系统一开始主要应用于军事领域, 它可以实现士兵在城市环境下能以高分辨率测定自身所处位置。

4.2 民用方面

超宽带同样适用于短距离高速宽的带无线接入和数字化音视频的无线连接等相关民用领域。家庭数字娱乐中心是超宽带技术的一个重要应用。它的概念是:家庭住宅中的PC、PAD、家电等智能设备会与Internet连接在一起, 你可以在家中以及周边短距离内使用它们。

5 UWB未来的发展

5.1 Blutooth+UWB

UWB自身的一些缺点使得它无法被普及和广泛使用。由于缺乏可靠的安全性、信令技术、很强的匹配能力及功率适配等问题, UWB极不适用便携式设备, 因而面临着沦为小市场技术而落后的危险。与此相同时, 蓝牙技术已经很成熟可靠并且高效, 而UWB的低功耗高速率正好能弥补蓝牙的缺点, 可以将UWB引入便携式设备的大市场。

5.2 RFID+UWB

各类技术之间的融合应用可以弥补各自的缺点。RFID与UWB技术的融合应用, 能大大推进信息数字化的建设。

5.3 UWB卫星技术

未来可能会面临地面终端数量多, 多个终端同时接入信道造成拥堵的问题, 同时会造成频谱重叠现象。所以我们可以让地面终端实现信道动态接入, 同时使用卫星通信技术和超宽带技术实现短距通信。目前, 这种技术还处于概念研究阶段, 许多相关问题还未能得到充分的研究, 距离工程化应用还有很长的路要走。

摘要：UWB (Ultra Wideband) , 即超宽带。一种起源于19世纪的无线短距离通信技术。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小、保密性好、对人体辐射小等优点, 在无线个域网领域中已成为最富有竞争力的技术之一。文章主要论述UWB的发展现状及应用, 并且对未来的发展作出预测。

关键词：超宽带,无线通信,实现结构,应用与发展

参考文献

[1]Hewish M, Gourley S R.Ultra-wideband technology opens up new horizons[J].Janes International Defense Review, 1992 (2) :20-22.

[2]王金龙.无线超宽带 (UWB) 通信原理与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2015.