崭新的超宽带(UWB)无线通信技术
2008-08-11
作者：亓中瑞 高振明
摘 要: 从超宽带" title="超宽带">超宽带UWB(Ultra Wide Band)技术的基本概念、性能特点、调制方法、应用前景和发展方向等方面对UWB技术进行了介绍和分析,并对其调制方式和近期提出的新型高效脉形调制PSM(Pulse Shape Modulation)做出了初步的理论探讨。
关键词: 超宽带(UWB) 脉形调制(PSM) 正交改进型hermite脉冲
超宽带（Ultra Wide Band）作为一种新型的无线通信技术" title="通信技术">通信技术与传统的通信方式相比有着很大的区别。由于它不需使用载波电路，而是通过发送纳秒级脉冲传输数据，因此该技术具有发射和接收电路简单、功耗低、对现存通信系统影响小、传输速率" title="传输速率">传输速率高的优点，此外它还具有多径" title="多径">多径分辨能力强、穿透力强、隐蔽性好、系统容量大、定位精度高等优势。根据FCC的规定[1]，从3.1GHz～10.6GHz之间的7.5GHz带宽频率都将作为UWB通信设备所使用。但出于对现存无线系统影响的考虑，UWB的发射功率被限制在1mW/MHz以下。
UWB是一种可以为无线局域网LAN、个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。它解决了困扰传统无线技术多年的重大难题，开发了一个具有对信道衰落特性不敏感[2]、发射信号功率谱密度低、不易被截获、复杂度不高等众多优点的传输技术。该技术尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。
1 基本概念
超宽带(UWB)又被称为脉冲无线电(Impulse Radio), 具体定义为相对带宽(信号带宽与中心频率的比)大于25％的信号，即：
或者是带宽超过1.5GHz。实际上UWB信号是一种持续时间极短、带宽很宽的短时脉冲。它的主要形式是超短基带脉冲，宽度一般在0.1～20ns，脉冲间隔为2～5000ns，精度可控，频谱为50MHz～10GHz，频带大于100％中心频率，典型占空比为0.1％。
传统的UWB系统使用一种被称为“单周期(monocycle)脉形”的脉冲。一般情况下，通过隧道二极管或者水银开关产生。在计算机仿真中用高斯脉冲来近似代替它。由于天线对脉冲的影响不同，所以可以假设发送脉冲为：
tc是脉冲的时移，2tau为脉冲的宽度。图1给出了发射脉冲和接收脉冲的时域脉形。
2 UWB的性能特点
超宽带有别于其它现存的一些通信技术，其最根本的区别在于无需载波，大大降低了发射和接收设备的复杂性，从根本上降低了通信的成本。
UWB的优点可以归纳为以下八个方面：
(1) 无需载波，发送和接收设备简单。由于UWB信号是一些超短时的脉冲，其频率很高，所以它不象传统的基带信号那样需要将其调制到某个发射频率上才能在信道中传输。因此，必然会使发射机和接收机的结构简单化。
(2) 功耗低。由于UWB信号无需载波，工作在频谱的电子噪声波段，所以它只需要很低的电源功率。一般UWB系统只需要50～70mW的电源，而这只是移动电话的百分之一,蓝牙技术的十分之一。
(3) 传输速率高。极宽的带宽使UWB具有很高的传输速率，一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百Mbps～1Gbps。美国英特尔公司于2002年4月在“IDF 2002 Spring Japan”上对该技术进行了演示，在数米的距离内传输速率可达100Mbps。
(4)隐蔽性好，安全性高。由于UWB信号的带宽很宽，且发射功率很低，这必然使该项通信技术具有低截获能力LPD(Low Probability of Detection)的优点。另外超宽带还采用了跳时TH(Time Hopping)扩频技术，接收端必须在知道发射端扩频码的条件下才能解调出发送的数据信息。
(5)多径分辨能力强。从时域角度看，超宽带系统采用脉冲宽度为几纳秒的窄信号，因此具有很高的时间分辨力，相应的多径分辨率小于几十厘米；从频域的角度分析，由于UWB信号的带宽极宽，所以信号在传输过程中出现频率选择性衰落现象是一定的。然而正是因为极宽的带宽，多径衰落只在某些频点处出现，从整体上考虑，衰落掉的能量只是信号总能量很小的部分，所以该技术在抗多径方面仍具有鲁棒性。
(6)系统容量大。香农公式给出
C=Blog2(1+S/N) (4)
可以看出,带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术" title="超宽带技术">超宽带技术的理论机理。
(7)高精度的距离分辨力。由于超宽带定位设备的时间抖动小于20ps，如果采用GPS相同的工作原理和算法，相应的距离不确定性小于1cm。而在实际应用中，超宽带雷达系统使用的超窄脉冲信号，其距离分辨率小于30cm。
(8)穿透能力强。在具有相同带宽的无线信号中，超宽带的频率最低，因此，它在具有大容量和高距离分辨率的同时相对于毫米波信号具有更强的穿透能力。
3 UWB信号的调制方法
UWB的调制方式有许多，以脉位调制PPM(Pulse Position Modulation)为例作一个举例分析。
首先定义一个单周期脉形：
其中，d(k)是信息数据，δ为时移。为了满足多用户的需求，提高通信的安全性和对系统功率谱密度PSD(Power Spectral Density)的考虑，引入了跳时码，下面就从功率谱密度的角度来分析这个问题。
假设采用图1(a)给出的高斯单脉冲作为发送信号，且只是一串周期性的脉冲序列，由于时域信号的周期性导致其频域出现了强烈的能量尖峰，这些尖峰将对现存传统的无线信号造成干扰。因此需要采取某种措施将其平滑。如果采用PPM调制对脉冲的位置做出调整，可以看到：由于调制的置乱效果，频域的尖峰得到了一定的控制，但此时仍比较明显。为了进一步降低尖峰的幅度，引入跳时码，这样发送信号的功率谱就会得到进一步的平滑，几乎近似于背景噪声，这也正是UWB系统能与现存无线系统并存的原因之一。图2给出了上述不同信号的PSD图和引入跳时码后的时域波形。
除PPM外，UWB信号还可以采用脉幅调制PAM(Pulse Amplitude Modulation ),开关键OOK(On-Off Key)和二相移键控BPSK(Bi-Phase Shift Key)等。在接收端，单脉冲信号可以通过相关技术实现可靠接收。实际应用中常使用相关器(correlator),它用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相关器输出的是接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差，从输出中寻找时间位置差为0的即为要接收的信号。
为了追求更高效率的信息传输，近来人们提出了一种新型脉冲调制方式——脉形调制PSM(Pulse Shape Modulation)[3]。PSM就是对脉冲的形状进行调制从而实现信息的载荷,因此脉冲形状的选择是十分重要的。它的提出得益于人们对hermite多项式的研究。由于hermite多项式的数学表达式与高斯单脉冲很接近，而且随着阶数的变化，波形的持续时间不会有很大的变动，因此人们便想到了用hermite多项式项数的变化产生形状各异的脉冲，实现多元化的调制。为了寻求正交的波形，需对hermite多项式进行修正，即：
经过改动之后，便可以得到彼此正交的各阶hermite多项式了。这时可以在发送端同时发送n个不同形状的单脉冲,正交性使其互不干扰,接收端用相关接收技术即可把每一个信号分离出来。
图3给出了改进型hermite多项式时域波形。与此同时还可以通过搭建simulink电路得到想要的各阶hermite多项式脉形。如图4[4]给出了搭建电路和仿真波形。在simulink电路中，hermite多项式的阶数由脉冲阶数单元控制，示波器1、2给出相应阶数和相应阶数减1阶的hermite脉形。
传输效率的提高带来系统性能的下降,这是许多系统所不能容忍的,因此需要进行编码。首先在形域采用BCH(7,4)对信号编码,这样一来传输速率是单脉冲的4倍,而误码性能则与单脉冲基本相同,随后在时域对信息帧进行BCH(31,11)编码,使性能进一步提高,最后还可以在时域和形域联合编码,误码性能会得到大幅度的改善,而传输效率仍然高于单脉冲系统。性能曲线如图5所示。
表1给出以上各种方法具体参数的比较。
4 应用前景和发展方向
凭借自身的众多优势，超宽带技术具有广阔的应用前景。UWB首先在美国军方和政府部门得到了实质性关注，并迅速应用于美国军队的无线电台组网（Adhoc）和高精度雷达检测系统中。2002年2月FCC准许UWB技术进入民用领域，条件是：“在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(换算成功率则为1mW/MHz)的条件下，可将3.1G～10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。尽管该技术在应用中有如此多的限制，但它仍受到广大电信开发商的青睐。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已经向IEEE-802.15委员会提出了采用超宽带技术的议案，众多公司的研发部门乃至学校也都将该技术的研究提到了日程中来。许多现已成熟的技术纷纷与UWB进行结合[5～8],如UWB－OFDM、UWB－Ad hoc、UWB－Wavelet、UWB－Neural network等，有的公司甚至已经利用这些技术生产出了实际的民用产品。
笔者把超宽带技术的应用归纳为短距离无线通信、雷达探测和精确定位三个最主要的方面。其中在短距离无线通信中可用于密文传送、音/视频流传输、射频标签识别以及无中心自组织网络(Adhoc)的物理层等领域；雷达方面主要用作防撞雷达检测、精密测高学、穿墙成像和探地雷达系统；精确定位则可用于资产跟踪和全球定位系统 GPS(Global Position System)。由此可见，UWB技术的背后蕴藏着巨大的商机。
当然，超宽带技术若要真正用于人们的日常生活，还有许多极具挑战性的课题，这也是超宽带技术近来乃至今后很长一段时间内研究和发展的方向[9]。
(1)建立时域内的超宽带无线电发射器的模型,从时域角度设计天线的传输函数；
(2)研究超宽带信号产生和基本功能的优化；
(3)研究低电平超宽带无线电信号集合而造成的干扰,有效平衡功率和通信范围的关系；
(4)超宽带跳时码的研究；
(5)研究移动Adhoc网络协议和路由协议,将超宽带技术应用于分布式的网络结构、盲捕获和自配置功能中；研究适用于超宽带类似于'蓝牙'系统的组网协议；
(6) 研究基于超宽带无线电传输技术的无线IP协议；
(7) 研究超宽带无线电的测试技术,包括传输信道的测试、估计、信道模型等。
如今科学界正掀起一股UWB的革命浪潮，UWB技术已成为未来最有发展前景的十大通信技术之一。我国同样也非常重视这项革命性技术的研究，并于2001年9月初发布的“十五”863计划通信技术主题研究项目中，把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研发工作。
超宽带技术开创出无线通信中一个崭新的领域，拥有十分广阔的市场前景。或许假以时日，UWB将作为无线互连标准的主流出现在人们面前，让我们拭目以待。
参考文献
1 FCC. Revision of part 15 the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission systems. ET Docket: 98～153,April 2002
2 M.Z.Win, and R.A.Scholtz. Ultra-Wide Bandwidth Time-Hopping Spread Impulse Radio for Wireless Multiple Access Communications. IEEE Transactions on Communications,2000;48(4):697～691
3 C. Mitchell, R. Kohno.High Data Rate Transmissions Using Orthogonal Modifed Hermite Pulses in UWB Communications[J]. in IEEE 2003:1278～1283
4 L. B. Michael, M. Ghavami, R. Kohno.Multiple Pulse Generator for UWB Communication using Hermite Polynomial based Orthogonal Pulses. [EBOL]. www.csl.sony.co.jp/ATL/papers/UWBST 2002_LBM_presentation.pdf.
5 E Saberinia and A.H.Tewfik. Generating UWB-OFDM Signal Using Sigma-Delta Modulator. VTC, 2003;2(4):1425～1429
6 F.Cuomo, C.Martello. Radio Resource Sharing for ad hoc Networking with UWB. IEEE Journal on Communications, 2002;20(12):1722～1732
7 T.Ikegami, H.Tsukada. A Study of Wavelet Application for Ultra Wide Band data Transmission. The 5th International Symposium on WPMC, 2002;3(10):1275～1279
8 I.Jouny, M. kanapathipillai, “Neural Network Adaptive Wavelet Classification of Radar Targets', Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1994；4（8）:1889～1891,
9 I.Immoreev.Ten Questions on UWB[ultra wider band radar]. IEEE AESM, 2003;18(11):8～10