摘要：從超寬帶UWB技術(shù)進(jìn)行了介紹和分析，并對(duì)其調(diào)制方式和近期提出的新型高效脈形調(diào)制PSM（Pulse Shape Modulation）做出了初步的理論探討。

超寬帶（Ultra Wide Band）作為一種新型的無線通信技術(shù)與傳統(tǒng)的通信方式相比有著很大的區(qū)別。由于它不需使用載波電路，而是通過發(fā)送納秒級(jí)脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此該技術(shù)具有發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單、功耗低、對(duì)現(xiàn)存通信系統(tǒng)影響小、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，此外它還具有多徑分辨能力強(qiáng)、穿透力強(qiáng)、隱蔽性好、系統(tǒng)容量大、定位精度高等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)FCC的規(guī)定，從3.1GHz～10.6GHz之間的7.5GHz帶寬頻率都將作為UWB通信設(shè)備所使用。但出于對(duì)現(xiàn)存無線系統(tǒng)影響的考慮，UWB的發(fā)射功率被限制在1mW/MHz以下。

UWB是一種可以為無線局域網(wǎng)LAN、個(gè)人域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡(jiǎn)單的無線通信技術(shù)。它解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的重大難題，開發(fā)了一個(gè)具有對(duì)信道衰落特性不敏感、發(fā)射信號(hào)功率普密度低、不易被截獲、復(fù)雜度不高等眾多優(yōu)點(diǎn)的傳輸技術(shù)。該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入和軍事通信應(yīng)用中。

圖1

1 基本概念

超寬帶（UWB）又被稱為脈沖無線電（Impulse Radio）,具體定義為相對(duì)帶寬（信號(hào)帶寬與中心頻率的比）大于25%的信號(hào)，即：

Bf=B/fc=(fh-fl)/[(fh+fl)/2]>25% (1)

或者是帶寬超過1.5GHz。實(shí)際上UWB信號(hào)是一種持續(xù)時(shí)間極短、帶寬很寬的短時(shí)脈沖。它的主要形式是超短基帶脈沖，寬度一般在0.1～20ns，脈沖間隔為2～5000ns，精度可控，頻譜為50MHz～10GHz，頻帶大于100%中心頻率，典型點(diǎn)空比為0.1%。

傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)使用一種被稱為“單周期（monocycle）脈形”的脈沖。一般情況下，通過隨道二極管或者水銀開關(guān)產(chǎn)生。在計(jì)算機(jī)仿真中用高斯脈沖來近似代替它。由于天線對(duì)脈沖的影響不同，所以可以假設(shè)發(fā)送脈沖為：

而接收端收到的信號(hào)為：

tc是脈沖的時(shí)移，2tau為脈沖的寬度。圖1給出了發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)域脈形。

2 UWB的性能特點(diǎn)

超寬帶有別于其它現(xiàn)存的一些通信技術(shù)，其最根本的區(qū)別在于無需載波，大大降低了發(fā)射和接收設(shè)備的復(fù)雜性，從根本上降低了通信的成本。

UWB的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下八個(gè)方面：

（1）無需載波，發(fā)送和接收設(shè)備簡(jiǎn)單。由于UWB信號(hào)是一些超短時(shí)的脈沖，其頻率很高，所以它不象傳統(tǒng)的基帶信號(hào)那樣需要將其調(diào)制到某個(gè)發(fā)射頻率上才能在信道中傳輸。因此，必然會(huì)使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化。

圖2

    （2）功耗低。由于UWB信號(hào)無需載波，工作在頻譜的電子噪聲波段，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，而這只是移動(dòng)電話的百分之一，藍(lán)牙技術(shù)的十分之一。

（3）傳輸速率高。極寬的帶寬使UWB具有很高的傳輸速率，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。美國(guó)英特爾公司于2002年4月在“IDF2002 Spring Japan”上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了演示，在數(shù)米的距離內(nèi)傳輸速率可達(dá)100Mbps。

（4）隱蔽性好，安全性高。由于UWB信號(hào)的帶寬很寬，且發(fā)射功率很低，這必然使該項(xiàng)通信技術(shù)具有低截獲能力LPD（Low Probability of Detection）的優(yōu)點(diǎn)。另外超寬帶還采用了跳時(shí)TH（Time Hopping）擴(kuò)頻技術(shù)，接收端必須在知道發(fā)射端擴(kuò)頻碼的條件下才能解調(diào)出發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

（5）多徑分辨能力強(qiáng)。從時(shí)域角度看，超寬帶系統(tǒng)采用脈沖寬度為幾納秒的窄信號(hào)，因此具有很高的時(shí)間分辨力，相應(yīng)的多徑分辨率小于幾十厘米；從頻域的角度分析，由于UWB信號(hào)的帶寬極寬，所以信號(hào)在傳輸過程中出現(xiàn)頻率選擇性衰落出現(xiàn)是一定的。然而正是因?yàn)闃O寬的帶寬，多徑衰落只在某些頻點(diǎn)處出現(xiàn)，從整體上考慮，衰落掉的能量只是信號(hào)總能量很小的部分，所以該技術(shù)在抗多徑方面仍具有魯棒性。

（6）系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出

C=Blog2(1+S/N) (4)

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。

（7）高精度的距離分辨力。由于超寬帶定位設(shè)備的時(shí)間抖動(dòng)小于20ps，如果采用GPS相同的工作原理和算法，相應(yīng)的距離不確定性小于1cm。而在實(shí)際應(yīng)用中，超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)使用的超窄脈沖信號(hào)，其距離分辨率小于30cm。

（8）穿透能力強(qiáng)。在具有相同帶寬的無線信號(hào)中，超寬帶的頻率最低，因此，它在具有大容量和高距離分辨率的同時(shí)相對(duì)于毫米波信號(hào)具有更強(qiáng)的穿透能力。

3 UWB信號(hào)的調(diào)制方式

UWB的調(diào)制方式有許多，以脈沖調(diào)制PPM（Pulse Position Modulation）為例作為一個(gè)舉例分析。

首先定義一個(gè)單周期脈形：

s(k)代表信號(hào)kth,w(t)為傳輸?shù)膯沃芷诿}沖。

將其移至每一幀的開始：

Tf代表脈沖重復(fù)周期，j表示第j個(gè)單脈沖。

加入偽隨機(jī)跳時(shí)碼：

最后加入調(diào)制數(shù)據(jù)：

    其中，d(k)是信息數(shù)據(jù)，δ為時(shí)移。為了滿足多用戶的需求，提高通信的安全性和對(duì)系統(tǒng)功率譜密度PSD（Power Spectral Density）的考慮，引入了跳時(shí)碼，下面就從功率譜密度的角度來分析這個(gè)問題。

假設(shè)采用圖1（a）給出的高斯單脈沖作為發(fā)送信號(hào)，且只是一串周期性的脈沖序列，由于時(shí)域信號(hào)的周期性導(dǎo)致其頻域出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量類峰，這些類峰將對(duì)現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)的無線信號(hào)造成干擾。因此需要采取某種措施將其平滑。如果采用PPM調(diào)制對(duì)脈沖的位置做出調(diào)整，可以看到：由于調(diào)制的置亂效果，頻域的尖峰得到了一定的控制，但此時(shí)仍比較明顯。為了進(jìn)一步降低類峰的幅度，引入跳時(shí)碼，這樣發(fā)送信號(hào)的功率譜就會(huì)得到進(jìn)一步的平滑，幾乎近似于背景噪聲，這也正是UWB系統(tǒng)能與現(xiàn)存無線系統(tǒng)并存的原因之一。圖2給出了上述不同信號(hào)的PSD圖和引入跳時(shí)碼后的時(shí)域波形。

除PPM外，UWB信號(hào)還可以采用脈幅調(diào)制PAM（Pulse Amplitude Modulation），開關(guān)鍵OOK（On-Off Key）和二相移鍵控BPSK（Bi-Phase Shift Key）等。在接收端，單脈沖信號(hào)可以通過相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠接收。實(shí)際應(yīng)用中常使用相關(guān)器（correlator），它用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號(hào)，再積分就得到一個(gè)直流輸出電壓。相關(guān)器輸出的是接收到的單周期脈沖和模板波形的相對(duì)時(shí)間位置差，從輸出中尋找時(shí)間位置差為0的即為要接收的信號(hào)。

為了追求更高效率的信息傳輸，近來人們提出了一種新型脈沖調(diào)制方式——脈形調(diào)制PSM（Pulse Shape Modulation）。PSM就是對(duì)脈沖的形狀進(jìn)行調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)信息的載荷，因此脈沖形狀的選擇是十分重要的。它的提出得益于人們對(duì)hermite多項(xiàng)式的研究。由于hermite多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)表達(dá)式與高斯單脈沖很接近，而且隨著階數(shù)的變化，波形的持續(xù)時(shí)間不會(huì)有很大的變化，因此人們便想到了用hermite多項(xiàng)式數(shù)的變化產(chǎn)生形狀各異的脈沖，實(shí)現(xiàn)多元化的調(diào)制。為了尋求正交的波形，需對(duì)hermite多項(xiàng)式進(jìn)行修正，即：

經(jīng)過改動(dòng)之后，便可以得到彼此正交的各階hermite多項(xiàng)式了。這時(shí)可以在發(fā)送端同時(shí)發(fā)送n個(gè)不同形狀的單脈沖，正交性使其互不干擾，接收端用相關(guān)接收技術(shù)即可把每一個(gè)信號(hào)分離出來。

圖3給出了改進(jìn)型hermite多項(xiàng)式時(shí)域波形。與此同時(shí)還可以通過搭建simulink電路得到想要的各階hermite多項(xiàng)式脈沖。如圖4給出了搭建電路和仿真波形。在simulink電路中，Hermite多項(xiàng)式的階數(shù)由脈沖階數(shù)單元控制，示波器1、2給出相應(yīng)階數(shù)和相應(yīng)階數(shù)減1階的hermite脈形。

傳輸效率的提高帶來系統(tǒng)性能的下降，這是許多系統(tǒng)所不能容忍的，因此需要進(jìn)行編碼。首先在形域采用BCH（7，4）對(duì)信號(hào)編碼，這樣一來傳輸速率是單脈沖的4倍，而誤碼性能則與單脈沖基本相同，隨后在時(shí)域?qū)π畔M(jìn)行BCH（31，11）編碼，使性能進(jìn)一步提高，最后還可以在時(shí)域和形域聯(lián)合編碼，誤碼性能會(huì)得到大幅度的改善，而傳輸效率仍然高于單脈沖系統(tǒng)。性能曲線如圖5所示。

4 應(yīng)用前景和發(fā)展方向

憑借自身的眾多優(yōu)勢(shì)，超寬帶技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，UWB首先在美國(guó)軍方和政府部門得到了實(shí)質(zhì)性關(guān)注，并迅速應(yīng)用于美國(guó)軍隊(duì)的無線電臺(tái)組網(wǎng)（Adhoc）和高精度雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)中。2002年2月FCC準(zhǔn)許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，條件是：“在發(fā)送功率低于美國(guó)放射噪音規(guī)定值-41.3dBm/MHz（換算成功率則為1mW/MHz）的條件下，可將3.1G～10.6GHz的頻帶用于對(duì)地下和隔墻之物進(jìn)行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達(dá)以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測(cè)距和無線數(shù)據(jù)通信”。盡管該技術(shù)在應(yīng)用中有如此多的限制，但它仍受到廣大電信開發(fā)商的青睞。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已經(jīng)向IEEE-802.15委員會(huì)提出了采用超寬帶技術(shù)的議案，眾多公司的研究部門乃至學(xué)校也都將該技術(shù)的研究提到了日程中來。許多現(xiàn)已成熟的技術(shù)紛紛與UWB進(jìn)行結(jié)合，如UWB-OFDM、UWB-Ad hoc、UWB-Wavelet、UWB-Neural network等，有的公司甚至已經(jīng)利用這些技術(shù)生產(chǎn)出了實(shí)際的民用產(chǎn)品。

圖4

    筆者把超寬帶技術(shù)的應(yīng)用歸納為短距離無線通信、雷達(dá)探測(cè)和精確定位三個(gè)最主要的方面。其中在短距離無線通信中可用于密文傳送、音/視頻流傳輸、射頻標(biāo)簽識(shí)別以及無中心自紡織網(wǎng)絡(luò)（Adhoc）的物理層等領(lǐng)域；雷達(dá)方面主要用作防撞雷達(dá)檢測(cè)、精密測(cè)高學(xué)、穿墻成像和探地雷達(dá)系統(tǒng)；精確定位則可用于資源跟蹤和全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）。由此可見，UWB技術(shù)的背后蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)。

當(dāng)然，超寬帶技術(shù)若要真正用于人們的日常生活，還有許多極具挑戰(zhàn)性的課題，這也是超寬帶技術(shù)近來乃至今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)研究和發(fā)展的方向。

（1）建立時(shí)域內(nèi)的超寬帶無線電發(fā)射器的模型，從時(shí)域角度設(shè)計(jì)天線的傳輸函數(shù)；

（2）研究超寬帶信號(hào)產(chǎn)生和基本功能的優(yōu)化；

（3）研究低電平趕寬帶無線電信號(hào)集合而千萬的干擾，有效平衡功率和通信范圍的關(guān)系；

（4）超寬帶跳時(shí)碼的研究；

（5）研究移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由協(xié)議，將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、盲捕獲和自配置功能中；研究適用于超寬帶類似于“藍(lán)牙”系統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié)議；

    （6）研究基于超寬帶無線電傳輸技術(shù)的無線IP協(xié)議；

（7）研究超寬帶無線電的測(cè)試技術(shù)，包括傳輸信道的測(cè)試、估計(jì)、信道模型等。

如今科學(xué)界正掀起一般UWB的革命浪潮，UWB技術(shù)已成為未來最有發(fā)展前景的十大通信技術(shù)之一。我國(guó)同樣也非常重視這項(xiàng)革命性技術(shù)的研究，并于2001年9月初發(fā)布的“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，把超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研發(fā)工作。

超寬帶技術(shù)開創(chuàng)出無線通信中一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，擁有十分廣闊的市場(chǎng)前景?；蛟S假以時(shí)日，UWB將作為無線互連標(biāo)準(zhǔn)的主流出現(xiàn)在人們面前，讓我們拭目以待。