萬偉

（武警工程學(xué)院研究生37隊(duì)，陜西西安710086）

超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）無線技術(shù)又稱為脈沖無線電（Impulse radio），出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。UWB不需要使用載波，而是依靠持續(xù)的、時(shí)間非常短的基帶脈沖信號傳輸數(shù)據(jù)，因而占用的頻帶非常寬，通常在GHz數(shù)量級。由于UWB脈沖極短，直達(dá)波與多徑反射、折射波，在時(shí)間上不易重疊，因此，其時(shí)間分辨率強(qiáng)，適合于多徑分量豐富的室內(nèi)無線信道傳輸；UWB脈沖低頻分量豐富，使其易于穿透墻壁傳輸數(shù)據(jù)[1]；UWB信號的頻帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號的相關(guān)帶寬，所以任何深度衰落只能影響頻帶的很小部分；UWB系統(tǒng)是用偽隨機(jī)碼來區(qū)分不同用戶的。

1 UWB技術(shù)概述

UWB技術(shù)是指具有較大相對帶寬的無線通信技術(shù)。目前研究UWB實(shí)質(zhì)上是以占空比很低（低達(dá)0.5%）的沖擊脈沖作為信息載體的無載波擴(kuò)頻技術(shù)。通常所說的超寬帶是指信號的-10 dB帶寬的絕對值大于500 MHz或者是分?jǐn)?shù)帶寬（分?jǐn)?shù)帶寬是指絕對帶寬與中心頻率之比）大于20%，并且對UWB系統(tǒng)的功率譜密度也有嚴(yán)格的要求。

UWB規(guī)定通信頻率為3.1～10.6 GHz，單脈沖寬度0.2～1.5 ns，發(fā)射功率為每MHz小于41.3 dBm，多徑衰落小于5 dB，因此不管是從頻域還是時(shí)域，UWB都與傳統(tǒng)的無線信號有很大的區(qū)別，所以工作原理也就有差異。

1.1 UWB調(diào)制原理

UWB信號在發(fā)射前，首先要經(jīng)過一個(gè)重復(fù)編碼器產(chǎn)生一定重復(fù)周期的脈沖序列，用戶要傳遞的信息和用戶地址的偽隨機(jī)碼分別或者合成后用低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC），或者二進(jìn)制PN碼序列對重復(fù)的周期脈沖序列進(jìn)行編碼，然后對編碼后的信號進(jìn)行調(diào)制，最后將調(diào)制后的信號放大到所需功率通過UWB系統(tǒng)的天線發(fā)射出去。調(diào)制一般有單脈沖和多脈沖調(diào)制兩種。單脈沖調(diào)制有脈幅調(diào)制（PAM），脈位調(diào)制（PPM），通斷鍵控（OOK），二相調(diào)制（BPM）以及跳時(shí)/直擴(kuò)二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制TH/DS-BPSK等。PAM、OOK、PPM都可以通過非相干解調(diào)恢復(fù)原始信息，但脈沖信號會出現(xiàn)單頻率，難以滿足UWB系統(tǒng)要求。對于功率譜密度受限和功率受限的UWB系統(tǒng)，BPM是一種很好的調(diào)制技術(shù)，因?yàn)槎嗾{(diào)制不會出現(xiàn)單一頻率，避免線譜現(xiàn)象。多脈沖調(diào)制是為了降低單個(gè)脈沖的幅度或提高抗干擾性能，它的調(diào)制分為兩步：第一步對每組脈沖內(nèi)部的單個(gè)脈沖采取調(diào)制。第二步每組脈沖作為整體調(diào)制，可用的調(diào)制技術(shù)有直接序列擴(kuò)頻（DS-SS），跳時(shí)擴(kuò)頻（TH-SS）。兩步結(jié)合起來就形成了多脈沖調(diào)制的調(diào)制方式：TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、THSS BPM和DS-SS BPM等。

1.2 UWB 的優(yōu)點(diǎn)

與其他無線系統(tǒng)相同，超寬帶有以下特點(diǎn)[2]：

1）隱蔽性好，截獲概率低。超寬帶信號的頻頻極寬，功率譜密度極低，可隱藏在環(huán)境噪聲和其他信號中，難以被非法目標(biāo)接收機(jī)檢測和截獲。

2）高數(shù)據(jù)傳輸速率。超寬帶能夠達(dá)到幾百甚至是幾千兆比特每秒的速率，適合高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的要求。

3）穿透能力強(qiáng)。超寬帶的頻率從接近直流的低頻到幾GHz的高頻，而低頻成分具有較強(qiáng)的障礙物穿透能力。

4）多徑分辨率好，抗干擾能力強(qiáng)。最常用的UWB信號形式是脈寬極窄、占空比很低的脈沖序列，不同路徑的信號時(shí)延大于信號脈寬時(shí)，就很容易運(yùn)用方法分離出來，進(jìn)行分集就收，減小多徑干擾的影響[3]。

2 UWB的無載波調(diào)制技術(shù)分析

2.1 脈位調(diào)制

二進(jìn)制PPM是用正常位置的脈沖代表0，滯后一個(gè)時(shí)間偏移量的脈沖代表1，也可以設(shè)置多個(gè)不同的時(shí)間偏移量以進(jìn)行多進(jìn)制PPM調(diào)制。由于高斯信號隨著階數(shù)的提高，它的過零點(diǎn)會增加，而且信號的中心頻率逐漸向高頻擴(kuò)展，滿足UWB的成型脈沖，因此本文將用高斯二階導(dǎo)數(shù)的脈沖作為發(fā)送脈沖[4]。信號經(jīng)調(diào)制后的TH-PPM信號的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式是：

u表示S（u，t）是隨機(jī)過程。Tf為幀長，W（t-iTf）是周期為Tf的脈沖信號。Ci（u）是跳時(shí)序列，由偽隨機(jī)序列控制產(chǎn)生，以區(qū)別不同的用戶，Ci（u）{0，1，2，…，Nh-1}。Tc是時(shí)隙寬度。D[i/Ns]（u）∈{0，1}，等于0說明第i個(gè)脈沖位置不變，等于1說明第i個(gè)脈沖后移θ。在此式中，要求NhTc＜Tf。

信號在空間傳播時(shí)，會產(chǎn)生一定的時(shí)延。假設(shè)在加性高斯白噪聲信道（AWGN）傳輸，則在接收端會疊加一個(gè)高斯白噪聲信號，接收端天線接收的信號模型表達(dá)式是：

τ表示隨機(jī)時(shí)延。n（t）表示疊加的高斯白噪聲。

2.2 脈沖信號波形

產(chǎn)生脈沖極窄的沖激脈沖序列的方法有方波脈沖、高斯脈沖、Hermite脈沖和正交橢球波函數(shù)。將用高斯脈沖的二階導(dǎo)數(shù)產(chǎn)生UWB信號。高斯脈沖的信號表達(dá)式是[5]：

通過函數(shù)圖像可以看到隨著階數(shù)的提高，原點(diǎn)兩端的脈寬越來越窄，可以作為成型脈沖。

2.3 脈位解調(diào)

TH-PPM的接受方式有RAKE接收機(jī)法、自相關(guān)法和多用戶檢測法，其中RAKE接收法和多用戶檢測都需要信道估計(jì)[6]。RAKR接收法是利用一組統(tǒng)計(jì)獨(dú)立分布的時(shí)變抽頭或者是一組匹配濾波器來進(jìn)行分集接收，以減少噪聲的影響，提高信噪比。自相關(guān)法將接收到的信號與本地參考信號進(jìn)行相干運(yùn)算，然后通過門限判決恢復(fù)出數(shù)據(jù)，方法比較簡單。多用戶檢測只接收落在觀察窗內(nèi)的可分離的多徑成份，能更好地抑制碼間干擾。自相關(guān)解調(diào)的框圖如圖1所示。

圖1 TH-PPM解調(diào)框圖Fig.1 TH-PPM demodulation diagram

3 MATLAB仿真結(jié)果與分析

通過MATLAB仿真，首先建立4個(gè)子函數(shù)：產(chǎn)生高斯脈沖波形的函數(shù)，產(chǎn)生幀信號函數(shù)，產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的函數(shù)和產(chǎn)生高斯加性白噪聲信號的函數(shù)。產(chǎn)生TH-PPM信號需要前3個(gè)函數(shù)，而產(chǎn)生接收信號需要4個(gè)函數(shù)。仿真時(shí)的參數(shù)是：Tc=0.5 ns，Tf=5 ns，Nh=6，Ns=10，圖2和圖3為跳時(shí)碼周期Np=20和Np=80時(shí)的功率譜密度。

圖2 Np=20時(shí)信號功率譜密度Fig.2 Power spectral density of signal when Npis 20

圖3 Np=80時(shí)信號功率譜密度密度Fig.3 Power spectral density of signal when Npis 80

由圖2和圖3可以得出，當(dāng)Np逐漸增大時(shí)，信號的功率譜密度越來越平滑，說明信號質(zhì)量越來越好。

4 結(jié)論

介紹了超寬帶的一些技術(shù)特點(diǎn)和調(diào)制與解調(diào)原理的理論，通過軟件的仿真形象的產(chǎn)生了TH-PPM信號，并研究了影響超寬帶信號質(zhì)量的因素之一，很直觀的通過圖形可以得出結(jié)論。下一步將通過軟件仿真的方法繼續(xù)研究影響超寬帶信號BER和信噪比的因素，可以嘗試用simulink的數(shù)字信號處理模塊來仿真得出結(jié)論。

[1]王曉宇，王立東，吳慶宏，等.直接序列擴(kuò)頻超寬帶信號分析[J].鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（1）：34-37.

WANG Xiao-yu，WANG Li-dong，WU Qing-hong，et al.DSUWB signal analysis[J].Journal of Anshan University of Science and Technology，2006，29（1）：34-37.

[2]李仲令.現(xiàn)代無線與移動(dòng)通信技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006：213.

[3]Benford J，Swegle J A.High power microwaves[M].second edition.National Defense Industry Press，2009:183-184.

[4]佘莎.超寬帶無線通信調(diào)制技術(shù)的研究[EB/OL].（2007-03-29）.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/200703-549.

[5]袁東風(fēng)，張海霞.編碼調(diào)制技術(shù)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006:50-57.

[6]（美）帕勒萬，（美）克瑞森那莫斯.無線網(wǎng)絡(luò)通信原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002:60-66.