郭天賜

（河南大學(xué)歐亞國際學(xué)院，河南　開封　475001）

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超寬帶無線通信技術(shù)研究

郭天賜

（河南大學(xué)歐亞國際學(xué)院，河南開封475001）

摘要：本文對(duì)UWB（超寬帶無線通信技術(shù)）的發(fā)展背景作出簡單的介紹，并對(duì)一些用到的技術(shù)UWB波形及調(diào)制技術(shù)，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，UWB多址技術(shù)，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?、波形的產(chǎn)生及信道和接受路線作出一定的分析與討論。

關(guān)鍵詞：UWB；無線個(gè)人局域網(wǎng)；多址技術(shù)；脈沖調(diào)制

超寬帶無線通信技術(shù)（UWB）是使用一種持續(xù)時(shí)間較短的能量脈沖序列，然后再經(jīng)過相關(guān)的正交頻分調(diào)制，或者說直接排序把脈沖擴(kuò)展到一定的頻率范圍之內(nèi)的一種無載波無線通信互聯(lián)技術(shù)。UWB的帶寬非常寬，但是其頻譜的功率密度相對(duì)來說又非常小，這就造就了UWB的另一特點(diǎn)，那就是擴(kuò)頻通信［1，2］。

UWB技術(shù)最初是被美國用來雷達(dá)技術(shù)開發(fā)的，用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC），批準(zhǔn)其使用頻段范圍在3.1～10.6GHz。自2002 年2月，UWB技術(shù)也開始被業(yè)界廣泛關(guān)注起來。UWB的應(yīng)用非常廣泛，想一些服務(wù)類上如醫(yī)療應(yīng)用和消費(fèi)產(chǎn)品，還有就是在安全方面的應(yīng)用也非常廣泛，比如軍事、航空安全方面等，都有獨(dú)特的價(jià)值和廣闊的前景。

UWB最主要的技術(shù)特點(diǎn)是傳輸速率高，其次就是結(jié)構(gòu)簡單、空間的容量相對(duì)大點(diǎn)、成本低、功耗低等。目前來說，UWB最有可能成為一種有效的技術(shù)手段，用來解決企業(yè)、一些公共場所等高速因特網(wǎng)接入的需求，還有就是擁擠的頻率資源分配之間的矛盾［3］。

1　UWB接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

超寬帶信號(hào)在傳輸過程中有些因素很容易導(dǎo)致接收機(jī)信號(hào)的波形發(fā)生嚴(yán)重的失真現(xiàn)象，如大尺度路徑損耗、陰影效應(yīng)、小尺度多徑衰落等因素都會(huì)影響到它。與此同時(shí)，其他一些因素也會(huì)影響信號(hào)，如多址技術(shù)干擾、窄帶方面的干擾和背景噪聲等。所以，必須解決以下一些關(guān)鍵技術(shù)，才能夠進(jìn)行進(jìn)一步的研究與開發(fā)，一是接收機(jī)技術(shù)，二是同步技術(shù)，三是就信道估計(jì)。

1.1Rake接收機(jī)

UWB收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說要比那些傳統(tǒng)的簡單，因此UWB系統(tǒng)在家庭、辦公室等這些環(huán)境中應(yīng)用比較多，同時(shí)多徑信道的最大時(shí)延可以達(dá)到200ns以上，可分辨多徑數(shù)量與信號(hào)帶寬是有一定關(guān)系的，它們之間是成正比的，通常情況下可以高達(dá)幾十至上百條。

UWB信號(hào)有非常大的帶寬，這就導(dǎo)致了收發(fā)天線和無線信道都將會(huì)引起較嚴(yán)重的信號(hào)波形失真，如果瑞克接收機(jī)相關(guān)器模板仍然采用理想的脈沖波形，系統(tǒng)的性能將會(huì)受到很大的影響和損失。相關(guān)估計(jì)和修正脈沖信號(hào)是接收機(jī)相關(guān)器模板中必不可少的兩部分。換句話說，相關(guān)器模板通常就是實(shí)際測到的UWB信號(hào)脈沖波形［4］。

1.2定時(shí)同步技術(shù)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，同步定時(shí)都是最根本的任務(wù)。對(duì)傳送的數(shù)據(jù)都是通過精確的同步算法來進(jìn)行相關(guān)接收的。

定時(shí)同步在UWB通信系統(tǒng)中有非常重要的位置，因?yàn)樵诙〞r(shí)同步中定時(shí)偏差和抖動(dòng)都會(huì)嚴(yán)重地影響到接收機(jī)的一些相關(guān)性能。一般定時(shí)同步分為連個(gè)階段，一個(gè)是捕獲，另一個(gè)是跟蹤。在捕獲過程中，接收機(jī)的主要作用就是需要快速地搜索到信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，進(jìn)而根據(jù)結(jié)果調(diào)整接收機(jī)的定時(shí)問題。至于同步跟蹤的問題，接收機(jī)的另外一個(gè)主要作用就是對(duì)微小的定時(shí)偏差起到補(bǔ)償和保持同步的作用［5］。

大體情況來講，數(shù)據(jù)輔助的定時(shí)同步和盲定時(shí)同步在UWB系統(tǒng)中目前來說是最為重要的兩大類。對(duì)于盲定時(shí)同步的作用就是用來定時(shí)捕獲和跟蹤的，其主要依據(jù)是內(nèi)在的循環(huán)平穩(wěn)這一特征。雖然這種方法效率問題上比數(shù)據(jù)輔助的同步方法上要高，但是在捕獲速度這方面及同步性能上會(huì)稍有遜色。

無論是定時(shí)同步還是盲定時(shí)同步，其主要不同之處應(yīng)該說是相關(guān)器模板和先驗(yàn)信息的之間的不同。突發(fā)式的包傳遞模式是高速無線個(gè)域網(wǎng)中經(jīng)常采用的。

1.3信道估計(jì)技術(shù)

非相干檢測在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置，其定義是之相位之間沒有任何的關(guān)系，如果采用它，接收機(jī)的復(fù)雜度非但可以簡化掉，就連信道估計(jì)也可以省掉了。通常情況下，系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃院凸β市市枰捎昧硪粋€(gè)方法，那就是采用相干檢測，因此UWB接收技術(shù)中還存在的關(guān)鍵問題之一就是信道估計(jì)的一些問題。

信道的估計(jì)方法一般可以分為兩大類，簡單地先說數(shù)據(jù)輔助一類，另一類信道估計(jì)就應(yīng)該是盲（Blind）信道估計(jì)了。對(duì)于前一種方法而言，其速度可以說估計(jì)較快，但是還存在的一個(gè)問題就是頻譜利用率和功率利用率，工作原理是利用已知的訓(xùn)練符號(hào)進(jìn)行估計(jì)。再來看盲信道估計(jì)就不一樣了，它不需要訓(xùn)練符號(hào)就可以利用本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)或者是數(shù)據(jù)信息內(nèi)在的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)來進(jìn)行估計(jì)。但是，數(shù)據(jù)輔助的信道估計(jì)計(jì)算復(fù)雜度要高出很多，不僅如此，收斂速度也是相當(dāng)慢的。

UWB的信道的變化速度相當(dāng)慢，一般應(yīng)用于房屋內(nèi)，因?yàn)橛袝r(shí)候已經(jīng)可以看作是準(zhǔn)靜態(tài)了。數(shù)據(jù)輔助的估計(jì)方法對(duì)那種突發(fā)式的包傳遞模式來說是較為理想的一種方法，因?yàn)樗烙?jì)信道不需要那么復(fù)雜，只需要插入一點(diǎn)訓(xùn)練符號(hào)即可，如果能夠再配合判決反饋來提高精度就可以說得上更加完美了。

2　UWB多址技術(shù)

2.1TH-PPM多址方式

2.1.1TH-PPM UWB的信號(hào)波形。TH-PPM UWB制信號(hào)波形方程如下：

2.1.2接收信號(hào)處理。多址系統(tǒng)中，如果說有Nu個(gè)用戶在同一時(shí)間工作的話，接收信號(hào)r(t)的方程為：

在多址系統(tǒng)中，如果說由很多個(gè)用戶都在同一時(shí)間工作的話，上述判決準(zhǔn)則就已經(jīng)不再是最好的方式了，必須考慮到多用戶干擾情況，使結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

2.2DS-CDMA的多址方式

2.2.1DS-CDMA UWB信號(hào)的波形。在單載波DSCDMA方案中，經(jīng)過DS-CDMA擴(kuò)頻之后的信號(hào)后還需要對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。在UWB中存在很多的低頻分量，但是想要解決這個(gè)問題也不難，其中頻譜搬移就是一個(gè)很有效果的方式。

2.2.2接收信號(hào)的處理。DS-CDMA UWB的多址接收機(jī)用相干數(shù)據(jù)檢測，采用相關(guān)器接受，其結(jié)構(gòu)與TH/ PPM UWB接收機(jī)沒有很大的差別，基本上是很類似的。有時(shí)候?yàn)榱艘恍┣闆r的分析顯得更為簡單方便，我們就假設(shè)接收機(jī)與發(fā)信機(jī)1傳輸?shù)男盘?hào)已經(jīng)建立了同步。接收機(jī)框圖如圖1所示。

2.3PCTH UWB的多址技術(shù)

偽混沌跳時(shí)方式PCTH調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，可以用其來替代TH-PPM中的偽隨機(jī)序列及調(diào)制的數(shù)據(jù)，依次來控制短脈沖的發(fā)送時(shí)刻，使信號(hào)的頻譜發(fā)生一些變化，這樣PCTH不但能夠減少對(duì)現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且還不容易被檢測到。

如圖2所示。在每個(gè)TF間隔時(shí)間內(nèi)，只傳輸一個(gè)脈沖，而每個(gè)脈沖的位置可以是N=2M個(gè)離散時(shí)隙中的任何一個(gè)，M則是移位寄存器的長度。

3　結(jié)論

UWB（超寬帶無線通信技術(shù)）直接用脈沖對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，如發(fā)射功率低，穿透能力高，多徑分辨能力強(qiáng)，低功耗，處理增益高，系統(tǒng)容量大，傳輸速率高，便于多功能一體化，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。UWB已不僅僅局限于在軍事方面的應(yīng)用，UWB技術(shù)在10m內(nèi)家庭環(huán)境中和小型企業(yè)內(nèi)部更進(jìn)一步地發(fā)揮了其優(yōu)勢。UWB和其他無線通信設(shè)備的兼容問題，則更需要我們作更多的努力，不斷完善UWB實(shí)際應(yīng)用效率，擴(kuò)大其實(shí)際應(yīng)用范圍。

UWB也存在一些不足之處，一方面是頻譜不能充分利用所規(guī)定的矩形部分，由于超寬帶設(shè)備是一個(gè)功率受限的系統(tǒng)，將會(huì)影響到其覆蓋范圍；另一方面則是和現(xiàn)在無線通信系統(tǒng)的兼容問題，因?yàn)槠湔紦?jù)廣闊的頻率范圍，為了避免干擾，需要在單脈沖彈頻段超寬帶系統(tǒng)發(fā)射端增加濾波器來避免對(duì)傳統(tǒng)無線系統(tǒng)的影響。總之，在今后的發(fā)展中改進(jìn)不足，推進(jìn)其得以廣泛應(yīng)用。

圖1　DS-UWB多址接收機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2　幀周期以及對(duì)應(yīng)PPM調(diào)制的時(shí)隙示意圖

參考文獻(xiàn)：

［1］方旭明.短距離無線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［2］王金龍.無線超寬帶（UWB）通信原理與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］鄒衛(wèi)霞，周正，張春青.UWB的調(diào)制與多址技術(shù)［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18（4）：319-321.

［4］劉丹譜.超寬帶無線通信技術(shù)［J］.中興通信技術(shù)，2005，10（3）：16-19.

［5］謝遠(yuǎn)生.信積極推動(dòng)我國無線電技術(shù)應(yīng)用發(fā)展［J］.2005 （11）：6-7.

中圖分類號(hào)：TN925

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5168（2016）01-0060-03

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：郭天賜（1995-），男，本科在讀，研究方向：通信工程。

Uwb Wireless Communication Technology Research

Guo Tianci
（Eurasia International College,Henan University，Kaifeng Henan 475001）

Abstract:This paper briefly introduced the development background of the UWB(ultra wideband)wireless communi?cation technology,and discussed the technology used for some technical UWB waveform and modulation technology, solving the key technology,UWB multiple access technology,and the principle of data transmission,waveform,and routes of the channel and accept.

Keywords:UWB；wireless personal area network；multiple access technology；pulse modulation