超宽带无编還信执术及发是 作者:张靖黎海涛张平发布日期:200111 (1电子科技大学电子技术系成都610054:2北京邮电大学电信工程学院北京100876) 摘要首先介绍了超宽带UWB技术的发展,然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点,包括信号调制方式、多径传播、传输速率 接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方面,最后展望了它的发展趋势和进一步研究的课题 关键词宽带无线通信信号 在过去数年中,短距离无线系统,从10m到100m,由于数据业务的推动,呈现出巨大的发展潜力,特别是近年在短距离无线通信领 域提出了个人局域网(PAN)的概念。PAN的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆,组建个人化的信息网络。实现PAN的主 要技术有:蓝牙( Bluetooth)、IDA( Infrared DataAssociation)、 Home rF以及超宽带UWB)等4种,其中具有高性能、低功耗和低成本无线 数据通信能力的UWB成为未来富有竞争力的技术 众所周知,一般通信技术是把信号从基带调制到载波上,所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率而UWB是通过 对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制,从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方 面的重大难题,它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。同时,它还具有对信道衰落不敏感:发射信号功率谱密度 低(数十mW范围),有低截获能力:系统复杂度低:能提供数厘米的定位精度等优点。UWB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。 随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展,超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会(FCC)以及全球其他标准化组 织正在制定UWB无线技术规范。UwB可能在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和数据通信方式。美国、欧 洲等许多学者目前都在对UwB技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和 Internet 来实现传输数据、话音、视频等业务,进而形成新一代蜂窝系统。 2,1UwB信号 现超宽带通信的首要任务是产生UWB信号,从本质上看,UWB是发射和接收超短电磁脉冲的技术,可使用不同的方式来产生和接 收这些信号以及对传输信息进行编码。这些脉冲可以单独发射或成组发射,并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编 目前较成熟的UwB通信信号有两种:时间调制( IMUWB和直接序列相位编码 DSC)UWB. IM-UWB采用瞬时开关技术来产生短脉 冲或只有很少几个过零点的波形,可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线辐射,以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射 这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布,进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间 编码形成多个信道,实现多址通信。直接序列相位编码UWB采用一种以千兆赫兹速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列 以数百Mbi/s的速率对数据进行编码,多个编码脉冲表示一个比特,编码增益能提供抗多径干扰能力,在短距离范围内,DSC-UwB能提 供极高的数据率。 可以看到,与一般的扩频波形(直接序列扩频DSSs或跳频扩频FHSS)不同,UwB波形的扩频带宽是直接产生的,即单个比特未经扩 频序列如PN码调制,本质上是时域概念。另外,DSSs、FHSS波形是恒包络,扩频波形占空比 即峰平比相等,在UWB中,脉 冲持续时间相对脉冲间隔很短,波形的占空比为一个小的百分数,峰平比很大 另外,UWB脉冲比传统无线信号更加难以探测,例如,TM-UWB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间,采用一种独特的时序 编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率,以提供难以被探测和截听的安全传输,而 且由于极短的波形持续时间,更易于实现多用户通信中的分组突发传输。 2多径传播 多径衰减是无线通信的一大障碍,传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径的困扰,难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪, 而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外,多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差,这在建筑物中尤为明显,而UWB 技术特别适合室内使用,它有抗多径衰落的固有鲁棒性。UWB非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨,而不是在接收端被破坏,超宽带无线通信技术及发展 作者：张 靖 黎海涛 张 平 发布日期：200111 (1.电子科技大学电子技术系 成都 610054；2.北京邮电大学电信工程学院 北京 100876) 摘 要 首先介绍了超宽带(UWB)技术的发展，然后分析了它应用于无线通信系统的性能特点，包括信号调制方式、多径传播、传输速率、 接收机设计、与其它无线设备兼容和共存性等方面，最后展望了它的发展趋势和进一步研究的课题。 关键词 宽带 无线通信 信号 1 引言 在过去数年中，短距离无线系统，从 10m 到 100m，由于数据业务的推动，呈现出巨大的发展潜力，特别是近年在短距离无线通信领 域提出了个人局域网(PAN) 的概念。PAN 的核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络。实现 PAN 的主 要技术有：蓝牙(Bluetooth)、IrDA(Infrared Data Association)、Home RF 以及超宽带(UWB)等 4 种，其中具有高性能、低功耗和低成本无线 数据通信能力的 UWB 成为未来富有竞争力的技术之一。 众所周知，一般通信技术是把信号从基带调制到载波上，所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。而 UWB 是通过 对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制，从而具有 GHz 量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方 面的重大难题，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。同时，它还具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度 低(数十 mW 范围) ，有低截获能力；系统复杂度低；能提供数厘米的定位精度等优点。UW B 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。 随着近年现代微电子技术的进步和高速器件的发展，超宽带无线技术开始走向商业化。美国联邦通信委员会(FCC)以及全球其他标准化组 织正在制定 UWB 无线技术规范。UWB 可能在不占用现在已经拥挤不堪的频率资源情况下带来一种全新的话音和数据通信方式。美国、欧 洲等许多学者目前都在对 UWB 技术在宽带高速通信中的应用潜力和面临的未来挑战进行研究。人们希望混合短距离无线通信和 Internet 来实现传输数据、话音、视频等业务，进而形成新一代蜂窝系统。 2 UWB 性能特点 2.1 UWB 信号 实现超宽带通信的首要任务是产生 UWB 信号，从本质上看，UWB 是发射和接收超短电磁脉冲的技术，可使用不同的方式来产生和接 收这些信号以及对传输信息进行编码。这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。 目前较成熟的 UWB 通信信号有两种：时间调制(TM)UW B 和直接序列相位编码(DSC)UWB。TM-UWB 采用瞬时开关技术来产生短脉 冲或只有很少几个过零点的波形，可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线辐射，以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射， 这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布，进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间 编码形成多个信道，实现多址通信。直接序列相位编码 UW B 采用一种以千兆赫兹速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列 以数百 Mbit/s 的速率对数据进行编码，多个编码脉冲表示一个比特，编码增益能提供抗多径干扰能力，在短距离范围内，DSC-UWB 能提 供极高的数据率。 可以看到，与一般的扩频波形(直接序列扩频 DSSS 或跳频扩频 FHSS)不同，UWB 波形的扩频带宽是直接产生的，即单个比特未经扩 频序列如 PN 码调制，本质上是时域概念。另外，DSSS、FHSS 波形是恒包络，扩频波形占空比为 100%，即峰平比相等，在 UW B 中，脉 冲持续时间相对脉冲间隔很短，波形的占空比为一个小的百分数，峰平比很大。 另外，UWB 脉冲比传统无线信号更加难以探测，例如，TM-UWB 系统在多个成对配置的接收机和发射机之间，采用一种独特的时序 编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率，以提供难以被探测和截听的安全传输，而 且由于极短的波形持续时间，更易于实现多用户通信中的分组突发传输。 2.2 多径传播 多径衰减是无线通信的一大障碍，传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径的困扰，难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪， 而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外，多径干扰和衍射现象也使传统无线电的传输特性变差，这在建筑物中尤为明显，而 UWB 技术特别适合室内使用，它有抗多径衰落的固有鲁棒性。UW B 非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨，而不是在接收端被破坏