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超寬帶UWB無線通信中的調(diào)制技術(shù)論文
超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)無線技術(shù)在無線電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此被認為是未來幾年電信熱門技術(shù)之一。目前“超寬帶”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬(或絕對帶寬)而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多種方式產(chǎn)生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖(又稱為沖激脈沖)的頻譜特性來實現(xiàn)。
1 UWB基本原理
FCC(美國通信委員會)對超寬帶系統(tǒng)的最新定義是：相對帶寬(在-10dB點處)(fH-fL)/fc>20%(fH，fL，fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率) 或者總帶寬BW> 500MHz。它與現(xiàn)有的無線電系統(tǒng)比較，在花費更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率(100～500MbPs)、更強的抗干擾能力(處理增益50dB以上)，同時具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內(nèi))。
發(fā)射超寬帶(UWB)信號最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射一種時域上很短(占空比低達0.5%)的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱為“沖擊無線電(IR)”。UWB-IR又被稱為基帶無載波無線電，因為它不像傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中使用正弦波把信號調(diào)制到更高的載頻上，而是用基帶信號直接驅(qū)動天線輸出的;由信息數(shù)據(jù)對脈沖進行調(diào)制，同時，為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜而用偽隨即序列對數(shù)據(jù)符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調(diào)制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。
2 UWB的調(diào)制技術(shù)
超寬帶系統(tǒng)中信息數(shù)據(jù)對脈沖的調(diào)制方法可以有多種。脈沖位置調(diào)制(PPM) 和脈沖幅度調(diào)制(PAM)是UWB 最常用的兩種調(diào)制方式。通常UWB信號模型為：
(1)
其中，w (t) 表示發(fā)送的單周期脈沖，dj，tj分別表示單脈沖的幅度和時延。PAM是一種通過改變那些基于需傳輸數(shù)據(jù)的傳輸脈沖幅度的調(diào)制技術(shù)。在PAM調(diào)制系統(tǒng)中，一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調(diào)制使傳輸數(shù)據(jù)在{-1，+1}之間變化(對于雙極性信號)或在M個值之間變化(對于M 元PAM)。
采用脈沖幅度調(diào)制(PM)的超寬帶信號波形如下：
(2)
其中，dj是信息序列，Tf是脈沖重復(fù)周期。根據(jù)dj的不同取值，可將PAM調(diào)制方式分為以下三種：
(1)OOK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1，UWB信號的幅度為1，發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號的幅度為0);
(2)PPAM(發(fā)送數(shù)據(jù)為1，UWB 信號的幅度為β1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號的幅度為β2);
(3)BPSK(發(fā)送數(shù)據(jù)為1 ，UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數(shù)據(jù)為0 ，UWB 信號的幅度為- 1) 。
對于這三種方式，在超寬帶的PAM調(diào)制方式中多采用BPSK方式。
脈沖位置調(diào)制(PPM) 又稱時間調(diào)制(TM) ，是用每個脈沖出現(xiàn)的位置落后或超前某一標準或特定時刻來表示某個特定信息的。二進制PPM 是超寬帶無線通信系統(tǒng)經(jīng)常使用的一種調(diào)制方法，相對其它調(diào)制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機來接收檢測信號，而這種接收機有著非常好的性能。圖1 給出了上述四種制方法的信號波形圖，對這四種調(diào)制方式給出了一個比較直觀的描述。
3 UWB 技術(shù)特點
由于UWB 與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點：
(1)系統(tǒng)容量大。香農(nóng)公式給出C = Blog2 (1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這一點也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大大高于3G系統(tǒng)。
(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB系統(tǒng)使用上GHz的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強。UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發(fā)射信號的能量。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環(huán)境，UWB 信號的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因為UWB 的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB 設(shè)備對于其他設(shè)備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達厘米級。
(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)。UWB 的占空比一般為0.01～0.001 ，具有比其它擴頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來說，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統(tǒng)接收機沒有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等， 因而結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數(shù)，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，是藍牙技術(shù)的十分之一。
4 UWB發(fā)射機和接收機組成框圖
1.UWB發(fā)射機
UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機比現(xiàn)有無線發(fā)射設(shè)備要簡單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2所示。
調(diào)制后的數(shù)據(jù)與偽碼產(chǎn)生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產(chǎn)生的時延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天線輻射出去。脈沖信號產(chǎn)生電路的一個關(guān)鍵部分是天線，它的作用相當于一個濾波器。
2.UWB接收機組成框圖
TH-UWB接收機采用相關(guān)接收方式，接收機框圖如圖3所示。圖3中虛線內(nèi)的部分是相關(guān)器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成。
接收機與發(fā)射機類似，兩者的區(qū)別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。
5 UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景
UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率，使UWB 同其它短距離無線通信系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯�，F(xiàn)有的各種無線解決方案(例如：802.11 ，Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內(nèi)打破了這一限制，UWB 的應(yīng)用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。
無線通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當中，對容量不斷增長的要求需要一種不對現(xiàn)有的通信系統(tǒng)造成影響的新的無線通信方案，超寬帶脈沖無線電系統(tǒng)正好滿足了這一要求。UWB 技術(shù)對于無線短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競爭力的，隨著研究的深入，憑借多方面的優(yōu)勢，它將在很多領(lǐng)域占有一席之地。特別是短距離傳輸?shù)暮?G領(lǐng)域，UWB 將有廣闊的發(fā)展空間。
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