超宽带（UWB）无线通信技术简介

作者: 王德强李长青轻音乐新曲

近年来，超宽带（UWB）无线通信已成为用于短距离，高速无线网络的最受欢迎的物理层技术之一.

许多世界知名的大公司，研究机构和标准化组织都积极从事超宽带无线通信技术的研究，开发和标准化. 为了使读者了解UWB技术，本讲座将分三个阶段介绍UWB技术: 第一阶段介绍UWB的产生和发展，技术特性，信号整形和调制以及多址技术，第二阶段着重介绍UWB介绍了数字电视频道，系统解决方案和关键接收机技术，第三期介绍了超宽带的应用前景和标准化.

1超宽带的兴起与发展

超宽带（UWB）的发展历史悠久，但是在1989年之前，UWB一词并不常用，并且对信号带宽和频谱结构没有明确的规定. 1989年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）首次采用了超宽带一词，并规定，如果-20dB信号的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25％，该信号是超宽带信号. 从那时起，使用超宽带一词.

其中，fH是与信号的-20dB辐射点相对应的上限频率，而fL是与信号的-20dB辐射点相对应的下限频率. 图1显示了带宽计算的. 可以看出，UWB是指带宽比率（射频带宽与其中心频率之比）非常高的技术.

为了探讨UWB在民用领域的可行性，自1998年以来，美国联邦通信委员会（FCC）开始征求业界意见. 美国NTIA等通讯组织已提交了800多份意见书.

2002年2月，FCC批准了UWB技术进入民用领域并重新定义了UWB，规定UWB信号是相对带宽大于20％或-10dB带宽大于500MHz的信号. 根据超宽带系统的具体应用，将其分为三类: 成像系统，车载雷达系统，通信与测量系统. 根据FCCPart15规定，UWB通信系统可以使用3.1 GHz至10.6 GHz的频带. 为了保护现有系统（例如GPRS，移动蜂窝系统，WLAN等）不受UWB系统的干扰，针对不同的室内和室外应用，UWB系统的辐射频谱密度受到严格限制，并且最高辐射频谱UWB系统的密度规定为-41.3 dBm / MHz. 图2显示了FCC对室内和室外UWB系统的辐射功率谱密度的限制. 目前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义.

自2002年以来，新技术和系统解决方案不断涌现，例如基于载波的多频带脉冲超宽带（IR-UWB）系统，基于直接扩频码分多址（DS-CDMA）的UWB系统，基于多频带正交频分复用（OFDM）的UWB系统等. 在产品方面，Time-Domain，XSI，Freescale，Intel等公司已经推出了UWB芯片组，超宽带天线技术也越来越多成熟. 当前，UWB技术已成为用于短距离，高速无线连接的最具竞争力的物理层技术. IEEE已将UWB技术纳入其IEEE802系列无线标准中，并正在加快基于UWB技术的高速无线个人局域网（WPAN）标准IEEE802.15.3a和低速无线个人局域网标准IEEE802的开发. .15.4a. 由英特尔领导的无线USB促进组织制定的基于UWB的W-USB2.0标准即将推出. 无线1394联盟也正在加紧制定基于UWB技术的无线标准. 可以预见，在未来几年中，UWB将成为短距离无线网络（如无线个人区域网，无线家庭网络和无线传感器网络）中主要的物理层技术之一.

2 UWB的技术特征

（1）传输速率高，空间容量大

根据香农信道容量公式，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，系统无误码传输率的上限为:

C = B×log2（1 + SNR）（1）

其中，B（单位: Hz）是信道带宽，SNR是信噪比. 在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz〜7.5GHz. 因此，即使信噪比SNR非常低，UWB系统也可以在短距离上实现数百兆字节至1Gb / s的传输速率. 例如，如果使用7 GHz带宽，则即使信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可以达到1 Gb / s. 因此，非常适合将UWB技术应用于短距离高速传输场合（例如高速WPAN），这可以大大增加空间容量. 理论研究表明，基于UWB的WPAN可获得的空间容量比当前的WLAN标准IEEE 802.11.a高1至2个数量级.

（2）适用于短距离通信

根据FCC法规，UWB系统的辐射功率非常有限，在3.1GHz〜10.6GHz频段的总辐射功率仅为0.55mW，远低于传统的窄带系统. 随着传输距离的增加，信号功率将继续衰减. 因此，接收到的信噪比可以表示为传输距离SNRr（d）的函数. 根据香农公式，信道容量可以表示为距离的函数

C（d）= B×log2 [1 + SNRr（d）]（2）

此外，超宽带信号具有非常丰富的频率成分. 众所周知，无线信道在不同的频段表现出不同的衰落特性. 随着传输距离的增加，高频信号衰减极快，这会导致UWB信号失真，从而严重影响系统性能. 研究表明，当之间的距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段中WLAN系统的信道容量；当之间的距离超过12m时，UWB的优势系统中的信道容量将不再存在. 因此，UWB系统特别适合短距离通信.

（3）良好的共存性和保密性

由于UWB系统的辐射频谱密度极低（小于-41.3dBm / MHz），对于传统的窄带系统，UWB信号频谱密度甚至低至背景噪声水平，并且UWB信号的干扰到窄带系统可以看作是宽带白噪声. 因此，UWB系统和传统的窄带系统具有良好的共存性，这对于提高日益紧张的无线频谱资源的利用率非常有利. 同时，极低的辐射频谱密度使UWB信号非常隐蔽且难以拦截，这对于提高通信的机密性非常有益.

（4）强大的多径分辨率和较高的定位精度

由于UWB信号使用持续时间很短的窄脉冲，因此它们的时间和空间分辨能力非常强. 因此，UWB信号的多径分辨率非常高. 极高的多径分辨率能力使UWB信号具有高精度的测距和定位能力. 对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨率. 无线信道的时间选择性和频率选择性是限制无线通信系统性能的关键因素. 在窄带系统中，无法区分的多径将导致衰落，而UWB信号可以将其分离并将其与分集接收技术结合在一起. 因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力. 但是，UWB信号的极高多径分辨率也会导致信号能量严重的时间分散（频率选择性衰减），并且接收机必须牺牲复杂性（增加分集）才能捕获足够的信号能量. 这将给接收机设计带来严峻挑战. 在实际的UWB系统设计中，必须牺牲信号带宽和复杂度才能获得理想的性价比.

（5）体积小，功耗低

传统的UWB技术不需要正弦波载波. 在纳秒或亚纳秒的基带窄脉冲上调制和传输数据. 使用相关器直接完成信号检测. 不需要复杂的载波频率调制/解调电路和滤波器. 因此，可以大大降低系统复杂度，并且可以减小的体积和功耗. FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了实现无载波脉冲整形的难度. 但是，随着半导体技术的发展和新的脉冲产生技术的不断出现，UWB系统仍然继承了传统UWB的小尺寸和低功耗的特点. 功能.

3 UWB脉冲整形技术

任何数字通信系统都必须使用与信道完全匹配的信号来承载信息. 对于线性调制系统，调制信号可以统一表示为:

s（t）= ∑Ing（t -T）（3）

在它们之中，In是承载信息的一系列离散数据符号； T是数据符号的持续时间；

g（t）是时域成形的波形. 通信系统的工作频带，信号带宽，辐射频谱密度，带外辐射，传输性能和实现复杂性等许多因素都取决于g（t）的设计.

对于UWB通信系统，整形信号g（t）的带宽必须大于500MHz，并且信号能量应集中在3.1 GHz〜10.6 GHz频带中. 早期的UWB系统使用纳秒级/亚纳秒级的无载波高斯单周期脉冲，信号频谱集中在2 GHz以下. FCC对UWB的重新定义和频谱资源的分配对信号整形提出了新的要求，必须调整信号整形方案. 近年来，出现了许多有效的方法，例如基于载波调制的整形技术，Hermit正交脉冲整形和椭圆球面（PSWF）正交脉冲整形.

3.1高斯一周期脉冲

高斯单周期脉冲是高斯脉冲的导数. 它是最具代表性的非载波脉冲. 通过连续推导高斯的一阶导数，可以获得每个阶次的脉冲波形.

随着脉冲信号阶数的增加，过零点的数量逐渐增加，信号中心频率移至高频，但信号带宽变化不大，相对带宽逐渐减小. 早期的UWB系统使用一阶和二阶脉冲，信号频率分量从DC一直延续到2GHz. 根据FCC对UWB的新定义，必须使用4阶或更高的亚纳秒脉冲才能满足辐射频谱要求. 图3显示了典型的2ns高斯一周期脉冲.

3.2载波调制的形成技术

原则上，只要信号-10dB带宽大于500MHz，就可以满足UWB要求. 因此，可以将在载波通信系统中使用的传统信号整形方案移植到UWB系统中. 这时，将超宽带信号设计转换为低通脉冲设计，并且可以通过载波调制在频率轴上灵活地移动信号频谱.

带载波的成形脉冲可以表示为:

w（t）= p（t）cos（2πfct）（0≤t≤Tp）（4）

其中，p（t）是持续时间为Tp的基带脉冲； fc是载波频率，即信号的中心频率. 如果基带脉冲的频谱p（t）为P（f），则最终整形脉冲的频谱为:

可以看出，整形脉冲的频谱取决于基带脉冲p（t）. 只要p（t）的-10dB带宽大于250 MHz，就可以满足UWB设计要求. 通过调整载波频率fc，可以在3.1 GHz至10.6 GHz的范围内灵活移动信号频谱. 如果与跳频（FH）技术结合使用，则可以轻松形成跳频多址（FHMA）系统. 此脉冲整形技术已在许多IEEE 802.15.3a标准提案中使用. 图4显示了一个典型的载波校正余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz.

3.3 Hermite正交脉冲

Hermite脉冲是最早提出用于高速UWB通信系统的一种正交脉冲整形方法. 结合多进制脉冲调制可以有效提高系统传输速率. 这种类型的脉冲波形是从Hermite多项式得出的. 这种脉冲形成方法的特征在于能量集中在低频上，并且每个阶次波形的频谱是不同的. 它需要载波移动频谱以满足FCC要求.

3.4PSWF正交脉冲

PSWF脉冲是一种近似的“时限-频带极限”信号，在频带极限信号分析中具有非常理想的效果.

与Hermite脉冲相比，可以根据目标频带和带宽要求直接设计PSWF脉冲，而无需进行复杂的载波调制来移动频谱. 因此，PSWF脉冲是一种非载波整形技术，有利于简化的复杂性.

4 UWB调制和多址技术

调制方法是指信号携带信息的方式. 它不仅决定了通信系统的有效性和可靠性，而且还影响了信号的频谱结构和接收机的复杂性. 对于多址技术，为了解决多用户共享信道的问题，合理的多址方案可以大大增加多用户的容量，同时减少用户之间的干扰. UWB系统中使用的调制方法可以分为两类: 基于超宽带脉冲的调制和基于OFDM的正交多载波调制. 多址技术包括: 跳时多址，跳频多址，直接扩频码分多址，波分多址等. 在系统设计中，调制方式和多址方式可以合理组合.

4.1 UWB调制技术

（1）脉冲位置调制

脉冲位置调制（PPM）是一种使用脉冲位置传输数据信息的调制方法. 根据使用的离散数据符号状态的数量，可以将其分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM（MPPM）. 在该调制模式中，在脉冲重复周期中存在2个或M个可能的脉冲位置，并且脉冲位置与符号状态对应. 根据相邻脉冲位置之间的距离与脉冲宽度之间的关系，可以将其分为部分重叠的PPM和正交的PPM（OPPM）. 在部分重叠的PPM中，为了确保系统传输的可靠性，通常将相邻脉冲位置选择为脉冲自相关函数的负峰值，以使相邻符号之间的欧几里德距离最大. 在OPPM中，通常以脉冲宽度的间隔确定脉冲位置. 使用相关器在相应位置执行相干检测. 考虑到UWB系统的复杂性和功率限制，在实际应用中，常用的调制方式为2PPM或2OPPM.

PPM的优点是它仅需要根据数据符号控制脉冲位置，而无需控制脉冲幅度和极性，这有助于以较低的复杂度实现调制和解调. 因此，PPM是在早期UWB系统中广泛使用的一种调制方法. 但是，由于PPM信号是单极性的，因此通常在辐射光谱中存在具有更高幅度的离散光谱线. 如果不抑制这些线路，将很难满足FCC的辐射光谱要求.

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