超宽带无线通信技术的特点和发展方向

UWB的产生和发展具有悠久的历史，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. 其中，fH是在-20 dB辐射点的信号的上限频率，而fL是在-20 dB辐射点的信号的下限频率. 图1显示了带宽计算的. 可以看出，UWB是指具有很高带宽比率（射频带宽与其中心频率的比率）的技术. UWB（超宽带）是一种非载波通信技术，它使用纳秒至皮秒的非正弦波窄脉冲来传输数据. 通过在宽频谱上传输极低功率的信号，UWB可以在约10米的范围内实现数百Mbit / s Gbit / s的数据传输速率. UWB具有抗干扰性能强，传输速率高，带宽极高，功耗低，传输功率低等优点. 它主要用于室内通信，高速无线局域网，家庭网络，无绳电话，安全检测，位置确定，雷达等领域. 超宽带技术最初是作为军用雷达技术开发的，在早期主要用于雷达技术领域.

2002年，美国FCC批准了民用UWB技术，UWB的开发开始加速. 12月，FCC批准了UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，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，UWB系统的辐射光谱密度严格限制用于不同的室内和室外应用，并且最高的辐射光谱密度UWB系统的最大频率指定为-41.3 dBm / MHz. 该图显示了FCC对室内和室外UWB系统的辐射功率谱密度的限制. 当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义. UWB系统具有极低的功率谱密度，已被证明能够在室内提供超过480Mbps的可靠数据传输. 与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有巨大的数据传输速率优势，并且可以提供高达1000Mbps或更高的传输速率. UWB技术在无线通信中的创新性和盈利能力吸引了全球行业的关注.

与蓝牙，802111b，802115和其他无线通信相比，UWB可以提供更快，更长和更宽的传输速率. 越来越多的研究人员正在UWB领域进行投资. 有些人只是在开发UWB技术，而UWB的发展应该拥有它，而有些则兼而有之. 我相信，UWB技术不仅受到低端用户的喜爱，而且在某些高端技术领域，受军事需求和商业市场的推动，UWB技术将得到进一步发展和成熟. 根据美国联合商业情报公司（United Business Intelligence Corporation）指出的“关于UWB预测和潜在市场应用的报告”，配备UWB的电子设备和芯片的全球产量在2007年将达到4510万套，当年的收入将达到13. UWB技术特征根据Shannon的信道容量公式，在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，系统无误码传输速率的上限为: 其中，B（单位: Hz）是信道带宽和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. 在民用商品中，UWB信号的传输范围通常要求在10m以内. 根据修改后的信道容量公式，传输速率可以达到500Mbit /. 这是用于个人通信和无线局域网的理想调制技术.

UWB为高速数据传输交换了非常宽的频率带宽，并且不单独占用已经拥挤的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带. 在军事应用中，巨大的扩频增益可用于实现远距离，低拦截率，低检测率，高安全性和高速数据传输. 根据FCC规定，UWB系统的辐射功率非常有限. 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的函数. 另外，超宽带信号具有非常丰富的频率分量. 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 WLAN系统的信道容量. 当之间的距离超过12m时，UWB系统在信道容量方面的优势将不再存在. 因此，UWB系统特别适合于短距离通信. -41.3dBm / MHz）. 对于传统的窄带系统，UWB信号的频谱密度甚至与背景噪声电平一样低. UWB信号对窄带系统的干扰可视为宽带白噪声.

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. 由于UWB信号使用持续时间极短的窄脉冲，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，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信号的极高的多径分辨率也会导致信号能量的严重时间分散（频率选择性衰落），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. 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. 使用相关器直接执行信号检测. UWB系统使用间歇脉冲发送数据. 脉冲持续时间很短，通常在0.20ns至1.5ns之间，并且占空比很低. 系统的功耗可能非常低. 该系统可用于高速通信. 功耗仅为几百微瓦到几十毫瓦.

民用UWB设备的功率通常约为传统移动电话所需功率的1/100，约为蓝牙设备所需功率的20. 军事UWB功耗也非常低. 因此，就电池寿命和电磁辐射而言，UWB设备比传统无线设备具有巨大优势. 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: 其中，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均取决于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系统使用无纳秒/亚纳秒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. 3.1高斯单周期脉冲高斯单周期脉冲是高斯脉冲的导数，它是最有代表性的非载波脉冲. 通过依次获得高斯一阶导数，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系统使用一阶脉冲，信号频率分量从DC一直延续到2 GHz. 图3显示了典型的2ns高斯单周期脉冲. 3.2载波调制整形技术原则上，只要信号-10dB带宽大于500MHz，就可以满足UWB的要求. 因此，可以将在载波通信系统中使用的传统信号形成方案移植到UWB系统中. 此时，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移动信号频谱. w（t）= p（t）cos（2πfct）（0tTp）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p（t）的频谱是P（f可见），则整形脉冲的频谱取决于基带脉冲p（t），只要p（t）的-10dB带宽更大频率超过250 MHz即可满足UWB的设计要求，调整载波频率fc可使信号频谱在3.1 GHz至10.6 GHz的范围内灵活移动，如果与跳频（FH）技术结合使用，则可以轻松地形成频率跳频多路访问（FHMA）系统，在许多IEEE 802.15.3a标准建议中，本文使用了这种脉冲整形技术.

图4显示了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脉冲是一种最早用于高速UWB通信系统的正交脉冲整形方法. 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. 这种脉冲整形方法的特点是能量集中在低频，并且每个波形阶次的频谱都非常不同，必须使用载波来移动频谱以满足FCC的要求. 3.4 PSWF正交脉冲PSWF脉冲是一种近似的“时限-带限”信号，在带限信号的分析中具有非常理想的效果. 与Hermite脉冲相比，可以根据目标频段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脉冲属于无载波整形技术，有助于简化的复杂性. 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. 通信的最终目的是在一定距离内传输信息. 尽管基带数字信号可以在传输距离相对较短时直接传输，但是如果要长距离传输，尤其是在无线或光纤信道上传输时，则必须调制信号频谱以移动信号频谱到高频. 在频道中传输.

为了在带宽受限的高频通道中传输数字信号，必须对数字信号进行载波调制. 就像传输模拟信号时一样，传输数字信号时有三种基本的调制方法: 幅度键控（ASK），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）. 它们分别对应于使用载波（正弦波）的幅度，频率和相位来传输数字基带信号，这可以视为模拟线性调制和角度调制的特殊情况. 4.1 UWB调制技术脉冲位置调制（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）和多系统PPM（MPPM）. 在这种调制方法中，在脉冲重复周期中有两个可能的脉冲位置. 脉冲位置与符号状态相对应. 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，通常选择相邻脉冲位置为脉冲自相关函数的负峰值，以使相邻符号的欧几里德距离最大. ppm是指每分钟Papers，即每分钟打印的页数. 这是测量打印机打印速度的重要参数，是指连续打印期间的平均速度. 它也指在整个溶液质量中以溶质质量的百万分之几表示的浓度，也称为百万分之一浓度.

ppm是用英文写的百万分之一，即百万分之一，结合不同情况下的某些物理量，通常用于表示设备某个DC参数的精度. 另外，ppm具有许多含义. PPM的优点是它只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，便于以较低的复杂度实现调制解调. 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. 脉冲幅度调制（PAM）是数字通信系统中最常用的调制方法之一. 在UWB系统中，考虑到实现的复杂性和功率效率，不建议使用多进制PAM（MPAM）. UWB系统中通常使用两种PAM方法: 开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）. 前者可以使用非相干检测来降低接收机的复杂性，而后者可以使用相干检测来更好地确保传输可靠性. 与2PPM相比，在相同辐射功率的前提下，BPSK波形调制（PWSK）是将Hermite脉冲等多个正交波形组合而成的调制方法. 在这种调制方法中，使用M个相互正交的等能量脉冲波形来承载数据信息，并且每个脉冲波形对应于一个M进制数据符号. 在接收端，M个并行相关器用于接收信号，最大似然检测用于完成数据恢复.

由于各种脉冲的能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率. 在相同的脉冲宽度的情况下，可以实现比MPPM更高的符号传输速率. 传统意义上的UWB系统都使用窄脉冲来承载信息. FCC对UWB的新定义扩展了UWB的技术手段. 原则上，任何-10dB带宽大于500MHz的信号形式都可以称为UWB. 在OFDM系统中，在多个正交子载波上并行地调制和发送数据符号，并且通过快速傅立叶变换/逆快速傅立叶变换（FFT / IFFT）来实现数据调制/解调. 4.2 UWB多址技术跳时多址（THMA）是最早应用于UWB通信系统的多址技术. 它可以很容易地与PPM调制和BPSK调制相结合，以形成跳时脉冲位置调制（TH-PPM），跳时二进制相移键控系统方案. 这种多址技术利用了UWB信号的极小占空比，并将脉冲重复周期（Tf，也称为帧周期）划分为Nh个非重叠码片时隙，持续时间为Tc. 每个用户使用唯一的随机跳时序列来随机选择Nh个码片时隙之一作为脉冲传输位置. 可以在每个码片插槽中使用PPM调制或BPSK调制. 由于用户跳时码之间具有良好的正交性，因此多用户脉冲之间不会出现冲突，从而避免了多用户干扰.

将跳频技术与PPM结合使用，可以有效抑制PPM信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的效果. 由于每个帧周期中可分割码片时隙的数量是有限的，所以当用户数量很大时，不可避免地会产生多用户干扰. 因此，如何选择跳时序列是一个非常重要的问题. 直接扩频码分多址（DS-CDMA）是一种广泛用于IS-95和3G移动蜂窝系统的多址方法. 这种多址方法也可以应用于UWB系统. 在这种多址访问模式下，每个用户使用专用的伪随机序列扩展数据信号，并且用户扩展序列之间的互相关很小. 因此，在DS-CDMA系统中需要功率控制. 在UWB系统中，DS-CDMA通常与BPSK结合使用. 跳频多路访问（FHMA）是与多个频率分子通道结合使用的多路访问方法. 每个用户使用专用的随机跳频代码来控制RF频率合成器，并在几个子信道中定期使用某个跳频模式. 数据在信道上传输，并且数据调制在基带中完成. 如果用户跳频码之间没有冲突或者冲突概率极小，则多用户信号在频域内是正交的，可以消除用户之间的干扰. 原则上，子信道数越多，容纳的用户数越多，但这是以设备复杂性和功耗为代价的. PWDMA是结合正交多脉冲（例如Hermite）提出的一种波分多址方法. 每个用户使用一个或几个特定的​​整形脉冲，并且调制方法可以是BPSK，PPM或PWSK. 由于用户使用的脉冲波形彼此正交，因此在同步传输的情况下，即使多个用户的信号相互冲突，也不会出现相互干扰. 通常，正交波形之间的异步互相关不为零，因此在异步通信的情况下，用户之间会存在相互干扰. 目前，PWDMA仅限于理论研究，尚未进入实用阶段

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