超寬帶無線通信技術研究論文
1超寬帶技術概述
UWB技術，也稱為超寬帶無線通信技術，顧名思義其帶寬很寬，并且遠大于現在所采用的窄帶信號，是一種通過極短的脈沖信號進行通信的技術，由于其時域持續時間一般在納秒級別，故其帶寬可以達到數Hz甚至數GHz，所以在現代高速率傳輸的環境中，超寬帶技術因其通信速率高，通信容量大等優點從軍用技術轉為了民用技術，成為了現代短距離無線通信的關鍵技術之一。FCC（美國聯邦通信委員會）將帶寬大于500MHz或相對帶寬大于20%的信號定義為超寬帶信號[1]，其中，相對帶寬定義為帶寬與中心頻率之比，亦即：其中fH指單個用戶發射的信號的上限頻率，而fL則指的是該信號的下限頻率。
2兩種技術方案比較
到目前為止，超寬帶無線技術主要有兩種技術方案：傳統UWB和基于傳統OFDM技術的多帶UWB（MB-OFDM-UWB）。傳統UWB方案采用的是發射傳輸脈沖信號來傳輸信息，亦即用戶利用多個窄帶脈沖信號來傳送其發射的同一個原始比特信息。由于脈沖持續時間較短，所以在頻域上來看，其信號帶寬很寬，進而可以實現無載波的調制，使發射端無需射頻等環節，減少了實際設備的復雜度，但是脈沖的可控性較差，因此會對其他一些通信設備造成干擾。目前，在超寬帶系統中，脈沖的調制方式有：PAM（也稱作脈沖振幅調制）、PPM（即脈沖位置調制）、OOK（二進制開關鍵控）以及BPSK（二進制相移鍵控），而由于PPM調制的功率效率較高以及PAM調制的性能優勢，在UWB系統中一般采用PPM和PAM兩種調制方式。
而由WiMedia提出的MB-OFDM-UWB技術方案則是采用多頻帶調制方式，采用單個子帶的OFDM信號作為發射信號，利用OFDM的高頻帶利用率，同時將多個頻率子帶并行發送，可以避開某些頻帶，實現方式更加靈活。但是該方案利用了正交頻分復用技術而放棄了超寬帶系統中典型的脈沖形式，導致其消耗功率要高于傳統的UWB方案，也缺少了傳統UWB的高保密性和穿透能力強的特點。所以在現在的研究中仍是傳統的UWB系統占主導地位。傳統UWB方案中很多技術方案和CDMA等3G技術方案具有一致性，比如信號擴頻碼的使用、調制方式以及檢測方法等，這里擴頻序列的使用主要時用于多址識別，這是較方案不同的一點，傳統的CDMA中擴頻碼除了多址識別更多的是要用來擴展頻譜，所以在UWB方案中擴頻碼的設計也是研究的方向和熱點。傳統超寬帶無線技術方案一般分為TH-UWB和DS-UWB兩種。所謂TH-UWB（跳時超寬帶）是指利用偽隨機噪聲序列原始數據重復編碼后的信息進行編碼，而編碼后的數據符號引起脈沖在時間軸上的偏移，也就是通過跳時碼來選擇要發送信號的碼片區間；而DS-UWB（直序超寬帶）則是編碼后的數據符號對基本脈沖的幅度進行正負極性的調制。由于現在的通信環境需要的是大容量，亦即實現多用戶傳輸，而在多用戶的環境下，若采用多用戶檢測方法，TH-UWB可以獲得更大的處理增益，所以重點介紹TH-UWB技術。
3跳時超寬帶技術
在跳時超寬帶系統中，由于脈沖調制方式的不同，又主要可以分為2種，即PPM-TH-UWB（基于脈沖位置調制的跳時超寬帶）和PAM-TH-UWB（基于脈沖振幅調制的跳時超寬帶）。其中PPM-TH-UWB是指在跳時超寬帶系統的基礎上利用PPM實現信號在時間軸上的移動，具體實現為：當發送信號為1時，會產生PPM移位，反之，當發送信號為0時則沒有PPM移位，這直接導致發送的數據信息是通過PPM位移來區分的。而PAM-TH-UWB則是在TH的基礎上改變窄帶脈沖的幅度，當假設發送信號為1時脈沖的極性為正，則當發送為0時則與其相反，即脈沖在極性上是相反的，同樣在該系統中發送的數據比特是靠脈沖的幅度極性來區分的。
在二進制TH-UWB系統中，PPM調制與PAM調制在系統性能上不相上下，而且一般的研究都是可以進行通用的，但是隨著調制進制的增加，PAM調制的跳時系統性能將越來越差，誤碼率也越來越大，反之PPM調制下的跳時系統性能則良好，所以在工程中較多使用PPM調制下的跳時系統，這里也主要介紹PPM調制下的跳時超寬帶系統。（1）其中，p(t)為用于超寬帶系統中的高斯脈沖波形，一般采用高斯脈沖的二階導；Ts表示幀長，也指幀周期；cj表示偽隨機序列，在此，0≤c≤M-1,Mj表示M進制Tc；為碼片長度，則有Ts=MTc；NS表示每個比特信息由多少個脈沖組成，Tb表示傳輸信息比特時間，則有Tb=NSTS，cjTc表示由跳時序列引起的位移，aj表示PPM調制引起的位移，是一個常數，aj表示經過重復編碼器后的二進制序列。通常PPM調制引起的位移控制在一個碼片時間內。總之，PPM-TH-UWB技術利用了脈沖信號占空比很小的特點，將每一個信息比特時間劃分成L個脈沖持續時間（也指幀周期），然后將每一個幀周期劃分成N個碼片時間（碼片時間為最小的時間單位），接著每個用戶利用各自對應的獨立的隨機跳時序列在N個碼片時間中選擇一個作為脈沖發射位置，以此類推，最后發送到無線信道。在接收端則利用與期望用戶相同的跳時碼進行跟蹤接收。若跳時碼之間的正交性沒有破壞，則脈沖之間不會發生沖突，從而避免了多用戶干擾。但是在無線信道環境中，信號必然會經過多徑衰落，從而在接收端引起各個用戶的偽隨機序列正交性嚴重破壞，造成多用戶干擾，導致即使在系統的信噪比很高的情況下，系統性能仍然會受到嚴重的影響，故在TH-UWB系統中研究多用戶檢測算法也是未來的一個發展方向。
4UWB應用領域與未來發展方向
FCC定義了三種UWB系統：成像系統、通信與測量系統、車載雷達系統[3]。這導致了UWB系統的應用領域非常廣泛，宏觀上來說，主要有三個方面：通信、定位、雷達成像。在通信方面，UWB是一種短距離高速無線傳輸的技術，有良好的抗多徑干擾性能，所以在礦井、巷道等通信環境較差的受限空間中有廣泛的應用。同時UWB有望取代USB線纜，實現高速無線數據傳輸。在定位方面，由于較高的分辨率，UWB具有很高的定位精度，能夠實現精確測量。例如在軍用系統中，可以用來探測地雷，也可制成成像雷達，從而定位隱藏的敵人；在民用中主要應用在汽車防碰雷達系統（車載UWB雷達）上。在雷達方面，主要以穿墻雷達為主。UWB信號由于具有超寬的頻譜，因此可以提高信號穿透障礙物的能力，例如UWB穿墻成像技術是利用窄帶脈沖信號穿過一定厚度的墻壁，通過設置在成像設備上的信息屏幕，獲取墻壁另一側的物體（運動）信息，誤差很低[4]。
UWB技術由于是使用脈沖來作為信息載體的，沒有使用正弦信號作為載波，所以并不需要中頻處理，簡化了系統的模型，實現方便簡單，而且由于發送的是占空比很低的脈沖信號，所以使得所需的發射功率不需要很大，實現低功率傳輸。同時由于UWB信號的平均功率很小，帶寬很寬，所以發射信號常常被隱藏在噪聲等信號中難以檢測，實現保密、低截獲/檢測率傳輸。UWB技術的優勢使得其在無線通信方面有很廣闊的發展前景。UWB技術大大提高無線頻譜資源利用率的優點使得無線通信變得更加敏捷。當下主要有兩個大的方向，一是認知超寬帶系統（是將認知技術和超寬帶技術相互結合的產物）；二是基于協作模式的UWB定位技術。與其他國家相比，我國在UWB技術的研究上起步較晚，仍處于需要進一步研發的狀態，所以促進UWB技術的全面發展，有助于我國在該研究領域獲得自主知識產權等具有很大的意義。
5結語
本文介紹了UWB超寬帶無線通信系統的定義及技術方案，并詳細分析了TH-UWB技術以及UWB的應用領域與發展方向。可見超寬帶無線通信系統的優勢彌補了現代無線通信在民用上的不足。盡管UWB的發展充滿了坎坷，但是其在軍事、公共安全等領域有著巨大的應用潛力，更甚者有望取代藍牙等作為新一代的短距離無線通信技術被用于人們生活的各個領域。
參考文獻：
[1]李慧.超寬帶脈沖通信技術研究[J].信息通信,2013(2):16-17
[2]葛利嘉,朱林,等.超寬帶無線電基礎[M].北京:電子工業出版社,2005
[3]劉琪,閆麗,周正.UWB的技術特點及其發展方向[J].現代電信科技,2009(10):6-18
[4]孫家可.超寬帶通信技術的研究現狀與發展前景[J].信息通信,2014(6):258-259
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