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超寬帶UWB無(wú)線(xiàn)通信中的調制技術(shù)論文
超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，因此被認為是未來(lái)幾年電信熱門(mén)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(méi)有界定的時(shí)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(chēng)為沖激脈沖)的頻譜特性來(lái)實(shí)現。
1 UWB基本原理
FCC(美國通信委員會(huì ))對超寬帶系統的最新定義是：相對帶寬(在-10dB點(diǎn)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。它與現有的無(wú)線(xiàn)電系統比較，在花費更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數據傳輸速率(100～500MbPs)、更強的抗干擾能力(處理增益50dB以上)，同時(shí)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?xún)?。
發(fā)射超寬帶(UWB)信號最常用和最傳統的方法是發(fā)射一種時(shí)域上很短(占空比低達0.5%)的沖激脈沖。這種傳輸技術(shù)稱(chēng)為“沖擊無(wú)線(xiàn)電(IR)”。UWB-IR又被稱(chēng)為基帶無(wú)載波無(wú)線(xiàn)電，因為它不像傳統通信系統中使用正弦波把信號調制到更高的載頻上，而是用基帶信號直接驅動(dòng)天線(xiàn)輸出的;由信息數據對脈沖進(jìn)行調制，同時(shí)，為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜而用偽隨即序列對數據符號進(jìn)行編碼。因此沖擊脈沖和調制技術(shù)就是超寬帶的兩大關(guān)鍵所在。
2 UWB的調制技術(shù)
超寬帶系統中信息數據對脈沖的調制方法可以有多種。脈沖位置調制(PPM) 和脈沖幅度調制(PAM)是UWB 最常用的兩種調制方式。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(shí)延。PAM是一種通過(guò)改變那些基于需傳輸數據的傳輸脈沖幅度的調制技術(shù)。在PAM調制系統中，一系列的脈沖幅度被用來(lái)代表需要傳輸的數據。任何形狀的脈沖都是通過(guò)其幅度調制使傳輸數據在{-1，+1}之間變化(對于雙極性信號)或在M個(gè)值之間變化(對于M 元PAM)。
采用脈沖幅度調制(PM)的超寬帶信號波形如下：
(2)
其中，dj是信息序列，Tf是脈沖重復周期。根據dj的不同取值，可將PAM調制方式分為以下三種：
(1)OOK(發(fā)送數據為1，UWB信號的幅度為1，發(fā)送數據為0 ，UWB 信號的幅度為0);
(2)PPAM(發(fā)送數據為1，UWB 信號的幅度為β1 ;發(fā)送數據為0 ，UWB 信號的幅度為β2);
(3)BPSK(發(fā)送數據為1 ，UWB 信號的幅度為1 ;發(fā)送數據為0 ，UWB 信號的幅度為- 1) 。
對于這三種方式，在超寬帶的PAM調制方式中多采用BPSK方式。
脈沖位置調制(PPM) 又稱(chēng)時(shí)間調制(TM) ，是用每個(gè)脈沖出現的位置落后或超前某一標準或特定時(shí)刻來(lái)表示某個(gè)特定信息的。二進(jìn)制PPM 是超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統經(jīng)常使用的一種調制方法，相對其它調制方法來(lái)說(shuō)也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個(gè)重要原因是它能夠使用零相差的相關(guān)接收機來(lái)接收檢測信號，而這種接收機有著(zhù)非常好的性能。圖1 給出了上述四種制方法的信號波形圖，對這四種調制方式給出了一個(gè)比較直觀(guān)的描述。
3 UWB 技術(shù)特點(diǎn)
由于UWB 與傳統通信系統相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無(wú)法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：
(1)系統容量大。香農公式給出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(lái)的效應，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機理。超寬帶無(wú)線(xiàn)電系統用戶(hù)數量大大高于3G系統。
(2)高速的數據傳輸。UWB系統使用上GHz的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發(fā)送信號功率密度控制得很低，也可以實(shí)現高的信息速率。一般情況下，其最大數據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(shí)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(shí)驗表明，對常規無(wú)線(xiàn)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 設備對于其他設備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線(xiàn)電通信，可在室內和地下進(jìn)行精確定位，而GPS 定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內。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(gè)比特所用的脈沖數。UWB 的占空比一般為0.01～0.001 ，具有比其它擴頻系統高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來(lái)說(shuō)，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無(wú)線(xiàn)通信系統接收機沒(méi)有本振、功放、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等， 因而結構簡(jiǎn)單，設備成本將很低。由于UWB信號無(wú)需載波，而是使用間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數據，脈沖持續時(shí)間很短，一般0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統只需要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(lái)傳輸數據而不需使用載波電路。所以，UWB發(fā)射機比現有無(wú)線(xiàn)發(fā)射設備要簡(jiǎn)單得多。TH-UWB發(fā)射機組成框圖如圖2所示。
調制后的數據與偽碼產(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(shí)延控制脈沖信號發(fā)生器的發(fā)送時(shí)刻，脈沖信號發(fā)生器輸出的UWB信號由天線(xiàn)輻射出去。脈沖信號產(chǎn)生電路的一個(gè)關(guān)鍵部分是天線(xiàn)，它的作用相當于一個(gè)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(xiàn)內的部分是相關(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(lèi)似，兩者的區別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調數據，基帶信號處理器的輸出控制可編程時(shí)延電，為可編程時(shí)延電路提供定時(shí)跟蹤信號，保證相關(guān)器正確解調出數據。
5 UWB 技術(shù)的應用前景
UWB 系統在很低的功率譜密度的情況下，UWB具有巨大的數據傳輸速率優(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(wú)線(xiàn)通信系統的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯�，F有的各種無(wú)線(xiàn)解決方案(例如：802.11 ，Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內打破了這一限制，UWB 的應用將使人們可以擺脫更多線(xiàn)纜的牽絆，通信因而變得更為方便。
無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)迅速滲入我們的生活當中，對容量不斷增長(cháng)的要求需要一種不對現有的通信系統造成影響的新的無(wú)線(xiàn)通信方案，超寬帶脈沖無(wú)線(xiàn)電系統正好滿(mǎn)足了這一要求。UWB 技術(shù)對于無(wú)線(xiàn)短距離的高速數據通信是非常有競爭力的，隨著(zhù)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。特別是短距離傳輸的后3G領(lǐng)域，UWB 將有廣闊的發(fā)展空間。
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