超寬帶無線通信技術研究

郭天賜

（河南大學歐亞國際學院，河南　開封　475001）

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超寬帶無線通信技術研究

郭天賜

（河南大學歐亞國際學院，河南開封475001）

摘要：本文對UWB（超寬帶無線通信技術）的發展背景作出簡單的介紹，并對一些用到的技術UWB波形及調制技術，需要解決的關鍵技術，UWB多址技術，以及數據傳輸的原理、波形的產生及信道和接受路線作出一定的分析與討論。

關鍵詞：UWB；無線個人局域網；多址技術；脈沖調制

超寬帶無線通信技術（UWB）是使用一種持續時間較短的能量脈沖序列，然后再經過相關的正交頻分調制，或者說直接排序把脈沖擴展到一定的頻率范圍之內的一種無載波無線通信互聯技術。UWB的帶寬非常寬，但是其頻譜的功率密度相對來說又非常小，這就造就了UWB的另一特點，那就是擴頻通信［1，2］。

UWB技術最初是被美國用來雷達技術開發的，用于雷達技術領域。2002年2月，美國聯邦通信委員會（FCC），批準其使用頻段范圍在3.1～10.6GHz。自2002 年2月，UWB技術也開始被業界廣泛關注起來。UWB的應用非常廣泛，想一些服務類上如醫療應用和消費產品，還有就是在安全方面的應用也非常廣泛，比如軍事、航空安全方面等，都有獨特的價值和廣闊的前景。

UWB最主要的技術特點是傳輸速率高，其次就是結構簡單、空間的容量相對大點、成本低、功耗低等。目前來說，UWB最有可能成為一種有效的技術手段，用來解決企業、一些公共場所等高速因特網接入的需求，還有就是擁擠的頻率資源分配之間的矛盾［3］。

1　UWB接收機關鍵技術

超寬帶信號在傳輸過程中有些因素很容易導致接收機信號的波形發生嚴重的失真現象，如大尺度路徑損耗、陰影效應、小尺度多徑衰落等因素都會影響到它。與此同時，其他一些因素也會影響信號，如多址技術干擾、窄帶方面的干擾和背景噪聲等。所以，必須解決以下一些關鍵技術，才能夠進行進一步的研究與開發，一是接收機技術，二是同步技術，三是就信道估計。

1.1Rake接收機

UWB收發信機的結構相對來說要比那些傳統的簡單，因此UWB系統在家庭、辦公室等這些環境中應用比較多，同時多徑信道的最大時延可以達到200ns以上，可分辨多徑數量與信號帶寬是有一定關系的，它們之間是成正比的，通常情況下可以高達幾十至上百條。

UWB信號有非常大的帶寬，這就導致了收發天線和無線信道都將會引起較嚴重的信號波形失真，如果瑞克接收機相關器模板仍然采用理想的脈沖波形，系統的性能將會受到很大的影響和損失。相關估計和修正脈沖信號是接收機相關器模板中必不可少的兩部分。換句話說，相關器模板通常就是實際測到的UWB信號脈沖波形［4］。

1.2定時同步技術

在數字通信系統中，同步定時都是最根本的任務。對傳送的數據都是通過精確的同步算法來進行相關接收的。

定時同步在UWB通信系統中有非常重要的位置，因為在定時同步中定時偏差和抖動都會嚴重地影響到接收機的一些相關性能。一般定時同步分為連個階段，一個是捕獲，另一個是跟蹤。在捕獲過程中，接收機的主要作用就是需要快速地搜索到信號的到達時間，進而根據結果調整接收機的定時問題。至于同步跟蹤的問題，接收機的另外一個主要作用就是對微小的定時偏差起到補償和保持同步的作用［5］。

大體情況來講，數據輔助的定時同步和盲定時同步在UWB系統中目前來說是最為重要的兩大類。對于盲定時同步的作用就是用來定時捕獲和跟蹤的，其主要依據是內在的循環平穩這一特征。雖然這種方法效率問題上比數據輔助的同步方法上要高，但是在捕獲速度這方面及同步性能上會稍有遜色。

無論是定時同步還是盲定時同步，其主要不同之處應該說是相關器模板和先驗信息的之間的不同。突發式的包傳遞模式是高速無線個域網中經常采用的。

1.3信道估計技術

非相干檢測在傳統的數字通信系統中占據非常重要的位置，其定義是之相位之間沒有任何的關系，如果采用它，接收機的復雜度非但可以簡化掉，就連信道估計也可以省掉了。通常情況下，系統傳輸的可靠性和功率效率需要采用另一個方法，那就是采用相干檢測，因此UWB接收技術中還存在的關鍵問題之一就是信道估計的一些問題。

信道的估計方法一般可以分為兩大類，簡單地先說數據輔助一類，另一類信道估計就應該是盲（Blind）信道估計了。對于前一種方法而言，其速度可以說估計較快，但是還存在的一個問題就是頻譜利用率和功率利用率，工作原理是利用已知的訓練符號進行估計。再來看盲信道估計就不一樣了，它不需要訓練符號就可以利用本身的結構特點或者是數據信息內在的統計特點來進行估計。但是，數據輔助的信道估計計算復雜度要高出很多，不僅如此，收斂速度也是相當慢的。

UWB的信道的變化速度相當慢，一般應用于房屋內，因為有時候已經可以看作是準靜態了。數據輔助的估計方法對那種突發式的包傳遞模式來說是較為理想的一種方法，因為它估計信道不需要那么復雜，只需要插入一點訓練符號即可，如果能夠再配合判決反饋來提高精度就可以說得上更加完美了。

2　UWB多址技術

2.1TH-PPM多址方式

2.1.1TH-PPM UWB的信號波形。TH-PPM UWB制信號波形方程如下：

2.1.2接收信號處理。多址系統中，如果說有Nu個用戶在同一時間工作的話，接收信號r(t)的方程為：

在多址系統中，如果說由很多個用戶都在同一時間工作的話，上述判決準則就已經不再是最好的方式了，必須考慮到多用戶干擾情況，使結構變得非常復雜。

2.2DS-CDMA的多址方式

2.2.1DS-CDMA UWB信號的波形。在單載波DSCDMA方案中，經過DS-CDMA擴頻之后的信號后還需要對載波進行調制。在UWB中存在很多的低頻分量，但是想要解決這個問題也不難，其中頻譜搬移就是一個很有效果的方式。

2.2.2接收信號的處理。DS-CDMA UWB的多址接收機用相干數據檢測，采用相關器接受，其結構與TH/ PPM UWB接收機沒有很大的差別，基本上是很類似的。有時候為了一些情況的分析顯得更為簡單方便，我們就假設接收機與發信機1傳輸的信號已經建立了同步。接收機框圖如圖1所示。

2.3PCTH UWB的多址技術

偽混沌跳時方式PCTH調制的數據，產生非周期的混沌編碼，可以用其來替代TH-PPM中的偽隨機序列及調制的數據，依次來控制短脈沖的發送時刻，使信號的頻譜發生一些變化，這樣PCTH不但能夠減少對現有的無線通信系統的影響，而且還不容易被檢測到。

如圖2所示。在每個TF間隔時間內，只傳輸一個脈沖，而每個脈沖的位置可以是N=2M個離散時隙中的任何一個，M則是移位寄存器的長度。

3　結論

UWB（超寬帶無線通信技術）直接用脈沖對信號進行調制，具有多方面的優點，如發射功率低，穿透能力高，多徑分辨能力強，低功耗，處理增益高，系統容量大，傳輸速率高，便于多功能一體化，抗干擾能力強的優點。UWB已不僅僅局限于在軍事方面的應用，UWB技術在10m內家庭環境中和小型企業內部更進一步地發揮了其優勢。UWB和其他無線通信設備的兼容問題，則更需要我們作更多的努力，不斷完善UWB實際應用效率，擴大其實際應用范圍。

UWB也存在一些不足之處，一方面是頻譜不能充分利用所規定的矩形部分，由于超寬帶設備是一個功率受限的系統，將會影響到其覆蓋范圍；另一方面則是和現在無線通信系統的兼容問題，因為其占據廣闊的頻率范圍，為了避免干擾，需要在單脈沖彈頻段超寬帶系統發射端增加濾波器來避免對傳統無線系統的影響。總之，在今后的發展中改進不足，推進其得以廣泛應用。

圖1　DS-UWB多址接收機結構

圖2　幀周期以及對應PPM調制的時隙示意圖

參考文獻：

［1］方旭明.短距離無線與移動通信網絡［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［2］王金龍.無線超寬帶（UWB）通信原理與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］鄒衛霞，周正，張春青.UWB的調制與多址技術［J］.濟南大學學報，2004，18（4）：319-321.

［4］劉丹譜.超寬帶無線通信技術［J］.中興通信技術，2005，10（3）：16-19.

［5］謝遠生.信積極推動我國無線電技術應用發展［J］.2005 （11）：6-7.

中圖分類號：TN925

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）01-0060-03

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：郭天賜（1995-），男，本科在讀，研究方向：通信工程。

Uwb Wireless Communication Technology Research

Guo Tianci
（Eurasia International College,Henan University，Kaifeng Henan 475001）

Abstract:This paper briefly introduced the development background of the UWB(ultra wideband)wireless communi?cation technology,and discussed the technology used for some technical UWB waveform and modulation technology, solving the key technology,UWB multiple access technology,and the principle of data transmission,waveform,and routes of the channel and accept.

Keywords:UWB；wireless personal area network；multiple access technology；pulse modulation