TM-UWB技术及其在无线通信中的应用

传统的通信系统一般都是定频通信系统,要传送的信息使用固定的带宽,信号被调制到固定的频带上,然后在信道(无线或有线) 中传送。在此信道中其他任何信号都将是对有用信号的干扰,所以具有这种特性的通信系统被称为是一种独占信道的定频通信系统。与此不同的是,超超宽带(Ultra Wideband ,UWB)无线通信系统或称瞬间脉冲无线电系统发射的无线信号并不专门占据固定带宽,而是跨越很宽的无线频谱(一般在1～10GHz 之间) ,且功率很低,与背景“噪声”差不多,因而不会对工作于同一频率的其他无线信号造成干扰。 

　　UWB 通信系统有许多优异的性能特点,即信号的功率谱密度极低,UWB 系统发射的功耗比传统的无线电技术所需功耗要低得多,可以用平均不足1mW的功率覆盖数英里范围内,甚至用低增益天线时也能正常工作。特别可贵的是对其它无线系统具有低干扰特性和自身具有的强抗多径干扰能力;实现起来比建造普通的扩频系统简单,成本低。正是由于上述特点,使得UWB 通信技术在个人通信、楼内通信、高速局域网、无绳电话、保安系统、近距离高精度定位等方面得到了广泛应用。

　　TM-UWB 技术及其特性

　　TM-UWB 信号

　　在一般通信系统中, “宽带信号”是指具有大的调制带宽和高的数据传输率信号。而超宽带信号是指发射信号的分数带宽(Fractional Bandwidths , FBW) (指信号带宽B 与中心频率f c 之比,即B/ f c) 大于0. 25 或25 %,它通常是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制,从而获得具有千兆赫兹(GHz) 量级带宽的调制信号,因而又称为“基带信号”或“无载波信号”。它的带宽很宽,频谱常从直流延伸到GHz 量级。该信号具有高分辨率、高处理增益、低窃获、信息含量大和能探测隐蔽目标等优点,因而得到广泛应用。

　　TM-UWB 通信系统是一种崭新的通信系统,它能在传输媒介中以低功率、类似噪声的信号传输数据、话音甚至图像。由于采用TM-UWB 技术发射的无线信号跨越很宽的无线频谱,而功率谱密度又很低,与背景“噪声”差不多,因而不会对工作于同一频段的其它无线设备造成干扰。

　　传输波形的选取

　　一般而言,应用TM-UWB 技术的通信系统发射的不是正弦波信号,而是脉冲间隔严格受控的高斯单周超短时脉冲,一般工作脉宽为0. 2～1. 5ns ,重复周期为25～1 000ns。超短时单周脉冲决定了信号的带宽很宽,这种系统常采用时间(脉冲位置) 调制来携带信息和进行信道编码。TM-UWB 通信系统接收机直接将收到的射频信号转换成基带数字或模拟输出信号,只用一级前端交叉相关器即可把电磁脉冲序列转换为基带信号,不用传统通信设备中的中频级,大大地降低了通信系统设备的复杂性。一个比特信息通常被扩展到多个单周超短时脉冲,接收机相关地综合适当的脉冲数目来恢复被发送的信息。

　　高斯单周超短时脉冲

　　在TM-UWB 射频技术中最基本和最重要的任务就是首先要获得实际应用中可实现的高斯单周脉冲。图1 显示了一个典型高斯单周超短时脉冲(中心频率为2GHz)的时域波形和频域特性曲线。

　　 高斯单周脉冲的时域和频域数学模型可分别表示为

　　 式中,A 为脉冲峰值幅度,τ是一个时间延迟长度,此处等于脉冲持续时间, t 为时间, f 为频率,由此可推出中心频率f 0 = 1/τ,半功率带宽Wb = f 0 ×116 %这样可得到脉冲宽度为0. 5ns 的高斯单周脉冲,其中心频率为2GHz ,半功率带宽约为2GHz。

　　单周脉冲序列

　　TM-UWB 系统在实际通信中使用的是单周脉冲的长序列,而不是单个单周脉冲。数据调制和信道编码等都是通过改变脉冲序列的时间间隔来实现的。图2 显示了单周脉冲串的时域和频域特性。由于时域信号规则的重复周期性引起频谱的离散化,从而出现了强烈的能量尖峰,这些尖峰将会对传统的无线通信设备和信号造成干扰,这是不期望出现的。

　　 由于十分规则的时域脉冲序列将不会携带任何有用的信息,同时改变时域脉冲序列的规则周期性还可降低频谱中出现的能量尖峰,因此在信息调制和信道编码中常常采用时间调制(TM)技术或称为脉冲位置调制(Pulse Position Modulation ,PPM)技术。

　　TM-UWB 信号处理

　　信息调制

　　为了传输信息,在TM-UWB 通信系统中,常采用脉冲位置调制PPM技术(每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间来表示一个特定的信息,即超前表示信息“0”,落后表示信息“1”) 来调制单周脉冲序列串,这将有利于最优匹配技术的使用。TM-UWB 通信系统接收机使用交叉相关器(Correlator)便很容易将淹没在噪声中的信号检测出来。图 3显示了PPM示意图。