UWB短距离无线通信方式的介绍

　　UWB(Ultra WideBand)是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1 GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。FCC规定，UWB的工作频段范围从3.1 GHz到10.6 GHz，最小工作频宽为500MHz。超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面。一个是传输带宽，另一个是采用不采用载波方式。

　　从传输带宽看，按照美国联邦通信委员会FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25%的为超宽带。超宽带传输技术直接使用基带传输。其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数10亿个脉冲。然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB相对于传统的无线电波而言，相当于噪声，对传统的无线电波影响相当小。UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。

　　一、UWB的实现

　　UWB系统结构实现比较简单，UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，不需要中频处理。高速数据传输时，民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10 m以内，其传输速率可达到5 00 Mbit/s以上。UWB系统使用间隙的脉冲来发送数据，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低。在高速通信时，系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话功率的1/100左右，是蓝牙设备功率的1/20左右。安全性方面，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中难以检测出脉冲信号。UWB比其它无线技术要简单得多，只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，可实现全数字化，大大降低了设备的成本。UWB还具有多径分辨能力强、定位精确等特点。图1，示出超宽带无线通信系统的基本结构[4]。　　

图1　超宽带无线通信系统基本结构

　　二、UWB脉冲调制技术介绍

　　目前，用于UWB的满足特定频谱要求的脉冲波形，根据频谱特性可分成基带脉冲和特殊脉冲两类。经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。包含从低频到 GHz频率的连续带宽。常见的如矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲和瑞利单脉冲等。但矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，只适用于学术研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用极短的高斯函数的各阶导数作为发射脉冲，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的频带范围很宽，可达到几GHz。设H、L和C分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率，B为相对带宽，MB为绝对带宽，则在B为-10dB点处应有[1]：　　

(1)

或MB>500 MHz在信号调制时，可以采用单个脉冲传递不同的信息，即单脉冲调制;也可以用多个脉冲传递相同的信息，即多脉冲调制[1]。在实际中，为了降低单个脉冲的幅度，提高系统的抗干扰性，超宽带脉冲无线通信系统往往用多脉冲调制。在多脉冲调制中，传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲。因此，多脉冲调制的过程可以分成两步：第一步是进行每组脉冲内对单个脉冲的调制。通常采用脉冲相位调制(PPM)或二相调制(BPM)。PPM称为跳时扩谱(Spread Spectrum)(THSS)，每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置。BPM称为直接序列(Direct Sequence)扩谱(SpreadSpectrum)(DSSS)，其每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性[1]。第二步为每组脉冲作为整体被调制，通常采用脉冲幅度调制(PAM)、脉冲相位调制(PPM)或二相调制(BPM)。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM同时改变每组脉冲的幅度，PPM同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变每组脉冲的极性。将第一步和第二步组合起来可形成多种调制技术：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。综合考虑可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的组合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的区别是采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS.BPM的性能要优于TH SS PPM。而对TH BPM和DS-BPM而言，在速率低时，由于THSS对远近效应的敏感程度没有DSSS那么高，所 以，此时应选择TH.BPM;而在速率高时则优先考虑 DS.BPM。在