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UWB短距离无线通信方式的介绍

时间:08-29 来源:icbuy亿芯网 点击:

  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]。  

超宽带无线通信系统基本结构

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

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