超宽带无线通信技术概述

引言

　　超宽带(UWB|0">UWB)的出现与下列名词相联系，即脉冲、无载波、基带、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号，在此，以UWB来统一表示。上世纪60年代已经出现了有关UWB的发射机和接收机的设计技术，同时UWB在通信和雷达中也得到了应用。此后，UWB技术不断得到发展，到70年代，有关UWB在通信和雷达应用中的全部体系概念都已经建立起来，但对UWB这个名称的真正引入还是在上世纪80年代。后来，到了90年代，因设备制造技术的进步，出现了第一个UWB商用系统，目前所做的工作都是对这一系统的具体实现，使得UWB的基本构成和具体细节及实现方法等都取得了一定的进展，进一步促进了UWB的实用化进程。

　　用于军事雷达和灾害救援搜索等方面的UWB无线系统在国外早已得到实用，如今，由于UWB无线通信所具有的独特的性能和近年来微电子技术及器件水平的不断提高，UWB在低费用的中短距离无线通信应用中越来越具有吸引力，尤其是满足日益增长的有线上网是研究短距离无线技术的一大驱动力。UWB技术是一种低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不

　　敏感，截获能力(LPI/D)低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。目前国外公司正在进一步研究将UWB技术应用于高速无线通信领域的潜在优势和所要解决的问题。本文首先介绍UWB中的主要技术，最后归纳了它的性能特点及其局限性。

　　2 UWB系统的关键技术

　　UWB的名称来源于可在非常宽的带宽，即超宽带的带宽上传输信号。所谓超宽带的带宽，按美国联邦通信委员会(FCC)的定义，即是：比中心频率高25%或者是大于1.5 GHz的带宽。举个例子来说，对于一个中心频率在4 GHz的信号将跨越从3.5 GHz(或更低)至4.5GHz(或更高)的范围才能称得上是一个UWB信号，如图1所示。UWB无线系统的关键技术主要包括：产生脉冲信号串(发送源)的方法，脉冲串的调制方法，适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。

　　2.1 UWB脉冲信号的产生

　　从本质上讲，产生极短脉冲宽度(ns级)的信号源是研究UWB技术基本的前提条件，例如单个无载波窄脉冲信号，有两个突出的特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短脉冲;二是激励信号包括很宽的频谱，从直流(DC)到微波波段。目前产生脉冲源的方法有两类：

　　(1)光电方法，基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿，所以得到的脉冲宽度可达到ps(10-12)量级。另外，由于光导开关是采用集成方法制成的，可以获得很好的一致性，因此是最有发展前景的一种方法。

　　(2)电子方法，基本原理是对半导体PN结反向加电，使其达到雪崩状态，并在导通的瞬间，取陡峭的上升沿作为脉冲信号。这种方案目前应用得最广泛，缺点是：由于采用电脉冲信号作为触发，其前沿较宽，触发精度受到限制，特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合，达不到控制的精度。另外，由于受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，当然，脉冲宽度还可以达1 ns以下。典型的UWB脉冲信号时域波形和频域波形如图2所示。

　　从图2可见，冲激脉冲通常采用高斯单周期脉冲，宽度在ns级，具有很宽的频谱。实际通信中使用的是一长串的脉冲，由于时域中的信号有重复周期性，将会造成频谱离散化，对传统无线电设备和信号产生干扰，需要通过适当的信号调整来降低这种干扰的影响。

　　2.1 信息的调制

　　脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是超宽带无线电的两种主要调制方式。PPM又称时间调制(TM)，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某一标准或特定的时刻来表示某个特定信息的，因此对调制信号需要在接收端用匹配滤波的技术来正确接收，即对调制信息用交叉相关器在达到零相差的时候进行检测，否则，达不到正确接收的目的。而PAM是用信息符号控制脉冲幅度的一种调制方式。

　　在UWB系统中，采用跳时脉冲位置调制(TMPAM)对长脉冲序列进行调制时，每一用户的下一块信息将在时间上随机分布，可在频域内得到更为平坦的RF信号功率分布，这使得UWB信号在频域中类似于背景噪声。UWB系统中一种典型的由伪随机序列控制的跳时信号如图3所示。

发射机在由伪随机序列确定的时间帧上发送一个单周期脉冲，通常单周期脉冲信号的100倍为随机出现的脉冲持续时间，其位置由PN码来确定。伪随机序列控制的跳时扩频与一般的扩频波形(直接序列扩频或跳频扩频)不同，UWB波形的扩频带宽是直接产生的，即单个比特未经扩频序列由PN码