超宽带(UWB)无线通信技术详解

技术包括：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址、波分多址等。系统设计中，可以对调制方式与多址方式进行合理的组合。

4.1UWB调制技术

(1)脉位调制

脉位调制(PPM)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制PPM(MPPM)。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在OPPM中，通常以脉冲宽度为间隔确定脉位。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统的复杂度和功率限制，实际应用中，常用的调制方式为2PPM或2OPPM。

PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。

(2)脉幅调制

脉幅调制(PAM)是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM(MPAM)。UWB系统常用的PAM有两种方式：开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。

与2PPM相比，在辐射功率相同的前提下，BPSK可以获得更高的传输可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。

(3)波形调制

波形调制(PWSK)是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。在这种调制方式中，采用M个相互正交的等能量脉冲波形携带数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据符号对应。在接收端，利用M个并行的相关器进行信号接收，利用最大似然检测完成数据恢复。由于各种脉冲能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率。在脉冲宽度相同的情况下，可以达到比MPPM更高的符号传输速率。在符号速率相同的情况下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于这种调制方式需要较多的成形滤波器和相关器，其实现复杂度较高。因此，在实际系统中较少使用，目前仅限于理论研究。

(4)正交多载波调制

传统意义上的UWB系统均采用窄脉冲携带信息。FCC对UWB的新定义拓广了UWB的技术手段。原理上讲，-10dB带宽大于500MHz的任何信号形式均可称作UWB。在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调采用快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换(FFT/IFFT)实现。由于具有频谱利用率高、抗多径能力强、便于DSP实现等优点，OFDM技术已经广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、WLAN等无线网络中，且被作为B3G/4G蜂窝网的主流技术。

4.2UWB多址技术

(1)跳时多址

跳时多址(THMA)是最早应用于UWB通信系统的多址技术，它可以方便地与PPM调制、BPSK调制相结合形成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控系统方案。这种多址技术利用了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期(Tf，又称帧周期)划分成Nh个持续时间为Tc的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在Nh个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采用PPM调制或BPSK调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。

由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了多用户干扰。将跳时技术与PPM结合可以有效地抑制PPM信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然产生多用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题。

(2)直扩-码分多址

直扩-码分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这种多址方式同样可以应用于UWB系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即使用户信号间发生冲突，解扩后互干扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系统中需要进行功率控制。在UWB系统中，DS-CDMA通常与BPSK结合。

(3)跳频多址

跳频多址(FHMA)是结合多个频分子信道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的随机跳频码控制射频频率合成器，以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传