超寬帶通信技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：超寬帶UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脈沖通信(Impulse Radio)技術(shù)與其它通信技術(shù)有很大不同，它具有信號功率譜密度低、不易檢測、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信。介紹了UWB系統(tǒng)的信號表示形式，分析了其特點，并介紹了超寬帶通信當(dāng)前的研究及應(yīng)用情況。

UWB技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。

1 超寬帶信號及其特點

美聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定：

部分帶寬號稱為UWB信號。其中，部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。圖1為UWB信號與窄寬信號功率譜密度的比較；UWB信號格式如圖2所示。

一種典型的脈位調(diào)制(PPM)方式的UWB信號形式[1],[2]為：

Str(k)(t)表示第k個用戶的發(fā)射信號，它是大量的具有不同時移的單周期脈沖之和。w(t)表示傳輸?shù)膯沃芷诿}沖波形，可以為單周期高斯脈沖或其一階、二階微分脈沖，從該發(fā)射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈沖的起始時間為。仔細(xì)分析每個時移分量：

（1）相同時移的脈沖序列：形式的脈沖表示時間步長為Tf的單周期脈沖，其占空比極低，幀長或脈沖重復(fù)時間Tf(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類似于ALOHA系統(tǒng)，這樣的脈沖序列極容易導(dǎo)致隨機碰撞。

(2)偽隨機跳時：為減少多址接人時的沖突，給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列，稱之為跳時碼，其周期為Np。跳時碼的每個碼元都是整數(shù)，且滿足。這樣跳時碼給每個脈沖附加了時移，第j個單周期脈沖的附加時移為秒。

由于讀出單周期脈沖相關(guān)器的輸出要占用一定的時間，NhTc/Tf應(yīng)嚴(yán)格小于1。然而如果NhTc太小，那么多個用戶接入時發(fā)生沖突的概率仍然會很大。相反，如果NhTc足夠大且跳時碼設(shè)計合理，就可以將多用戶干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信號。

由于跳時碼是周期為Np的周期序列，那也為Np周期序列，其周期為Tp=NpTf。跳時碼的另外一個作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。

(3)數(shù)據(jù)調(diào)制：第k個用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)序列｛di(k)｝為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。每個碼元傳輸Ns個單周期脈沖，這樣增加了信號的處理增益。

在這種調(diào)制方式下，一個符號(或碼元)的持續(xù)時間為Ts=NsTf。對于固定的脈沖重復(fù)時間Tf，二進(jìn)制的符號速率Rs，為：

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