超宽带技术的应用与发展

超宽带技术的应用与发展一、引言随着计算机通信技术的不断发展，无线传输技术得到了广泛的应用，而超带宽（UWB）技术作为一种新型短距离高速无线通信技术正占据主导地位，超带宽技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于1.5GHz的无线发射方案，超带宽技术在2002年以前主要应用于雷达和遥感等军事领域，UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术具有以下优势：易于与现有的窄带系统（如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等）公用频段，大大提高了频谱利用率。易于实现多用户的短距离高速数据通信；目前，UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用正在不断发展。二超宽带技术的特点应用1、超宽带技术解决了困扰无线技术多年的有关传播方面的问题，如发射信号功率谱密度低、低截获大问题，具有对信道衰落不敏感的问题，又具有能力、系统复杂程度低、能提供厘米级的定位精度等优点；它在无线局域网、城域网和个人局域网的应用中，可提供低功耗、超带宽及相对简捷的通信技术，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，可实现ＰＣ与移动设备、消费电子等信息终端的小范围智能化互联，从而组建个人化的办公或家用信息化网络。超带宽（ＵＷＢ）无线通信技术以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特点成为最具有竞争力的ＷＰＡＮ实现技术，并已成功应用于多个方面。２、超宽带技术特点（１）体积小、成本低、系统结构实现简单、ＵＷＢ不使用载波，直接发射脉冲序列，不需要传统收发器所需要的上、下变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此ＵＷＢ设备集成更为简化。脉冲发射机和接收机前端可集成在一个芯片上，再加上时间基和一个微控制器，就可构成一部超宽带通信设备。（２）传输速率高数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。为确保提供高质量的多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低于５０Ｍｂｉｔ／ｓ。在用商品中，一般要求ＵＷＢ信号的传输范围为１０ｍ以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达５００Ｍｂｉｔ／ｓ，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。ＵＷＢ以非常宽的频率来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。（３）空间容量大ＵＷＢ无线通信技术的单位区域内通信容量可超过每平方米１０００Ｋｂｐｓ，而ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ仅为每平方米１Ｋｂｐｓ，蓝牙技术为每平方米３０Ｋｂｐｓ，ＩＥＥＥ８０２．１１ａ也只有每平方米８３Ｋｂｐｓ，可见，现有的无线技术标准的空间容量都远低于ＵＷＢ技术。随着技术的不断完善，ＵＷＢ系统的通信速率、传输距离及空间容量还将不断提高。（４）低功耗ＵＷＢ使用简单的传输方式，即使用间歇的脉冲来收发数据，脉冲持续时间很短，仅为０．２ｎｓ￣１．５ｎｓ，因此ＵＷＢ系统的功耗很低，仅为１ｍＷ￣４ｍＷ，民用的ＵＷＢ设备功率一般是传统移动电话或者无线局域网所需功率的１／１０￣１／１００左右，大大延长了电源的供电时间。ＵＷＢ设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。（５）多径分辨能力强由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号，或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超带宽无线电发射的是持续时间极短的单脉冲且占空比较低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达１０￣３０ｄＢ的多径环境，对超带宽无线电信号的衰落最多不到５ｄＢ。（６）穿透能力强由于超带宽无线电的带宽很宽，因此具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像等。（７）定位精确冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超带宽无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超带宽无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而ＧＰＳ定位系统只能工作在ＧＰＳ定位卫星的可视范围之内；与ＧＰＳ提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，期定位精度可达厘米级，此外，超带宽无线电定位器更为便宜。（８）安全性高、隐蔽性好、与有线通信相比，超带宽无线电的射频带宽可达到１ＧＨｚ以上，且所需平均功率小，信号的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，并且多数情况下，ＵＷＢ信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。信号被隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检测到。三、超宽带技术的原理1、UWB的关键技术1.1脉冲成形技术任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息，对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为：s（t）＝ΣIng（t－T）其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g（t）为时域成形波形，通信系统的工作频段，信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g（t）的设计。对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500mHz，且信号能量集中于3.1－10.6GHz频段，脉冲成形技术中最具代表性的无载波脉冲是高斯单周脉冲，他的带带宽已经大于2GHz，高斯单周脉冲是高斯脉冲的各阶导数，各阶脉冲波形可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降，早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲、信号频率成分从直流延续到2GHz，按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。1.2调制技术调制方式是指信号以何种方式承载信息，他不但决定着通信系统的有效性和可靠性，是也影响信号的频谱结构、接收机复杂度，在UWB系统中常用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制，基于OFDM的正交多载波调制。其中基于超带宽脉冲的调制常用的有脉位调制和脉副调制。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。脉副调制（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）。OOK可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而BPSK采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。正交多载波调制（OFDM）是一种高效的数据传输方式，其基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅度降低，符号持续时间大大加长，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响，通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完成消除符号间干扰，OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混迭的子载波上分离出数据信息，由于OFDM允许子载波频谱混迭起，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。1.3接收技术尽管UWB信道的时延扩展很大，但是在信号占空比很低的情况下，前后两个接收波形之间的干扰可以忽略不计，因此早期的UWB接收机结构很简单，只是一个等效于匹配滤波的相关器而已。同时为了降低微器件模拟变换器的（ADC）变换速率的要求，相关器是用线性相乘和积分等模拟过程实现的，但是当对传输速率的要求达到了上百兆比特每秒后，不理想的信道特性对接收信号的影响变得严重起来，接收信号幅度上的衰落需要通过RAKE接收机收集足够非常的多径分量来克服，另一方面，信号的占空比不足以避免前后波形之间的重叠现象，如何解决符号间干扰（ISI）问题也必须在系统设计中加以考虑，一种比较理想的解决方案影响是RAKE＋均衡，通过RAKE接收捕捉各条径的能量以抵抗衰落，同时利用均衡来消除符号间干扰。目前对接收机在多径和各种干扰环境下的性能分析通常基于RAKE接收机，在具体实现上，有几种路径选取方法可以用，例如选择信号最强的L条路径或是最先到达的L条路径。合并策略也可采用最大比合并或等增益合并，前者的性能更好，只是实现难度较大，从仿真结果来看，就UWB信道特性而言，选择4－6条路径进行合并已可获得接近最佳的性能，同步也是接收机中值得关注的一个问题，在高速应用中，快速同步的实现尤为关键，如果采用最大比合并方式，接收机还需要进行信道估计[2]。2UWB无线传输系统的基本模型UWB系统的基本模型主要由发射部分、无线信道和接收部分构成，与传统的无线发射、接收机结构相比，UWB的发射、接收机结构相对简单，易于实现，如传统蓝牙系统是一种低功耗的无线传输技术，它的集成电路是经典的超外差电路，发射机部分包括压控振荡器、锁相环同步器、参考振荡器，接收机部分包括低噪声放大器、混频器、放大器等；而UWB的发射、接收机的结构不同，因为脉冲产生器只需产生大约100mV的电压就能满足发射要求，因而发射端不需要功率放大器，在接收端，天线收集的信号先通过低噪声放大器，再通过一个匹配滤波器或相关接收机恢复出期望信号[3]，由于UWB信号的发射未经载波调制，UWB的接收端不再需要参考振荡器、锁相环同步器、压控振荡器及混频器等。UWB的发射、接收机结构比蓝牙更简单，UWB的发射机可灵活地调整发射距离，当发射距离增大时，UWB可以用多个脉冲传一个信号以增加接收端的信噪比，由于UWB的发射功率与脉冲重复频率成正比，因此可以通过软件对数据率、功耗、发射范围进行管理，这种灵活性非常有利于功率受限的便携式终端的设计。三、超宽带技术在无线多媒体局域网中的应用UWB无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信（速率在100Mb/s以上）时，传输距离较近，一般在10－20m左右，进行较低速率无线通信和定位时，传输距离可更远，UWB技术采用无载波脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信、成像或定位，与全球定位系统（GPS）相比，UWB技术的定位精确度更高，可以达到10－20cm的精度，正是凭借短距离传输范围内的高传输速率及高精确度这一巨大优势，UWB进入民用市场之初就将其应用定位在了无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）上，这样一种小范围内进行高速通信，可以使人们摆脱线缆的束缚，使各种设备以高速无线进行连接。根据超带宽无线传输的特性，UWB技术可以应用于无线多媒体家域网、局域网，雷达定位和成像系统，智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。四、超宽带技术在城域网的应用1宽带城域网简介1.1宽带城域网的概念宽带城域网是根据业务发展和竞争的需要而建设的城市范围内的宽带多媒体通信网络，是宽带骨于网络在城市范围内的延伸，并作为本地的公共信息服务平台组成部分，负责承载各种多媒体业务，为用户提供多种接入方式，满足各类用户对各种多媒体业务的需求。因此，宽带城域网必须是可管理和可扩展的运营网络。现在有三种网络正在运营：电信交换网、计算机网和有线电视网。将来