1.2 超寬帶通信基本概念及實現(xiàn)方式

1.2.1 超寬帶通信基本概念

超寬帶通信指的是帶寬比非常高的無線電通信。UWB的定義最早來自UWB雷達系統(tǒng)，主要以發(fā)射極短的脈沖波形為基礎(chǔ)，其核心是沖激無線電技術(shù)。2002年，F(xiàn)CC頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，指出超寬帶無線通信可使用的頻率范圍為3.1～10.6GHz，并規(guī)定在?10\B處的絕對帶寬大于500MHz或相對帶寬大于20%的信號為UWB信號。由此定義可知，超寬帶是從頻譜帶寬的角度進行定義的，有絕對帶寬和相對帶寬兩個指標(biāo)。為了更好地理解這一概念，下面將進行簡要說明。

絕對帶寬是指上下限頻率fH和fL之間的差值fH?fL，為能量帶寬。當(dāng)fH和fL分別為信號功率比最大功率下降10\ B時所對應(yīng)的上頻率邊界和下頻率邊界時，UWB帶寬定義為相對于最高輻射衰減10\ B后確定的頻率范圍，稱為10\ B帶寬。UWB帶寬定義如圖1-2所示。

相對帶寬是指能量帶寬與上、下限頻率的均值之比。相對帶寬可表

示為

其中，B為絕對帶寬，fc為中心頻率。

香農(nóng)信道容量公式為

其中，P為信號功率，N0為高斯白噪聲功率。

由式（1-2）可知，可以通過增加信號功率P或增加帶寬來增大通信信道容量。綜上可知，由于超寬帶技術(shù)對于信號功率P有著嚴格的限制，因此只能通過增加帶寬來獲得高傳輸速率。

特別說明的是，F(xiàn)CC規(guī)定了UWB系統(tǒng)在非授權(quán)頻段（3.1～10.6GHz）的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍，這是基于與現(xiàn)有通信系統(tǒng)頻譜共享的思想，以提高頻譜利用率緩解頻譜資源緊張的問題。為了使UWB系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間不產(chǎn)生干擾，并盡量降低它們之間的互擾，UWB信號的有效各向同性發(fā)射功率（Effective Isotropy Radiated Power,EIRP）被嚴格地限制為不超過?41.3\Bm/MHz。室內(nèi)UWB的具體通信頻譜范圍和功率限制如圖1-3所示。

根據(jù)FCC規(guī)范制定的常見設(shè)備的功率極限值如表1-1所示。

根據(jù)我國工業(yè)和信息化部的規(guī)范，UWB發(fā)射信號的等效全向輻射功率譜密度限值和UWB無線電發(fā)射設(shè)備窄帶雜散輻射限值如表1-2和表1-3所示。

1.2.2 超寬帶通信實現(xiàn)方式

超寬帶是從頻譜帶寬的角度定義無線電信號的，沒有指明相應(yīng)的實現(xiàn)方式，因此有多種實現(xiàn)方式。迄今為止，超寬帶無線電通信按實現(xiàn)方式可分為脈沖超寬帶（Impulse Radio UWB,IR-UWB）和多頻帶超寬帶（Multi-Band UWB,MB-UWB）。早期的IR-UWB系統(tǒng)采用高斯單周脈沖等無載波脈沖作為載體，信息是調(diào)制在窄脈沖上進行傳遞的。在FCC規(guī)定了民用超寬帶系統(tǒng)功率輻射限制后，IR-UWB得到了進一步的發(fā)展，除了要對脈沖進行調(diào)制外，為了形成所產(chǎn)生信號的頻譜，還要使用偽隨機序列對數(shù)據(jù)進行編碼。FCC公布的UWB定義并沒有限制信號一定要用IR產(chǎn)生，因此其他非沖激脈沖方案也是可取的。為了提高頻譜利用率，系統(tǒng)可以采用多帶調(diào)制，這就提供了一個將傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)理論與UWB系統(tǒng)的優(yōu)勢相結(jié)合的機會。下面首先介紹脈沖調(diào)制方式。

（1）單脈沖調(diào)制

基本的數(shù)據(jù)信息調(diào)制方式有脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation,PPM）、脈沖幅度調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）、開關(guān)鍵控（On-Off Keying,OOK）、二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying,BPSK）、數(shù)字脈沖間隔調(diào)制（Digital Pulse Interval Modulation,DPIM）、脈沖階梯調(diào)制（Pulse Skipping Modulation,PSM）、多維雙正交鍵控（Multiple Biorthogonal Orthogonal Keying,M-BOK）等[32]。

PPM是一種改變脈沖時間的調(diào)制方式，這種方式在傳統(tǒng)連續(xù)波調(diào)制中是沒有的。以二進制PPM為例，當(dāng)調(diào)制信息為“0”時，脈沖位置不變，脈沖間隔是脈沖重復(fù)周期；當(dāng)調(diào)制信息為“1”時，脈沖出現(xiàn)一個遠小于脈沖重復(fù)周期的偏移。PPM信號波形如圖1-4所示，其中Tm為脈沖持續(xù)時間，Ts為脈沖重復(fù)周期。

PPM的優(yōu)點是信號的正交性很好，很適合多址和多進制調(diào)制。它的缺點是在AWGN信道下的誤碼率不能達到最優(yōu)，信號間的歐氏距離比較小。此外，PPM的符號間干擾（Inter Symbol Interference,ISI）比較嚴重，容易受到多徑效應(yīng)的干擾，為了減小ISI，數(shù)據(jù)傳輸速率受到限制。

PAM是一種把信息調(diào)制在脈沖幅度上的方式，脈沖的幅度隨調(diào)制信息的變化而變化，而脈沖位置保持不變，脈沖間隔仍是Ts。PA M信號波形如圖1-5所示。

PAM的優(yōu)點在于物理實現(xiàn)簡單，只需要一個匹配濾波器和一個脈沖發(fā)生器，同時可以方便地采用多進制調(diào)制，便于改變數(shù)據(jù)速率。在接收端，PAM可以使用非相干解調(diào)。但是PAM的缺點也很明顯，除了誤碼率性能不是最好之外，它不適于在室內(nèi)密集多徑傳輸環(huán)境中傳輸，因為超寬帶脈沖可能會受到信道衰落的影響。

OOK調(diào)制信號波形如圖1-6所示。OOK是PAM的一種特例，當(dāng)調(diào)制信息為“1”時，發(fā)射一個脈沖信號；當(dāng)調(diào)制信息為“0”時，不發(fā)送脈沖信號。這種調(diào)制方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，僅用一個射頻開關(guān)就可以實現(xiàn)，適用于低復(fù)雜度的超寬帶系統(tǒng)。但是當(dāng)信號中出現(xiàn)連續(xù)的“0”時，系統(tǒng)會在相對較長的時間內(nèi)不發(fā)射信號，接收端很容易丟失同步。

與傳統(tǒng)窄帶通信類似，超寬帶通信中也有二進制相移鍵控（BPSK），也稱為二進制極性調(diào)制（BPM），它同樣可以看成是PAM的一種特殊情況，當(dāng)調(diào)制信息為“1”時，發(fā)射一個正極性的脈沖信號；當(dāng)調(diào)制信息為“0”時，發(fā)射一個負極性的脈沖信號，調(diào)制信號波形如圖1-7所示。

接收端可以采用匹配濾波器進行接收，相比于OOK調(diào)制，BPSK調(diào)制以犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度為代價，在誤碼率性能上有3\B的改善。發(fā)射端需要產(chǎn)生正負兩個脈沖，如果兩個脈沖達不到一致，將影響匹配濾波器的解調(diào)效果，若由于兩個脈沖的不同步導(dǎo)致脈沖間隙的改變，將會對信號頻譜和接收端同步帶來不利的影響。

DPIM與PPM類似，都是通過改變脈沖的位置來傳輸信息的，不同的是PPM改變的是脈沖在一個周期內(nèi)的絕對位置，DPIM則通過改變相鄰脈沖間的間隔來調(diào)制信息，脈沖周期在DPIM中是隨數(shù)字信號變化的。DPIM的傳輸速率較高且同步相對簡單，只需要時隙同步，而不需要符號間同步。

PSM通過改變脈沖波形來傳輸信息，通常采用正交的不同脈沖來實現(xiàn)調(diào)制，所以PSM可以使用多進制調(diào)制方式。通過給不同用戶分配不同的脈沖波形可以實現(xiàn)多址通信，但是通信過程中脈沖波形的改變對PSM性能的影響很大，要求發(fā)射和接收電路具有良好的線性特性。在相同條件下，PSM的誤碼率與OOK調(diào)制相同。

M-BOK是一種正交調(diào)制方式，與PSM類似，但不同的是，它采用的是多個脈沖組成的正交脈沖串來調(diào)制數(shù)據(jù)，而不是單個脈沖。由于采用正交脈沖串編碼，M-BOK調(diào)制具有和編碼類似的增益。

（2）多脈沖調(diào)制

IR-UWB無線系統(tǒng)為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，同時擴展多用戶應(yīng)用，通常不再只對單個脈沖進行調(diào)制，而是采用多個脈沖傳遞相同的信息[33]。多脈沖調(diào)制過程分兩步進行。第一步將每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖進行調(diào)制，也稱為擴譜（Spread Spectrum,SS）。通常采用脈沖位置調(diào)制或脈沖極性調(diào)制，把采用脈沖位置調(diào)制的方式稱為跳時擴譜（Time Hopping Spraed Spectrum,TH-SS）；把采用脈沖極性調(diào)制的方式稱為直接序列擴譜（Direct Sequence Spread Spectrum,DS-SS）。第二步對每組脈沖進行整體調(diào)制，通?？梢圆捎肞AM、PPM或BPSK調(diào)制，也稱為信息調(diào)制。因此可以得到TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPSK和DS-SS BPSK等多脈沖調(diào)制技術(shù)。下面以TH-PPM UWB和DS-BPSK UWB為例介紹多脈沖調(diào)制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

TH-PPM UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-8所示。TH-PPM信號中所有脈沖都具有相同的極性，數(shù)據(jù)信息由脈沖的位置攜帶。在發(fā)射端，擴譜序列和信息序列共同決定調(diào)制符號的跳時輸出，經(jīng)脈沖發(fā)生器后進入多徑無線信道。假設(shè)接收端已經(jīng)同步，模板發(fā)生器在擴譜序列的控制下，產(chǎn)生本地匹配波形與接收信號經(jīng)相關(guān)器相關(guān)后，通過積分器和比較器恢復(fù)出解調(diào)數(shù)據(jù)。TH-PPM UWB系統(tǒng)通過擴譜碼來提供所需要的多址能力，不同用戶使用不同的擴譜碼，在時間上避免了不同用戶間的干擾，減小了多用戶接入時信號間的沖突。在UWB技術(shù)研究初期，多使用TH-PPM方式，隨著研究的深入，由于TH-PPM接收機對定時同步的要求非常高，目前工程應(yīng)用中多采用DS-BPSK調(diào)制方式。

DS-BPSK UWB系統(tǒng)通過擴譜序列來控制發(fā)射脈沖的極性，從而攜帶信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。與TH-PPM UWB系統(tǒng)直接引入擴譜序列不同，DS-BPSK UWB系統(tǒng)中擴譜序列是通過乘法器引入的。不同的用戶分配相互正交的擴譜碼序列，利用擴譜序列間的正交性來削弱不同用戶信號間的干擾，實現(xiàn)多址通信。

在直接序列超寬帶系統(tǒng)中，接收端的抗干擾能力取決于多址擴譜碼間互相關(guān)性的好壞，當(dāng)不同用戶信號到達接收端幅度相差較大時，碼元間的互相關(guān)性就會變得很差，抗干擾能力下降，因此DS系統(tǒng)對遠近效應(yīng)的敏感度高于TH系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，TH系統(tǒng)的抗遠近效應(yīng)的能力要優(yōu)于DS系統(tǒng)，隨著干擾用戶的增加，TH系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。但是隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，信號的占空比不斷增大，在這種情況下TH的優(yōu)勢已不再明顯。

（3）多頻帶調(diào)制

多頻帶OFDM UWB基于傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM），與前面提到的脈沖調(diào)制方式的原理不同，它是一種載波調(diào)制技術(shù)[34]。根據(jù)FCC公布的UWB定義，帶寬超過500MHz的信號都是UWB信號，因此，可以將超寬帶頻譜范圍（3.1～10.6GHz）劃分成若干個最小帶寬為500MHz的頻帶，通過多個正交的子載波信號累加成一個UWB信號。用戶的數(shù)據(jù)可以在相鄰時間區(qū)間內(nèi)的不同子帶上傳輸，從而使系統(tǒng)在不使用陷波濾波器的情況下，也可以避免特定頻帶上的非人為干擾。圖1-10為MB-OFDM信號結(jié)構(gòu)。與經(jīng)典OFDM系統(tǒng)不同的是，超寬帶OFDM方案對系統(tǒng)參數(shù)（如符號與循環(huán)前綴的長度、子載波間隔等）進行了較大改動，在保留了超寬帶信號的無載波調(diào)制特性的同時，也克服了由窄脈沖帶來的A/D轉(zhuǎn)換困難，降低了對同步器件的要求，在很大程度上提高了系統(tǒng)性能。

OFDM-UWB的標(biāo)準(zhǔn)化進程較慢，特別是在實現(xiàn)MAC層或更高層協(xié)議認證方面存在很大的難度，這是因為該方案的硬件復(fù)雜度較高且需要處理大量的額外數(shù)據(jù)，例如在發(fā)射端頻率需要進行快速的轉(zhuǎn)換等。本書主要的研究對象為IR-UWB，以后章節(jié)不再涉及對MB-OFDM技術(shù)的討論。