[通信工程电子信息工程信息工程论文]uwb技术研究及仿真实现

[通信工程电子信息工程信息工程论文]uwb技术研究及仿真实现内容摘要：

可见， UWB 信号的带宽不同于通常所定义的 3dB 带宽。 根据香农信道容量 11 公式 : 2 0PB log BNC= （ 1+ ） (式中 B 为信道带宽， 0N 为高斯白噪声功率谱密度，P 为信号功率 )。 可得，增大通信信道容量有两种实现方法：一是通过增加信号功率 P，二是增加传输带宽。 UWB 技术就是通过后者来获得非常高的传输速率。 UWB 的技术特点 [1] 发射功率低 UWB 无线通信系统发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲持续时间很短，脉宽通常在 ~ 之间，射频带宽可达 1 GHz 以上，且所需平均功率很低，信号功率谱密度低，信号隐蔽在环境噪声 和其它信号中，难以被检测到。 [2] 多径分辨能力强 UWB 无线通信系统发射的是持续时间极短的单周期脉冲，其时间、空间的分辨率都很强，因此系统的多径分辨率极高。 且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的，所以接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力。 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。 [3] 传输速率高 对于现代高质量的多媒体业务，高速率传输技术是必不可少的基础。 从信号传播的角度考虑，超宽带无线通信由于能有效的减小多径传播的影响而使其可以传输高速率数据，发送上吉赫兹的 超宽频带，可以实现高达 100500Mbit/s。 [4] 空间容量大 空间容量定义为单位区域上传输的数据速率，单位是比特 /秒 /平方米。 该项指标越高，则单位区域提供的数据比特率越大，单位面积的传输效率越高。 这个指标特别适合于评价拥挤空间的无线通信系统，而 UWB 系统在这方面具有很强的潜力。 根据 Intel研究报告， b 的空间容量大约为 1 K 2bit/s/m ，蓝牙的空间容量为 30K 2bit/s/m。 a 的空间容量大约为 83K 2bit/s/m ，而UWB 的空间容量大约为 1000K 2bit/s/m。 [5] 定位精确、穿透能力强 12 冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合二为一，而常规无线电难以做到这一点。 另外， UWB 无线通信系统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 UWB 系统，UWB 技术还能实现隔墙成像。 信 号定位精度且具有很强的穿透能力，可探测地雷等地下物体、墙壁后方空间的物体，所以在透视成像雷达、人体医学成像、穿地探测雷达等方面也得到了越来越多的应用。 [6] 便于多功能一体化 冲激无线电具有很高的定位精度。 采用 UWB 无线电通信，很容易将定位和通信合一。 UWB 无线电具有极强穿透能力，可在室内和地下精确定位；与 GPS的绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可给出相对位置，定位精度达厘米级。 而且 UWB 无线电定位器更便宜。 [7] 低功耗 UWB 系统使用持续时间很短的脉冲来发送数据，脉冲持续时间远小于脉冲重复周期，平均 发射功率很低，在高速通信时耗电量仅为几百 uW~几十 mW，使 UWB技术在实现超宽带信号时域波形传输数据率的同时也有着低功耗的显著优点。 超宽带技术在实现同样传输速率时，功率消耗一般是传统移动电话功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备功率的 1/ 20 左右。 因此， UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上有很大优越性，可大大延长系统电源工作时间，满足移动通信设备要求，并且低辐射功率可以减少电磁波对人体的辐射。 [8] 系统结构简单、成本低 UWB 无线通信系统通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号，不需要常规系统所需的变频器、频率合成器 、滤波器等模拟器件，同时在接收端不需要过滤器、RF/IF 转换器及本地振荡器等复杂元件。 UWB 系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的，其射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单，容易实现全数字化的结构。 它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。 [9]保密性好 由于 UWB信号的功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中， 13 具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等非常突出的优点，能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。 [10] 干扰与抗干扰（共存性） UWB 系统可与同一频谱其它窄带系统共存。 UWB 设备主要工作在~ 在这个频段内， UWB 系统发射的功率谱密度可以非常低， FCC对其发射功率限制在。 在此频段以外，实行更严格的功率控制标准。 所以， UWB 无线通信系统与其它窄带无线通信系统可以共存。 为此，世界各地负责频谱资源管理的机构对 UWB 发射功率进行了限制，图 显示了世界各地的相关机构对 UWB 系统的有效全向发射功率 (EIRP)限制。 因此， UWB 被称作是短距离无线通信技术的一张王牌，其应用十分广泛，该技 术有望很快实用化，并在短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关领域得到普及。 伴随着 UWB 对民用无线通信领域的开放，美国等发达国家的半导体厂商和设备制造商都在加紧研究开发实用系统。 英特尔、TI、摩托罗拉和索尼等一些大公司将在近期进入超宽带技术无线数据通信市场。 14 此外，美国的 Time Domain, Multispectral Solutions 以及美国 Xtreme Spectrum 等公司也在进行 UWB 无线设备的开发和生产。 UWB 必将成为无线通信领域的关键之一。 UWB 的广泛应用 早在 1965 年，美国就确立了 UWB 的技术基础。 在后来的二十几年内， UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。 目前，美国国防部正开发几十种 UWB 系统，包括战场防窃听网络等。 由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，它具有的优越性日益受到重视。 在此情况下，为探索超宽带技术在民用领域应用的可行性，2020 年 4 月， FCC 公布了超宽带设备在三类民用领域应用的初步规范，规定了工作频段、功率限制、开放范围和使用对象。 限定的三类民用超宽带设备为：一是成像系统，包括 透地探测雷达 (GPRS)，墙内、穿墙和医用成像以及监视设备；二是车辆雷达系统；三是通信和测量系统。 凭借着短距离传输范围内的高传输速率这一巨大优势， UWB 进军民用市场之初就将其应用定位在无线局域网 (WLAN)和无线个域网 (WPAN)上。 现有的各种无线解决方案 (例如 3G、 、蓝牙等 )的速率都低于 100Mbit/s。 UWB 则在 10m左右的范围内打破了这一限制。 这种小范围内的通信，特别是高速通信，通常是用有线连接来完成的，而 UWB 的应用将使得人们可以摆脱更多线缆的牵绊，通信变得更为方便。 经过这几年的 发展，超宽带技术在下列应用领域中己经显现出或者估计会有很大的发展潜力： [1] 短距离 (10 米以内 )高速无线多媒体智能家域网 /个域网 在家庭和办公室中，各种计算机、外设和数字多媒体设备根据需要，利用UWB 无线技术，在小范围内动态 (即需即用 )地组成分布式自组织 (Ad Hoc)网络，协同工作，相互连接，传送高速多媒体数据，并可通过宽带网关，接入高速互联网或其他宽带网络。 这一领域将融合计算机、通信和消费娱乐业，被视为具有超过移动电话的最大市场发展潜力。 15 [2] 智能交通系统 UWB 系统同时具有无线通信和定位的功能 ，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。 [3] 军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域 UWB 系统用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。 [4] 传感器网络和智能环境 这种环境包括生活环境、生产环境、办公环境等，主要用于对各种对象 (人和物 )进行检测、识别、控制和通信。 UWB 的实现方案 UWB 无线通 信的实现方案主要有无载波脉冲方案和载波调制方案。 而载波调制方案又分为两种：单载波 DSUWB 方案和多载 MBUWB 方案。 如图 所示为 UWB 的实现方案的分类。 本节将分别介绍这三种方案的基本原理。 图 UWB 的实现方案分类 本节将分别介绍这三种方案的基本原理。 无载波 IRUWB 方案 无载波脉冲方案为 UWB 通信的传统方式，又称作脉冲无线电 (IR, Impulse Radio)方案。 在这种方案中，发射机产生基带窄脉冲序列，并通过脉冲位置调制(PPM )、二进制移相键控 (BPSK)或脉冲幅度调制 (PAM)等调制方式携带信息。 基带窄脉冲序列直接发送到空中，而无需对载波进行调制。 早期的无载波脉冲 UWB 通信系统，因为直接利用基带简单脉冲波形进行通UWBB 无载波脉冲方案 载波调制方案 多频带 MBUWB 方案 单载波 DSUWB 方案 16 信，所以与传统的通信系统相比，收发信机结构简单，实现成本低，但在 FCC关于 UWB 通信功率谱的规定下，频谱利用率不高。 这可以通过脉冲波形优化设计加以改善。 但目前这方面的研究还没有十分理想的可实用的结果。 在 IRUWB无线系统中，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，不是对单个脉冲进行调制，而是采用多个脉冲传递相同的信息，即多脉冲调制方式。 当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制，第二步为每组脉冲作为整体被调制。 在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用脉冲位置调制 PPM，称为跳时 (Timing Hopping)扩谱 (THSS )，或者采用二相调制 BPM调制，称为直接序列 (Direct Sequence)扩谱 (DSSS )； THSS 中每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置； DSSS 中每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。 在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用脉冲幅度调制 PAM、脉冲位置调制 PPM或二相调制 BPM 调制。 典型的无载波脉冲位置调制 (PPM ) UWB 通信系统的发射机与接收机结构如图 所示。 发射机 接收机 图 无载波脉冲位置调制 (PPM) UWB 通信系统框图 单载波 DS UWB 方案 DSUWB 是由传统的 IRUWB 研制阵营在 FCC 制定了民用超宽带系统地功脉冲 发生器 脉冲 调制器 时基 伪随机码 调制延时 数据 相关器 脉冲 发生器 调制 解调器 时基 基带 处理器 伪随 机码 输出数据 17 率辐射限制后对传统的 IRUWB 改进，提出的一套民用超宽带系统的实现方案。 DSUWB 主要以 DSSS BPM 系统为雏形，增加频移措施发展过来，最初的版本称为 DSCDMA，后进一步改进形成现在的 DSUWB。 目前 FCC 规定 UWB 通信的实际频谱使用范围为 ~。 传统的无载波脉冲方案中，存在较多低频分量，因此很难适应 FCC 的限制；为了避免与其它窄带通信系统系统产生干扰，将 的频谱分成了两个频带：~(低频段 )和 ~（高频段 )， UWB 信号可以通过对载波进行调制，在这两个频段之一传输，或在这两个频段同时传输。 两个频段之间的部分没有利用，是为了避免与美国非特许的国家信息基础设施 (UNII)频段和 a 系统的干扰。 图 单载波 DS UWB 方案的信号频谱示意图 基带数据采用带宽受限的脉冲进行 BPSK 或 4BOK 调制，早期的 DSCDMA 方案的脉冲波形为小波， DSUWB 的脉冲波形修改为升余弦脉冲的开方。 此方案中，可以通过使用不同的伪随机 (PN)码集合划分不同的微微网 (Pico)。 低频段和高频段各支持 6 个微微网 (pico )同时工作，不同的微微网工作在不同的中心频率和不同的 chip 速度，使用不同的扩频码集。 DSUWB 与 DSSS BPM 系统相比，不同点是增加了频移，而与传统的直 接序列扩频通信系统相比，不同点是输出的脉冲不同。 传统的直接序列扩频通信的脉冲宽度就等于脉冲间隔，而 DSUWB 的脉冲宽度远远小于脉冲间隔，所以可以获得超宽的频带。 DSUWB 虽然使用了载波进行频移，仍然看成是脉冲方式的超宽带系统，因为它是通过窄脉冲来获得超宽的频带。 18 多载波 MB UWB 方案 MBUWB技术方案是将应用于无线局域网中的正交频分复用技术 OFDM 用来实现超宽带。 它将民用超宽带的使用频谱分成若干个 528MHz 的子带，在每个子带上都采用 OFDM 调制，来达。