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(hào)功率譜密度低、不易檢測、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)表示形式，分析了其特點(diǎn)，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(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號(hào)具有GHz量級(jí)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(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)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(diǎn)。

1 超寬帶信號(hào)及其特點(diǎn)

美聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定：

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

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

Str(k)(t)表示第k個(gè)用戶的發(fā)射信號(hào)，它是大量的具有不同時(shí)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(jī)時(shí)鐘的零時(shí)刻(t(k)=0)開始。第j個(gè)脈沖的起始時(shí)間為。仔細(xì)分析每個(gè)時(shí)移分量：

（1）相同時(shí)移的脈沖序列：形式的脈沖表示時(shí)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(shí)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(jī)碰撞。

(2)偽隨機(jī)跳時(shí)：為減少多址接人時(shí)的沖突，給每個(gè)用戶分配一個(gè)特定的偽隨機(jī)序列，稱之為跳時(shí)碼，其周期為Np。跳時(shí)碼的每個(gè)碼元都是整數(shù)，且滿足。這樣跳時(shí)碼給每個(gè)脈沖附加了時(shí)移，第j個(gè)單周期脈沖的附加時(shí)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(shí)間，NhTc/Tf應(yīng)嚴(yán)格小于1。然而如果NhTc太小，那么多個(gè)用戶接入時(shí)發(fā)生沖突的概率仍然會(huì)很大。相反，如果NhTc足夠大且跳時(shí)碼設(shè)計(jì)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(hào)。

由于跳時(shí)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(shí)碼的另外一個(gè)作用是使UWB信號(hào)的功率譜密度更為平坦。

(3)數(shù)據(jù)調(diào)制：第k個(gè)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(gè)碼元傳輸Ns個(gè)單周期脈沖，這樣增加了信號(hào)的處理增益。

在這種調(diào)制方式下，一個(gè)符號(hào)(或碼元)的持續(xù)時(shí)間為Ts=NsTf。對(duì)于固定的脈沖重復(fù)時(shí)間Tf，二進(jìn)制的符號(hào)速率Rs，為：

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