超宽带(UWB)无线通信技术详解

超宽带（UWB）无线通信技术详解

近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。
1 UWB的产生与发展
超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。此后，超宽带这个术语才被沿用下来。
其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。图1给出了带宽计算示意图。可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。
为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。


2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz～10.6 GHz。为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。图2示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。


自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带(IR-UWB)系统、基于直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用(OFDM)的UWB系统等。在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。当前，UWB技术已成为短距离、高速无线连接最具竞争力的物理层技术。IEEE已经将UWB技术纳入其IEEE802系列无线标准，正在加紧制订基于UWB技术的高速无线个域网(WPAN)标准IEEE802.15.3a和低速无线个域网标准IEEE802.15.4a。以Intel领衔的无线USB促进组织制订的基于UWB的W-USB2.0标准即将出台。无线1394联盟也在抓紧制订基于UWB技术的无线标准。可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。
2 UWB的技术特点
(1)传输速率高，空间容量大
根据仙农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为：
C=B×log2(1+SNR)　

(1)
其中，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7 GHz带宽，即使信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可达到1 Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE 802.11.a高出1～2个数量级。
(2)适合短距离通信
按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr (d )。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数
C(d)=B×log2[1+SNRr(d )] (2)
另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。因此，UWB系统特别适合于短距离通信。
(3)具有良好的共存性和保密性
由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。
(4)多径分辨能力强，定位精度高
由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到

理想的性价比。
(5)体积小、功耗低
传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点。
3 UWB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)=∑Ing(t -T ) (3)
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，且信号能量应集中于3.1 GHz～10.6 GHz频段。早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2 GHz以下。FCC对UWB的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需进行调整。近年来，出现了许多行之有效的方法，如基于载波调制的成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等。
3.1高斯单周脉冲
高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉冲波形均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。图3为典型的2ns高斯单周脉冲。


3.2载波调制的成形技术
原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求。因此，传统的用于有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。此时，超宽带信号设计转化为低通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频谱在频率轴上灵活地搬移。
有载波的成形脉冲可表示为：
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
其中，p(t)为持续时间为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。若基带脉冲p(t)的频谱为P(f )，则最终成形脉冲的频谱为：
可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p(t)，只要使p(t)的-10dB带宽大于250 MHz，即可满足UWB设计要求。通过调整载波频率fc可以使信号频谱在3.1 GHz～10.6 GHz范

围内灵活移动。若结合跳频(FH)技术，则可以方便地构成跳频多址(FHMA)系统。在许多IEEE 802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术。图4为典型的有载波修正余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz。


3.3Hermite正交脉冲
Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法。结合多进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速率。这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求。
3.4PSWF正交脉冲
PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。
与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进行频谱般移。因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度。
4 UWB调制与多址技术
调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性，同时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。对于多址技术解决多个用户共享信道的问题，合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多用户容量。在UWB系统中采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。多址技术包括：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址、波分多址等。系统设计中，可以对调制方式与多址方式进行合理的组合。
4.1UWB调制技术
(1)脉位调制
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。
PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。
(2)脉幅调制
脉幅调制(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)。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。
与2PPM相比，在辐射功率相同的前提下，BPSK可以获得更高的传输可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。
(3)波形调制
波形调制(PWSK)是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。在这种调制方式中，采用M个相互正交的等能量脉冲波形携带数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据符号对应。在接收端，利用M个并行的相关器进行信号接收，利用最大似然检测完成数据恢复。由于各种脉冲能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率。在脉冲宽度相同的情况下，可以达到比MPPM更高的符号传输速率。在符号速率相同的情况下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于这种调制方式需要较多的成形滤波器和相关器，其实现复杂度较高。因此，在实际系统中较少使用，目前仅限于理论研究。
(4)正交多载波调制
传统意义上的UWB系统均采用窄脉冲携带信息。FCC对UWB的新定义拓广了UWB的技术手段。原理上讲，-10dB带宽大于500MHz的任何信号形式均可称作UWB。在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调采用快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换(FFT/IFFT)实现。由于具有频谱利用率高、抗多径能力强、便于DSP实现等优点，OFDM技术已经广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、WLAN等无线网络中，且被作为B3G/4G蜂窝网的主流技术。
4.2UWB多址技术
(1)跳时多址
跳时多址(THMA)是最早应用于UWB通信系统的多址技术，它可以方便地与PPM调制、BPSK调制相结合形成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控系统方案。这种多址技术利用了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期(Tf，又称帧周期)划分成Nh个持续时间为Tc的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在Nh个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采用PPM调制或BPSK调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。
由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了多用户干扰。将跳时技术与PPM结合可以有效地抑制PPM信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然产生多用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题。
(2)直扩-码分多

址
直扩-码分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这种多址方式同样可以应用于UWB系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即使用户信号间发生冲突，解扩后互干扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系统中需要进行功率控制。在UWB系统中，DS-CDMA通常与BPSK结合。
(3)跳频多址
跳频多址(FHMA)是结合多个频分子信道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的随机跳频码控制射频频率合成器，以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传输数据，数据调制在基带完成。若用户跳频码之间无冲突或冲突概率极小，则多用户信号之间在频域正交，可以很好地消除用户间干扰。原理上讲，子信道数量越多则容纳的用户数量越大，但这是以牺牲设备复杂度和功耗为代价的。在UWB系统中，将3.1GHz～10.6GHz频段分成若干个带宽大于500MHz的子信道，根据用户数量和设备复杂度要求选择一定数量的子信道和跳频码解决多址问题。FHMA通常与多带脉冲调制或OFDM相结合，调制方式采用BPSK或正交移相键控(QPSK)。
(4)PWDMA
PWDMA是结合Hermite等正交多脉冲提出的一种波分多址方式。每个用户分别使用一种或几种特定的成形脉冲，调制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用户使用的脉冲波形之间相互正交，在同步传输的情况下，即使多用户信号间相互冲突也不会产生互干扰。通常正交波形之间的异步互相关不为零，因此在异步通信的情况下用户间将产生互干扰。目前，PWDMA仅限于理论研究，尚未进入实用阶段。