【正文】 的多媒體應(yīng)用恰好彌補(bǔ)了它們的不足，三者更是可以相得益彰，共同發(fā)展。這種組網(wǎng)方式可以很容易擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，比較適合于企業(yè)使用。 圖 55 LRWPAN的組成結(jié)構(gòu) [2] 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般用于覆蓋范圍比較小的區(qū)域，如單個房間。這類應(yīng)用對傳輸速率要求較低，通常為幾千比特至幾萬比特每秒，但他們對成本和功耗的要求很高，在很多應(yīng)用中還要求提供精確的距離或定位信息。 標(biāo)準(zhǔn)是無線個域網(wǎng)的一個分支標(biāo)準(zhǔn)，支持低速無線個域網(wǎng)（ Wireless Personal Area Network）。這些短距離高速傳輸方式可以支持包括圖像和視頻在內(nèi)的多媒體傳輸。 （ 2） OFDM 在多徑環(huán)境下具有良好的穩(wěn)健性 由于使用循環(huán)前綴可以使各子載波的信號之間保持正交，有利于接受機(jī)更有效地俘獲多徑信號的能量。大家既可以自由地交換各種信息，也可以共享帶有圖像和音頻的演示文檔，還可以方便地共享 投影儀、打印機(jī)等設(shè)備，如圖 53所示。用戶甚至沒有必要將所有這些設(shè)備都放置在同一個桌面或房間內(nèi)，每種設(shè)備可以被自由地移動位置。圖 52 所示是 UWB 的典型應(yīng)用，包括機(jī)頂盒、 DVD 和數(shù)碼攝像機(jī)與數(shù)字電視的無線連接，數(shù)碼照相機(jī)與電視機(jī)、打印機(jī)之間的連接等。采用 UWB技術(shù)為這些設(shè)備提供高速無線連接將是比較理想的解決方案，配合上層協(xié)議靈活地改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，既可以?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)連接，也可以實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備互連。根據(jù) 對超寬帶 (UWB)的容量分析可知： UWB 的容量優(yōu)勢主要體現(xiàn)在10 m 左右的覆蓋區(qū)域。由于超寬帶技術(shù)是利用每秒數(shù)百萬次的窄脈沖來傳輸信息或獲取被測物的位置和距離 , 因此在雷達(dá)跟蹤、精確定位和無線通信等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 采用 ZigBee 技術(shù)作為物理層傳輸技術(shù)，提供的最高傳輸速率為 250 kb/s，通過降低傳輸速率可將通信距離延伸至 30 m 或更遠(yuǎn)。如圖 51 所示為 IEEE 工作組的關(guān)系圖。 [2] 超寬帶與 IEEE 關(guān)于無線接入的標(biāo)準(zhǔn)可以大致分為下列 3 種。為了盡量減少與全球定位系統(tǒng)（ GPS）所使用的 GHz 頻帶之間的干擾，與 FCC 關(guān)于同處這一頻帶輻射噪聲的規(guī)定值（ 41dBm/MHz）相比， FCC 將 UWB 系統(tǒng)輸出功率限制到了還要再低 34dBm 的數(shù)值上。這 3 個用途分別是： （ 1） 成像系統(tǒng)（ Imaging System）： 如地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器等，包括地面穿透雷達(dá)（ GPR）、墻內(nèi)、穿墻和醫(yī)用成像、救生系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)等。在 2021 年 5 月 11 日， FCC 發(fā)布了一個 NPRM，準(zhǔn)備修改 Part15 條例，以便允許 UWB 技術(shù)的應(yīng)用。這些問題包括如下方面： （ 1） UWB 系統(tǒng)對其他無線系統(tǒng)的 干擾 包括對 GPS 的干擾，對導(dǎo)航系統(tǒng)的 安全造成威脅；對利用來自宇宙的微弱電波進(jìn)行觀測的天文臺的干擾；對調(diào)幅和調(diào)頻廣播的影響；對個人通信系統(tǒng)（ PCS，如900/1800MHzGSM）的干擾；對無線局域網(wǎng)（ 、 b 等）的干擾等。 1890 年，莫爾斯根據(jù)這種放電無線裝置發(fā)明了無線電報(bào)。此接 收 機(jī)中假設(shè) 第 m 用 戶的信道是已知的，因此，采用最佳 接收時(shí)還需要進(jìn)行信道估計(jì)。窗函數(shù) ??t? ，決定了用戶頻譜組成的特征。 ??t? 的傅里葉變換頻譜表示為 ? ?Wf ，其帶寬近似為 1/ sT 。 以上結(jié)論說明，要想使不同用戶的信號經(jīng)過信道傳輸后依然保持正交，則用戶 18 發(fā)送信號的頻譜必須占用不同的頻帶，即頻譜互不重疊。 [2] 1. 偏移正交和頻率劃分 理想情況下，如果不同用戶間的信號相互正交，并且，經(jīng)過信道傳輸后依然保持正交，則可以完全消除多用戶干擾的影響。最近，此技術(shù)已被擴(kuò)展應(yīng)用到超寬帶系統(tǒng)中。 [2] 其中 ? ?:0 N 1? ? ? ? ?1n r e c 1 f p w t jT n T?? ? ?? 1fmodT? 解 調(diào)輸出 脈沖 相關(guān)器 積分器 比較器 碼延時(shí) 模版 幀時(shí)鐘 同步 鏈路 選擇 “ 1 ” “ 1 ” “ 0 ” fT fT fT 17 多載波超寬帶多址技術(shù) 幾種多址技術(shù)比較 在超寬帶多用戶通信系統(tǒng) 中 ， 最常見的 THPPM 多址技術(shù)和 DS— CDMA 多 址 技術(shù)等，都是建立在擴(kuò)頻碼和隨機(jī)信道的統(tǒng)計(jì)特性基礎(chǔ)上進(jìn)行用戶分離，把多址干擾看成了一種加性高斯噪聲。在每個 FT 間隔內(nèi)，只傳輸一個脈沖，每個脈沖的位置可以是 2MN? 個離散時(shí)隙中的任一個 ， M即移位寄 存器的長度。 [2] 接收信號處理 DSCDMA UWB 的多址接收 機(jī)結(jié) 構(gòu)與 TH/PPM UWB 接收機(jī) 類似，也是基于假設(shè)檢驗(yàn)理論的相干數(shù)據(jù)檢測，采用相關(guān)器進(jìn)行接 收 。用單載波 DSCDMA 方案通過頻譜搬移解決無載波 UWB 存在較多低頻分量問題。 [2] 接收信號處理 在多址系統(tǒng)中，當(dāng) Nu 個用戶同時(shí)工作時(shí)，接收信號 r(t)表示為： ? ?uN kkkk1r ( t ) A s ( t ) n ( t )??? ? ?? （ 42） 其中， Ak 表示發(fā)射機(jī) k 的信號經(jīng)路徑傳輸后到達(dá)接收機(jī)的衰減； k? 表示收發(fā)信機(jī)的時(shí)間延遲； n(t)表示加性高斯白噪聲。 （ 2） 偽隨機(jī)跳時(shí)碼：為了減少多址通信中的碰撞概率，每個用戶指定一個特定的脈沖偏移模式 ??? ?kjc，稱之為跳時(shí)碼。 典型 的 THPPM UWB 制信號波 形如下： 14 ? ? ? ? ? ?? ?? ?? ?sk k kf j c j / Njs t t jT c T d??? ? ? ?? （ 41） 其中， ??t? 表示發(fā)送的單周期脈沖波形，上標(biāo)（ k）表示第 k 個發(fā)送用戶。 UWB 系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為室內(nèi)，與數(shù)據(jù)傳輸速率相比，信道的變化速度非常慢，可以看作準(zhǔn)靜態(tài)。 UWB 信道是典型的頻率選擇 性衰落信道，在時(shí)域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)出多徑成簇到達(dá)的現(xiàn)象。但非相干檢測比相干檢測有高達(dá) 3 dB 左右的性能損失，這對功率受限系統(tǒng)尤其難以接 收 。在高速無線個域網(wǎng) (WPAN)等無線網(wǎng)絡(luò)中，一般采用突發(fā)式的包傳遞模式。這類同步方法的優(yōu)點(diǎn)在于捕獲速度較快、跟蹤精度高，但在系統(tǒng)帶寬效率和功率效率上付出較 大的代價(jià)。 UWB 信道的密集多徑特征進(jìn)一步增加 了定時(shí)同步的可靠性。 定時(shí)同步是 UWB 通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題，定時(shí)偏差和抖動將嚴(yán)重影響接收機(jī)性能。 各相關(guān)器輸出的合 并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（ EGC）、最大比值合并（ MRC）、選擇式合并等。考 慮這樣一個抽頭延遲線模型，其最大附和時(shí)延 mp( )T? 。若瑞克接收機(jī)仍然采用理想的脈沖波形作為相關(guān)器模板 ， 系統(tǒng)性能將有很大的損失。 Rake 接收 機(jī) UWB 系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為家庭、辦公室等室內(nèi)密集多徑環(huán)境，多徑信道的最大時(shí)延擴(kuò)展達(dá) 200 ns 以上，可分辨 多徑數(shù)量 與信號帶寬成正比，通常高達(dá)幾十至上百條。這樣，將減少同頻帶多徑信號的影響。 這三種方式中只有 BPSK 方式 的 du 為 0 ,故 UWB 的 PAM 調(diào)制方式多采用 BPSK 方式。 根據(jù) dj 的不同取值 ,可將 PAM調(diào)制方式分為以下幾種 : (1)OOK（開關(guān)鍵控） 發(fā)送數(shù)據(jù)為 1 時(shí) ,UWB 信號的幅度為 : jd = 1， 發(fā)送數(shù)據(jù)為 0 時(shí) ,UWB 信號的幅度為 : jd = 0 。 由此可見 ,PAM信號的功率譜密度由連續(xù)譜與離散譜兩部分組成。其表達(dá)式為： ? ? ? ?s in 00 rt t N Tpt ? ????? ??? 其 他 （ 27） ? ? ? ? ? ?rsin t u t u t N T?? ? ????? 其中， r 2 /T??? ， T 是正弦波的周期， u(t)是階躍信號，對于整數(shù)的 N，脈沖信號的傅里葉變換式為： ? ? ? ?? ?? ?r 2r1/P 1 e x p jN T 1/ ??? ???? ? ? ?r 2r2 j /N T N Te x p j s in22 1/ ??? ??? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 28） 可見，這種信號的頻譜以正弦波頻率為中心，并且主瓣寬度和正弦波周期數(shù) N成反比，當(dāng) N4 的時(shí)候，這種信號轉(zhuǎn)化為窄帶信號。高斯脈沖的 譜密度函數(shù)如下： ? ? ? ? ? ?P e x p 2f p t j ft d t??????? （ 24） 它的功率譜密度如下： ? ? ? ?? ?2 2e x p 2P f f???? （ 25） 相應(yīng)的高斯脈沖的各次微分的功率密度的公式如下： ? ? ? ? ? ?? ?2 222 e x p 2xP f f f? ? ??? （ 26） 如圖 21 所示為 0～ 3次微分的高斯脈沖的波形和 功率譜示意圖。 [2] 高斯脈沖信號 最簡單、最通用的超寬帶波形是單周期 （ Monocycle） 脈沖信號，只所以稱它為單周期脈沖是因?yàn)檫@種波形只有一個脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。作為對 UWB 5MHz 噪聲功率級 7 比，下圖繪出了幾種短距離通信技術(shù)的空間容量。如圖 13 所示，盡管FCC 對 UWB 的帶內(nèi)功率和帶外功率作了嚴(yán)格的限制，但是他對同一個頻譜和 相鄰頻譜的其他設(shè)備的干擾卻是依然存在的 。顯然 UWB技術(shù)可以在極低的發(fā)射功率下傳輸非常高的數(shù)據(jù)數(shù)率。如何提 ) dBm/MHz ( 輻射功率 EIRP 頻率（ GHz） 室內(nèi) 室外 6 高傳輸系統(tǒng)的容量是人們特別關(guān)注的問題之一。 顯然， UWB 的帶寬 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前各類系統(tǒng)的帶寬； 第二， UWB 技術(shù)主要是采用無載波方式來實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng) 均采用單頻載波或多頻載波對信號進(jìn)行調(diào)制，即將信號的基帶頻譜搬移到所工作的載波頻譜上。 [1] 圖 12 FCC對 UWB通信與測量系統(tǒng)的限界規(guī)定 [1] UWB 與“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)有兩點(diǎn)主要區(qū)別： 第一 ,FCC 定義的 UWB 的帶寬大于其中心頻率的 20%或至少 500MHz 的帶寬。 UWB 信號發(fā)射的功率譜密度級可達(dá) 4 5 6 7 8 9 頻率（ GHz） 功率 HomeRF UWB信號 GPS PCS 微波爐，無繩 電話，藍(lán)牙 與傳統(tǒng)無線信號 的重疊 FCC第15部分的功率限制 5 。 美國 FCC 對于 UWB 的定義為： ? ?HLcff 20%f? ? （或者總帶寬為 500MHz） （ 12） 式中， Hf 、 Lf 分別為功率較峰值功率下降 10dB 時(shí)所對應(yīng)的高端頻率和低端頻率， cf 為載波頻率或中 心頻率。這一條例的頒布直接促進(jìn)了基于 UWB 技術(shù)的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。 1989 年 ，美國國防部采用“超寬帶”這一術(shù)語之后，才被業(yè)界沿用下來。從此，超寬帶技術(shù)有了快速的發(fā)展。 3 第 1章 UWB 技術(shù)背景 UWB 技術(shù)的歷史 對超寬帶（ UWB， UltraWideband）無限技術(shù)（簡稱 UWB 技術(shù)）的起源眾說紛紜，從目前的學(xué)者研究工作來看大約可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代末和 60年代初。自此，此項(xiàng)技術(shù)開始引起業(yè)界廣泛關(guān)注。 UWB 接收機(jī)的研究與開發(fā)需要解決如下的關(guān)鍵技術(shù)： （ 1） 接 收 機(jī)技術(shù) UWB 脈沖信號具有天然的多徑分辨能力， 因此可以采用瑞克接收技術(shù)對抗多徑信道引起的時(shí)間彌散。 UWB 技術(shù)之所以成為無線通信領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一，是由 用戶需求和 UWB 技術(shù)的性能特點(diǎn)共同決定的。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。并對 UWB 接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、 UWB多址技術(shù)、 UWB 的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程等方面進(jìn)行了論述。 本文介紹了 UWB 的發(fā)展背景，并 按照傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從脈沖信號波形的產(chǎn)生、經(jīng)信道傳輸、最后被接收機(jī)接收的路線進(jìn)行了分析討論。 UWB 方式占用帶寬非常寬，且由于頻