【正文】 是狼就要練好牙，是羊就要練好腿。雖然在寫作過程也遇到諸多的困難，但我一步一個(gè)腳印的慢慢實(shí)現(xiàn)既定的目標(biāo)，在邊學(xué)邊寫的過程中學(xué)到了很多之前不懂的知識(shí)，使我感到很有成就感。 結(jié) 語 超寬帶無線通信技術(shù)直接用脈沖對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，具有發(fā)射功率低、處理增益高、多徑分辨能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力強(qiáng)、便于多功能一體化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。超寬帶應(yīng)用于通信系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要有：難于被監(jiān)聽；與已有無線通信系統(tǒng)兼容（功率譜密度極低，在高斯白噪聲以下）；有極高的空間解析度（厘米級的定位精度）；高速無線數(shù)據(jù)傳輸（1Gbit/s）；全數(shù)字實(shí)現(xiàn)；功耗低等。 XS110芯片組具有廉價(jià)、低功耗和數(shù)據(jù)速率高等優(yōu)點(diǎn)，所以XS110芯片組可以應(yīng)用于以下場合： （1）多種無線MPEG2或MPEG2HD視頻流； （2）無線快速以太網(wǎng)，USB2； （3）用戶網(wǎng)關(guān)/機(jī)頂盒顯示器/電視機(jī)的數(shù)字視頻傳輸； （4）數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等； （5）無線局域網(wǎng)產(chǎn)品的客戶端位置跟蹤； 超寬帶商用產(chǎn)品的開發(fā) 在美國拉斯維加斯舉行的消費(fèi)電子展上，眾多超寬帶制造商和開發(fā)商紛紛登臺(tái)亮相，展示了他們生產(chǎn)的各種原型機(jī)及其產(chǎn)品設(shè)計(jì)。目前，UWB系統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)還處于研究階段，沒有形成有效地統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。這一調(diào)制方式可以把可用的頻帶劃分為多個(gè)子帶，每個(gè)子帶的帶寬大于500MHz，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)速率、干擾、當(dāng)?shù)仡l譜規(guī)定等等因素選擇部分或者全部子帶進(jìn)行傳輸，還能以適合的調(diào)制方式使用多個(gè)子帶。在2002年之前，超寬帶技術(shù)主要應(yīng)用于軍事，其中應(yīng)用最廣泛的就是超寬帶雷達(dá)系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)桌面應(yīng)用 在計(jì)算機(jī)桌面上，匯聚了個(gè)人PC、筆記本電腦及鍵盤、顯示器、打印機(jī)、掃描儀、鼠標(biāo)等一系列外部設(shè)備。 超寬帶技術(shù)在高速無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 高速個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)的主要目標(biāo)是解決個(gè)人空間內(nèi)各種辦公設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品之間的無線連接，以實(shí)現(xiàn)信息的快速交換、處理、存儲(chǔ)等，其應(yīng)用場合包括辦公室和家庭。對于這一限制FCC的解釋是：UWB還是一項(xiàng)新技術(shù)，限制很多地方還不清楚會(huì)發(fā)生什么樣的問題，因此規(guī)定了這一一個(gè)保守的標(biāo)準(zhǔn)值。在2002年8月20日，F(xiàn)CC正式修改了PART15，在FCC的報(bào)告中，授權(quán)超寬帶技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域以及對于的頻段如表51所示，允許UWB以無許可證的方式使用很寬的一段頻帶。自1870年赫茲的放電試驗(yàn)就是UWB試驗(yàn)，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)。 在基于脈沖的UWB系統(tǒng)中，采用RAKE接收機(jī)合并多徑信號(hào)能量并進(jìn)行相干檢測，信道估計(jì)問題即估計(jì)多徑信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和幅度。 目前提出的UWB系統(tǒng)定時(shí)同步方法可以分為兩大類：數(shù)據(jù)輔助的定時(shí)同步、盲定時(shí)同步。相干合并策略需要對各條多徑的相位進(jìn)行估計(jì)，并對相位進(jìn)行補(bǔ)償，它主要包括等增益合并和最大比合并兩種。當(dāng)RAKE接收機(jī)中相關(guān)器的數(shù)量L一定時(shí)，如何選擇多徑分量進(jìn)行收集就變得至關(guān)重要。 多徑分集接收策略和多徑合并策略 當(dāng)假設(shè)理想的信道估計(jì)時(shí)，影響RAKE接收系統(tǒng)性能的因素主要包括兩個(gè)部分：一是如何選擇多徑分量進(jìn)行收集，即多徑分量收集策略；一是如何對各個(gè)相關(guān)器的輸出值進(jìn)行加權(quán)疊加，即多徑的合并策略。UWB脈沖信號(hào)具有天然的多徑分辨能力，因此可以采用RAKE接收技術(shù)對抗多徑信道引起的時(shí)間彌散。DS方式通過DS碼之間的正交性控制脈沖的極性實(shí)現(xiàn)多址。 DSCDMA UWB的多址接收機(jī)結(jié)構(gòu)與THPPM 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。在多址通信系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí)，上述判決準(zhǔn)則已不是最佳的，此時(shí)最佳接收機(jī)應(yīng)考慮多用戶干擾情況，使結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。 典型的THPPM超寬帶信號(hào)波形如下： （） 其中，表示發(fā)送的單周期脈沖波形，上標(biāo)（k）表示第k個(gè)發(fā)送用戶。因而在第一步中，把PPM稱為跳時(shí)擴(kuò)譜(THSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置；把BPM稱為直接序列擴(kuò)譜(DSSS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性；在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。 脈沖幅度調(diào)制（PAM）是一種把信息調(diào)制在脈沖幅度上的方式，其采用不同的脈沖幅度代表不同的調(diào)制信息，經(jīng)PAM調(diào)制后的信號(hào)表示為： （） 其中，是信息序列；為每幀的持續(xù)時(shí)間，即脈沖重復(fù)周期。在這種調(diào)制方式中，一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個(gè)或者M(jìn)個(gè)，脈沖位置與符號(hào)狀態(tài)一一對應(yīng)。通過選擇最佳階數(shù)k和最佳脈沖形成因子，使其盡量逼近FCC對UWB系統(tǒng)的發(fā)射限制。由高斯一階導(dǎo)函數(shù)可知，當(dāng)時(shí)，得到脈沖幅度。但是，一旦確定了波形的階數(shù)和脈沖成形因子這兩個(gè)參數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的頻譜形狀就確定了，也就是說高斯脈沖在頻譜的使用上缺乏靈活性。當(dāng)形成因子一定時(shí)，隨著高斯脈沖求導(dǎo)次數(shù)k的增加，高斯導(dǎo)函數(shù)脈沖的幅度在增大，脈沖寬度也在增大。 超寬帶通信利用極窄脈沖進(jìn)行信息傳輸，其相應(yīng)的帶寬在2GHz以上，為設(shè)計(jì)具有良好性能的極窄脈沖，人們提出了多種可應(yīng)用于超寬帶通信系統(tǒng)中的脈沖波形，典型的UWB脈沖波形是高斯單周期脈沖，而高斯單周期脈沖是對高斯脈沖求導(dǎo)得出的。當(dāng)今UWB系統(tǒng)脈沖的設(shè)計(jì)方法多種多樣，層出不窮。DAA（detect and avoid)作為UWB的防干擾技術(shù)在日本和歐洲越來越受到重視，為了保護(hù)未來4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，一些國家提出必須使用DAA的限制方案。 超寬帶系統(tǒng)對其它系統(tǒng)的干擾 超寬帶系統(tǒng)應(yīng)用中存在一個(gè)與現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)的共存問題。與UWB技術(shù)相比，HomeRF具有傳輸距離較遠(yuǎn)的優(yōu)勢，但在10m以內(nèi)，其傳輸速率也遠(yuǎn)小于UWB。物理層速率可達(dá)54Mb/s，傳輸層速率可達(dá)25Mb/s。UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較寬闊的頻帶，根據(jù)香農(nóng)公式C=Blog（1+SNR）,高帶寬可以降低信噪比，因此具有很強(qiáng)的抗干擾性。 （3）功耗低。 由上述定義可以看出，現(xiàn)在的超寬帶技術(shù)包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。1980～2000年FullertonMcEwanMoreyYoungBeckener基于雪崩晶體管的系統(tǒng)和天線等；基于雪崩晶體管系統(tǒng)、接收機(jī)和采樣器；基于雪崩晶體管商業(yè)GPR系統(tǒng)、大耳朵和天線等；堆砷化鎵半導(dǎo)體開關(guān)管。由于超寬帶系統(tǒng)能夠與其他窄帶系統(tǒng)共享頻帶，從80年代開始，隨著頻帶資源的緊張以及對于高速通信的需求，超寬帶技術(shù)開始被應(yīng)用與無線通信領(lǐng)域。2002年2月14日，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)正式通過了將UWB技術(shù)應(yīng)用于民用的議案，定義了三種UWB系統(tǒng)：成像系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)，并對三種系統(tǒng)的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規(guī)定。但是國內(nèi)目前關(guān)于UWB技術(shù)的深入研究僅限于雷達(dá)方面，關(guān)于UWB通信系統(tǒng)的研究還沒有形成規(guī)模。 2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)限用于軍用雷達(dá)的超寬帶技術(shù)可用于民用產(chǎn)品上，同年4月。UWB發(fā)出的脈沖電波直接按照0或1發(fā)送出去，由于只在需要時(shí)發(fā)送脈沖電波，因而大大減小了耗電量。在這樣的背景下，超寬帶技術(shù)引起了人們的重視，已逐漸成為無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。超寬帶的核心是沖激無線電技術(shù)，其帶寬大于目前所有通信技術(shù)的帶寬，且抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，滿足10m之內(nèi)的無線個(gè)人局域網(wǎng)。 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，是由于用戶需求和UWB技術(shù)的性能特點(diǎn)共同決定的。自此，此技術(shù)開始引起業(yè)界廣泛關(guān)注。 國外：早在1965年，美國就確立了UWB的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，UWB技術(shù)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，目前，只有美國允許民用UWB器件的使用；而歐洲正在討論UWB的進(jìn)一步使用情況，并觀望美國的UWB標(biāo)準(zhǔn)。Scholtz詳細(xì)地綜述了這種被稱為“沖激無線電”技術(shù)的應(yīng)用，以及該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，表明在同一個(gè)區(qū)域中沖激無線電通信系統(tǒng)可以容納大量的用戶，而且這種沖激無線電超寬帶信號(hào)具有比窄帶信號(hào)更強(qiáng)的抗多徑能力，從而使超寬帶在無線通信中的應(yīng)用開始受到廣泛的關(guān)注。 2002年4月22日，F(xiàn)CC頒布了UWB占用帶寬的有關(guān)條例，允許UWB技術(shù)和產(chǎn)品參與商業(yè)化運(yùn)作。由于其信號(hào)在頻域上覆蓋了很寬的頻帶，包括現(xiàn)在大多數(shù)無線通信系統(tǒng)的工作頻段，因此在超寬帶技術(shù)的發(fā)展過程中，美國聯(lián)邦委員（FCC）會(huì)等有關(guān)組織對超寬帶系統(tǒng)的頻譜提出了十分嚴(yán)格的要求，以避免對現(xiàn)有重要通信系統(tǒng)產(chǎn)生可能的干擾。UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，所以其系統(tǒng)功耗低。 （7）穿透力強(qiáng)，定位精確。而UWB只能在10m以內(nèi)的范圍通信，但UWB有著幾百兆的高傳輸速率。 ZigBee是一種低速率、低時(shí)延、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線連接技術(shù)，固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備均可使用。由于超寬帶系統(tǒng)使用很寬的頻譜，因此與很多其他的無線通信系統(tǒng)頻譜重疊。 第3章 超寬帶技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 超寬帶無線電中的信息載體為脈沖無線電，它是一種占空比很小的窄脈沖（納秒級寬度）。脈沖波形是超寬帶通信中的一項(xiàng)重要性能，直接影響它的傳輸速率以及與其它無線通信系統(tǒng)的共存性。并且很多的超寬帶脈沖波形可以通過對高斯脈沖進(jìn)行高通濾波來得到，所以研究高斯脈沖是十分必要的。 （a） （b） （c） （d） （e） （f） 圖32 形成因子= k階導(dǎo)數(shù)的時(shí)域波形（a） 基本高斯脈沖；（b）k=1；（c）k=2；（d）k=3；（e）k=4；（f）k=5。隨著導(dǎo)函數(shù)階數(shù)k的增加，導(dǎo)函數(shù)將向頻率高端移動(dòng)，中心頻率也隨著求導(dǎo)次數(shù)的增加而增大。習(xí)慣上，將正、負(fù)峰值之間的寬度定義為一階高斯脈沖的脈沖寬度，由定義可得到脈沖寬度。一般情況下，為了保持較寬的帶寬，室內(nèi)UWB系統(tǒng)最好選用高斯脈沖的五階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，而室外UWB系統(tǒng)應(yīng)選用七階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖。 PPM的優(yōu)點(diǎn)在于：它僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)符號(hào)控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)，因此，PPM是早期UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。 根據(jù)的不同取值，可將PAM調(diào)制方式分為以下幾種： （1）00K（開關(guān)鍵控） 發(fā)送數(shù)據(jù)為1時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=1， 發(fā)送數(shù)據(jù)為0時(shí)，UWB信號(hào)的幅度為：=0。 超寬帶系統(tǒng)多址技術(shù) 超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展，很大程度上依賴于高效的多址技術(shù)的發(fā)展。由式中看出，k用戶發(fā)送的信號(hào)是由偏移到特定時(shí)刻的單周期脈沖序列組成，其中第j個(gè)脈沖對應(yīng)的時(shí)刻為： 脈沖序列 由間隔的單周期脈沖組成，為幀周期或脈沖重復(fù)時(shí)間，典型的值約為單周期脈沖寬度的幾百倍或幾千倍。THPPM接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖35所示。為了方便分析，假設(shè)接收機(jī)與發(fā)信機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)建立同步，DSCDMA接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖36所示： 圖36 DSCDMA 接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖 PCTH超寬帶多址技術(shù) 偽混沌跳時(shí)方式PCTH調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代THPPM中的偽隨機(jī)序列和調(diào)制數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時(shí)刻，使信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，PCTH不僅能減少對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且不易被檢測到。相對而言，TH對于遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DS高。