【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 UWB 系統(tǒng)不使用載波，無(wú)需功放、上下變頻及中頻處理單元，相比傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。一般來(lái)講， UWB 系統(tǒng)主要涉及功能單元有：脈沖產(chǎn)生單元、基帶調(diào)制 /解調(diào)單元、信道編 /解碼單元、信道估計(jì)及均衡、同步單元。 由于 UWB 自身固有的抗衰落的魯棒性能，在一些設(shè)計(jì)的較好的系統(tǒng)中甚至可以不用均衡器，其結(jié)構(gòu)將更為簡(jiǎn)單， 所以， UWB 易于實(shí)現(xiàn)低成本和 集成化 。 圖 兩次變頻收發(fā)機(jī)（傳統(tǒng)方案） 圖 直接變頻收發(fā)機(jī)（改進(jìn)型方案） 圖 直接中頻采樣收發(fā)機(jī)（軟件無(wú)線(xiàn)電方案） 圖 超寬帶 UWB 收發(fā)機(jī) 11 功率限制和輻射掩蔽 通常來(lái)說(shuō)，超寬帶無(wú)線(xiàn)電信號(hào)是與其他的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)同時(shí)存在的，因此，可能對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾必須要限定在某一范圍內(nèi)，這就意味著在任一給定頻率上的空中接口都必須有一個(gè)最大允許功率，這個(gè)功率的值一般由輻射掩蔽 （ emission mask） 來(lái)確定。 由輻射掩蔽定的功率極限值是相對(duì)于有 效輻射功率而言的，即某一頻率范圍內(nèi)的有效全向輻射功率 （ EIRP） ，它等于發(fā)射機(jī)的最大可用功率 TXP （ 即發(fā)射機(jī)能夠提供給天線(xiàn)的最大功率 ） 和發(fā)射天線(xiàn)增益 ATG 的乘積： TX ATEIRP P G? （ 22） 我們通常用 dBm來(lái) 表示 ElRP 的大小，即 10 lg EIRP mWatts。 如果發(fā)射機(jī)的輸出阻抗 oTXZ 與天線(xiàn)的輸出阻抗 ATZ 相匹配，即 *oTX ATZZ? ， 則滿(mǎn)足最大功率傳輸條件，即發(fā)射機(jī)的最大可用功率可以有效地傳遞到天線(xiàn)。 另外一種控制輻射功率的方法是對(duì)場(chǎng)強(qiáng) SV 加以限制，場(chǎng)強(qiáng)是指?jìng)鞑ヒ欢ň嚯x D 后，等于自由空間的特征阻抗 FSZ 的某一阻抗要獲得功 率值 TXP 時(shí)所需要的電壓值。 FSZ 跟自由空間的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，大約等于 377? （精確值為 120? )。通常， FSZ 與頻率無(wú)關(guān)。場(chǎng)強(qiáng) (單位是 /Vm)與功率（單位 W ）的關(guān) 系如下： 2 24377SVEIRP D?? （ 23） 式（ 23）定義的功率是平均功率。在二進(jìn)制 IR 系統(tǒng)中，平均功率要在比特間隔 bT 內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)單個(gè)脈沖的能量為 PE ，則代表一個(gè)比特的所有脈沖的總能量為 SPNE ,在b S ST NT? 假設(shè)下的平均功率 avP 就為： S P S P Pav h S S SN E N E EP T N T T??? （ 24） 式 （ 24） 中， 1/ST 指脈沖的重復(fù)頻率。 從式（ 24）我們可以看出，即使脈沖能量 PE 不同，不同的信號(hào)還是可以 通過(guò)改變脈沖的重復(fù)頻率而具有相同的平均功率 avP 。平均功率相同，脈沖重復(fù)頻率低的信號(hào)脈沖能量 12 PE 較大，也就是說(shuō)，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，對(duì)于平均功率相當(dāng)?shù)男盘?hào)，其最大瞬時(shí)功率卻可能有明顯的差別。 輻射掩蔽對(duì)輻射信號(hào)的功率譜密度加以限制，即對(duì) E1RP 的頻譜密度加以限制，功率譜密度的單位通常是 /dBmHz 或 /dBm MHz 。但一般來(lái)說(shuō)，在 某一給定的頻率處，輻射掩蔽是以功率值（典型單位是 dBm）而不是以功率密度值給出的。事實(shí)上，在某一頻率 0f 處輻射掩蔽的取值，表明了中心頻率 cf 附近的測(cè)量帶寬（ mb）范圍內(nèi)的最大允許 EIRP。這個(gè)功率我們用 mbEIRP 表示，只有當(dāng)傳輸信號(hào)的帶寬 B 等于測(cè)量帶寬 mb 時(shí)，該功率等于總的可允許 EIRP。對(duì)于帶寬大于測(cè)量帶寬 mb 的信號(hào)，最大允許 EIRP 等于 mbEIRP 值的總和，此處的 mbEIRP 由信號(hào)占用帶寬上的輻射掩蔽所確定。特殊情況下，如果整個(gè)帶寬 B 范圍內(nèi)，由掩蔽所確定的 mbEIRP 值為一常數(shù)，則可以得到： 2 24377Smb VBE IR P E IR P Dmb ??? (25) 式（ 25）給出了 mbEIRP 作為帶寬 B mb? 的信號(hào)的最大容 許 EIRP 的正式定義。 目前， UWB 無(wú)線(xiàn)電通信中我們唯一可以的有關(guān)輻射掩蔽的標(biāo)準(zhǔn)是 由美國(guó) FCC 制定的。對(duì)于室內(nèi) UWB 系統(tǒng)，掩蔽限制是針對(duì) 到 范圍內(nèi)的 10bB 帶寬，對(duì)于帶外的輻射掩蔽也有嚴(yán)格的限制。輻射掩蔽的具體值如圖 和表 。此外， FCC 制定的標(biāo)準(zhǔn)中還對(duì)中心頻率 cf 附近 50MHz 頻帶范圍內(nèi)輻射信號(hào)峰值給出了限制指標(biāo)，這個(gè)極限值為0 /50dB MHz ，即對(duì)中心頻率 cf 附近 50MHz頻帶范圍內(nèi)計(jì)算的功率應(yīng)限定在 0dBm內(nèi)。 圖 FCC 制定的室內(nèi) UWB 設(shè)備輻射掩蔽 [FCC,2020] 第 15部分極限 室內(nèi)輻射極限 1 10 UWB EIRP 輻射值 頻率 [GHz] 13 表 FCC 制定的室內(nèi) UWB 設(shè)備的平均功率極限值 頻率（ MHz） mbEIRP (dBm) 0 960 960 1610 1610 1990 1990 3100 3100 10600 大于 10600 很值得注意的是， FCC 的標(biāo)準(zhǔn) 是 根據(jù)信號(hào)的單邊功率譜密度 ()MPf? 來(lái)制定的，一個(gè)頻率范圍在 LHff的信號(hào)的最大允許總功率 maxMP 為： m ax ()HLfMMfP P f df?? ? （ 26） 如果 GHz? , GHz? ,我們可以得到 331 0 . 6 1 0m a x 3 . 1 1 0| 1 0 l g ( )MMP d B m P f d f? ????? ????? 331 0 . 6 1 0 3 . 1 1 0 |1 0 l gmb M H zE IR P mb??? ? ?? ???? ? ?34 1 .3 1 0 lg 7 .5 1 0 / 1? ? ? ? ?? （ 27） 即 max mW? 。 UWB 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用 根據(jù)種種 UWB 的優(yōu)點(diǎn) ， UWB 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的主要功能包括無(wú)線(xiàn)和定位功能。進(jìn)行高速無(wú)線(xiàn)通信 (速率在 100Mbps 以上 )時(shí)，傳輸距離比較近，一般在 1020 米左右；進(jìn)行較低速率無(wú)線(xiàn)通信和定位時(shí)，傳輸距離可更遠(yuǎn)。 UWB 技術(shù)，特別是采用無(wú)載波脈沖方式時(shí)，具有較強(qiáng)的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進(jìn)行通信、成像或定位。 與全球定位系統(tǒng) （ GPS）相比， UWB 技術(shù)的定位精度更高，可達(dá)到 1020 厘米的精度。 根據(jù)上述的功能 ， UWB 技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)多媒體家域網(wǎng)、個(gè)域網(wǎng)， 雷達(dá)定位和成 14 像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應(yīng)用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。 (1)無(wú)線(xiàn)多媒體家域網(wǎng) /個(gè)域網(wǎng) UWB 使用戶(hù)無(wú)需通過(guò)錯(cuò)綜復(fù)雜的線(xiàn)路來(lái)連接家庭電腦 /手提電腦、 鍵 盤(pán)、顯示器、揚(yáng)聲器、打印機(jī)、掃描儀、鼠標(biāo)、電視等設(shè)備。借助 UWB， 用戶(hù)甚至沒(méi)必要將所有這些設(shè)備都安裝在同一個(gè)房間內(nèi)。用戶(hù)能通過(guò) UWB 實(shí)現(xiàn)以下功能： ①無(wú)需使用電纜，即可建立家庭 影院，可將內(nèi)容傳輸?shù)椒课葜械娜魏我慌_(tái)電視機(jī)。 ②將圖像從數(shù)碼相機(jī)即時(shí)傳輸?shù)絺€(gè)人電腦 /手提電腦、電視或其他顯示設(shè)備上?？赡苄枰掌幚碓O(shè)施，對(duì)圖像進(jìn)行處理和傳輸。 ③只要 MP3 播放器進(jìn)入個(gè)人電腦 /手提電腦、家庭影院 MP3 服務(wù)器的覆蓋范圍，即可傳輸數(shù)兆的 MP3 音頻數(shù)據(jù)。 ④無(wú)需連接線(xiàn)路，即可連接視頻游戲控制臺(tái)、多個(gè)操作桿 /控制器和顯示設(shè)備。 ⑤向個(gè)人手持媒體播放器（ PMP）傳輸數(shù)字媒體文件，如完全長(zhǎng)度的電影，只需幾秒時(shí)間即可完成，供用戶(hù)在旅途中欣賞。 ⑥無(wú)線(xiàn)連接多種工作設(shè)備，例如手提電腦、 PDA 和投影機(jī)，辦 公室人員能夠坐在會(huì)議室中，無(wú)線(xiàn)共享帶有圖像和音頻的演示。 (2)智能交通系統(tǒng) UWB 系統(tǒng)同時(shí)具有無(wú)線(xiàn)通信和定位的功能，可以方便地應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為汽車(chē)防撞系統(tǒng)、智能收費(fèi)系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)等提供高性能、低成本的解決方案。比如在汽車(chē)防撞系統(tǒng)中，裝在汽車(chē)上的 UWB 設(shè)備不斷地發(fā)射超短脈沖，測(cè)量本車(chē)和其它車(chē)輛之間的距離，其精度可以達(dá)到 1020 厘米。如果距離低于警界值， UWB 設(shè)備通知汽車(chē)內(nèi)的電腦系 統(tǒng)，采取相應(yīng)的措施。 UWB 設(shè)備與電腦系統(tǒng)的連接可以是有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的。 采 用無(wú)線(xiàn)連接，可以避免使用額外的電纜，而且放置方便、靈 活。 (3)軍事、救援等領(lǐng)域 UWB 系統(tǒng)，特別是采用無(wú)載波脈沖方式的 UWB 系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的穿透障礙物進(jìn)行通信的功能，在軍事、消防、勘探等領(lǐng)域有著廣泛的用途。 2020 年 2 月，美國(guó) TimeDomain公司推出了穿墻透視儀 Radar Vision 采用了 UWB 技術(shù)，可以透過(guò) 23 層一般的墻壁，探測(cè) 10 米范圍內(nèi)的物體，為警察、特種部隊(duì)士兵等制服藏匿在室內(nèi)的持槍 歹 徒提供了強(qiáng)有力的先進(jìn)工具。在消防上， UWB 設(shè)備可用于搜救火場(chǎng)內(nèi)、廢墟下的幸存者。在勘探 領(lǐng)域，利用 UWB 技術(shù)，可以探測(cè)到地表以下數(shù)米深的物質(zhì)。 15 第三章 UWB 系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù) UWB 調(diào)制方式概述 UWB 之所以具有非常寬的帶寬，并不 像 其它擴(kuò)頻系統(tǒng)是依賴(lài)擴(kuò)頻序列或跳時(shí)序列來(lái)產(chǎn)生寬帶信號(hào)，而是因?yàn)槭褂昧思{秒級(jí)脈沖從而占據(jù)了從直流到幾個(gè) GHz的頻譜寬度．如此寬的帶寬，使 UWB 系統(tǒng)不同于窄帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，換句話(huà)說(shuō)， UWB 系統(tǒng)是功率受限系統(tǒng)，而傳統(tǒng)窄帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是帶寬受限系統(tǒng)，這個(gè)根本區(qū)別使得 UWB 調(diào)制方案、糾錯(cuò)編碼等有著自己的特點(diǎn)。 UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級(jí)脈沖串，脈沖寬度 m? 遠(yuǎn)小于脈沖之間的平 均間隔且兩個(gè)脈沖之 間的間隔可以固定也可以時(shí)變。 通常 UWB 信號(hào)模型為： ( ) ( )tr f jjS t A t t????????? （ 31） 式（ 31） 中 , ()t? 表示發(fā)送的單周期脈沖 , fA 、 jt 分別表示單脈沖的幅度與時(shí)延。在現(xiàn)有的 UWB 系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式 主要有跳時(shí)脈位調(diào)制 THPPM、脈幅調(diào)制 PAM、二相調(diào)制 BPSK、開(kāi)關(guān)鍵控 OOK、偽混沌跳時(shí)調(diào)制 PCTH、 M 狀態(tài) Walsh 碼調(diào)制以及這些調(diào)制方式的結(jié)合方式。 跳時(shí)脈位調(diào)制 THPPM 跳時(shí)脈沖位置調(diào)制利用脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻一個(gè)特定的時(shí)間來(lái)表示一個(gè)特定的信息。采用跳時(shí)脈沖位置調(diào)制對(duì)長(zhǎng)脈沖序列進(jìn)行調(diào)制時(shí)，每一用戶(hù)的下一塊信息將在時(shí)間上隨機(jī)分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的信號(hào)功率分布，這使得 UWB 信號(hào)在頻域中類(lèi)似于背景 噪 聲。典型的 THPPM 短脈沖的發(fā)送間隔受兩個(gè)參數(shù)控制，一個(gè)是偽隨序列，另一個(gè)是發(fā)送的數(shù)據(jù)。 設(shè)系統(tǒng)有 k 個(gè)用戶(hù)，第 k 個(gè)用戶(hù)發(fā)送的 THPPM 信號(hào)為： ( ) ( ) ( )[ / ]( ) ( )sk k ktr tr f j c j NjS t W t jT C T d???? ? ?? ? ? ?? （ 32） 式（ 32） 中， fT 和 cT 分別為幀持續(xù)時(shí)間和位持續(xù)時(shí)間 ， fT 一般在幾十 ns 到幾百 ns 16 之間， cT 一般在 之間， ? ?()kjC為第 k 個(gè)用戶(hù)的偽隨機(jī)序列，分布在 10 hN?? 之間， ? ?()kjC的周期為 pN ，定義 p p fT NT? ,它是 ()()ktrSt的周期， ? ?()kjd為用戶(hù)的信息位， ??z 表示取 z 的整敦部分， j 是幀號(hào)， ()trWt是發(fā)送的脈沖波形， ? 對(duì)應(yīng)于 2 進(jìn)制脈位調(diào)制，當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)為“ l”時(shí)，脈沖發(fā)送時(shí)間比調(diào)制數(shù)據(jù)為“ 0”時(shí)延遲 ? 秒，如果為“ 0”，則無(wú)時(shí)移。fT 一般遠(yuǎn)大于 cT ，且 chfNT T? ，保證每一幀只傳送一個(gè)脈沖波形。無(wú)調(diào)制數(shù)據(jù)的 ()()ktrSt的PSD 函數(shù) ()f? 為； 221( ) ( ) ( ) ( )DkPPkf f C f fTT?? ??? ? ?? ? ?? （ 33） 式（ 33） 中， ? ? 21 ()0( ) e x p 2 ( )PN kf n cnC f j f n T C T???? ? ?? 。 可見(jiàn)， ()()ktrSt在無(wú)調(diào)制數(shù)據(jù) 時(shí)存在離散譜線(xiàn)，譜線(xiàn)間隔是 1/PT ， 它的包絡(luò)是 2( ) ( )w f C f? ， 其中 ， ()wf 是信號(hào) ()trWt的能譜函數(shù)， ()Cf由跳時(shí)序列決定。 脈幅調(diào)制 PAM PAM 調(diào)制方式是 UWB 信號(hào)的一種典型波形調(diào)制方式。采用 PAM 方式調(diào)制信號(hào)時(shí)，信息直接觸發(fā)超寬帶脈沖信號(hào)發(fā)生器以產(chǎn)生超寬帶脈沖，數(shù)字信號(hào)“ l”驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)較大幅度的超寬帶脈沖，數(shù)字信號(hào) “ 0” 則驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)較小幅度 的超寬帶脈沖。