【文章內(nèi)容簡介】 UWB 系統(tǒng)不使用載波，無需功放、上下變頻及中頻處理單元，相比傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)更加簡單。一般來講， 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，在一些設計的較好的系統(tǒng)中甚至可以不用均衡器，其結(jié)構(gòu)將更為簡單， 所以， UWB 易于實現(xiàn)低成本和 集成化 。 圖 兩次變頻收發(fā)機（傳統(tǒng)方案） 圖 直接變頻收發(fā)機（改進型方案） 圖 直接中頻采樣收發(fā)機（軟件無線電方案） 圖 超寬帶 UWB 收發(fā)機 11 功率限制和輻射掩蔽 通常來說，超寬帶無線電信號是與其他的無線電信號同時存在的，因此，可能對其他通信系統(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最大允許功率，這個功率的值一般由輻射掩蔽 （ emission mask） 來確定。 由輻射掩蔽定的功率極限值是相對于有 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)射機的最大可用功率 TXP （ 即發(fā)射機能夠提供給天線的最大功率 ） 和發(fā)射天線增益 ATG 的乘積： TX ATEIRP P G? （ 22） 我們通常用 dBm來 表示 ElRP 的大小，即 10 lg EIRP mWatts。 如果發(fā)射機的輸出阻抗 oTXZ 與天線的輸出阻抗 ATZ 相匹配，即 *oTX ATZZ? ， 則滿足最大功率傳輸條件，即發(fā)射機的最大可用功率可以有效地傳遞到天線。 另外一種控制輻射功率的方法是對場強 SV 加以限制，場強是指傳播一定距離 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 時所需要的電壓值。 FSZ 跟自由空間的磁導率和介電常數(shù)有關(guān)，大約等于 377? （精確值為 120? )。通常， FSZ 與頻率無關(guān)。場強 (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。在二進制 IR 系統(tǒng)中，平均功率要在比特間隔 bT 內(nèi)進行計算。假設單個脈沖的能量為 PE ，則代表一個比特的所有脈沖的總能量為 SPNE ,在b S ST NT? 假設下的平均功率 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，不同的信號還是可以 通過改變脈沖的重復頻率而具有相同的平均功率 avP 。平均功率相同，脈沖重復頻率低的信號脈沖能量 12 PE 較大，也就是說，當脈沖持續(xù)時間相同時，對于平均功率相當?shù)男盘枺渥畲笏矔r功率卻可能有明顯的差別。 輻射掩蔽對輻射信號的功率譜密度加以限制，即對 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 。但一般來說，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 附近的測量帶寬（ mb）范圍內(nèi)的最大允許 EIRP。這個功率我們用 mbEIRP 表示，只有當傳輸信號的帶寬 B 等于測量帶寬 mb 時，該功率等于總的可允許 EIRP。對于帶寬大于測量帶寬 mb 的信號，最大允許 EIRP 等于 mbEIRP 值的總和，此處的 mbEIRP 由信號占用帶寬上的輻射掩蔽所確定。特殊情況下，如果整個帶寬 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? 的信號的最大容 許 EIRP 的正式定義。 目前， UWB 無線電通信中我們唯一可以的有關(guān)輻射掩蔽的標準是 由美國 FCC 制定的。對于室內(nèi) UWB 系統(tǒng)，掩蔽限制是針對 到 范圍內(nèi)的 10bB 帶寬，對于帶外的輻射掩蔽也有嚴格的限制。輻射掩蔽的具體值如圖 和表 。此外， FCC 制定的標準中還對中心頻率 cf 附近 50MHz 頻帶范圍內(nèi)輻射信號峰值給出了限制指標，這個極限值為0 /50dB MHz ，即對中心頻率 cf 附近 50MHz頻帶范圍內(nèi)計算的功率應限定在 0dBm內(nèi)。 圖 FCC 制定的室內(nèi) UWB 設備輻射掩蔽 [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 的標準 是 根據(jù)信號的單邊功率譜密度 ()MPf? 來制定的，一個頻率范圍在 LHff的信號的最大允許總功率 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)的廣泛應用 根據(jù)種種 UWB 的優(yōu)點 ， UWB 無線通信技術(shù)的主要功能包括無線和定位功能。進行高速無線通信 (速率在 100Mbps 以上 )時，傳輸距離比較近，一般在 1020 米左右；進行較低速率無線通信和定位時，傳輸距離可更遠。 UWB 技術(shù)，特別是采用無載波脈沖方式時，具有較強的透視功能，可以穿透數(shù)層墻壁進行通信、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，可達到 1020 厘米的精度。 根據(jù)上述的功能 ， UWB 技術(shù)可以應用于無線多媒體家域網(wǎng)、個域網(wǎng)， 雷達定位和成 14 像系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)，以及應用于軍事、公安、救援、醫(yī)療、測量等多個領(lǐng)域。 (1)無線多媒體家域網(wǎng) /個域網(wǎng) UWB 使用戶無需通過錯綜復雜的線路來連接家庭電腦 /手提電腦、 鍵 盤、顯示器、揚聲器、打印機、掃描儀、鼠標、電視等設備。借助 UWB， 用戶甚至沒必要將所有這些設備都安裝在同一個房間內(nèi)。用戶能通過 UWB 實現(xiàn)以下功能： ①無需使用電纜，即可建立家庭 影院，可將內(nèi)容傳輸?shù)椒课葜械娜魏我慌_電視機。 ②將圖像從數(shù)碼相機即時傳輸?shù)絺€人電腦 /手提電腦、電視或其他顯示設備上?？赡苄枰掌幚碓O施，對圖像進行處理和傳輸。 ③只要 MP3 播放器進入個人電腦 /手提電腦、家庭影院 MP3 服務器的覆蓋范圍，即可傳輸數(shù)兆的 MP3 音頻數(shù)據(jù)。 ④無需連接線路，即可連接視頻游戲控制臺、多個操作桿 /控制器和顯示設備。 ⑤向個人手持媒體播放器（ PMP）傳輸數(shù)字媒體文件，如完全長度的電影，只需幾秒時間即可完成，供用戶在旅途中欣賞。 ⑥無線連接多種工作設備，例如手提電腦、 PDA 和投影機，辦 公室人員能夠坐在會議室中，無線共享帶有圖像和音頻的演示。 (2)智能交通系統(tǒng) UWB 系統(tǒng)同時具有無線通信和定位的功能，可以方便地應用于智能交通系統(tǒng)中，為汽車防撞系統(tǒng)、智能收費系統(tǒng)、測速系統(tǒng)等提供高性能、低成本的解決方案。比如在汽車防撞系統(tǒng)中，裝在汽車上的 UWB 設備不斷地發(fā)射超短脈沖，測量本車和其它車輛之間的距離，其精度可以達到 1020 厘米。如果距離低于警界值， UWB 設備通知汽車內(nèi)的電腦系 統(tǒng)，采取相應的措施。 UWB 設備與電腦系統(tǒng)的連接可以是有線或無線的。 采 用無線連接，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)，特別是采用無載波脈沖方式的 UWB 系統(tǒng)，具有較強的穿透障礙物進行通信的功能，在軍事、消防、勘探等領(lǐng)域有著廣泛的用途。 2020 年 2 月，美國 TimeDomain公司推出了穿墻透視儀 Radar Vision 采用了 UWB 技術(shù)，可以透過 23 層一般的墻壁，探測 10 米范圍內(nèi)的物體，為警察、特種部隊士兵等制服藏匿在室內(nèi)的持槍 歹 徒提供了強有力的先進工具。在消防上， UWB 設備可用于搜救火場內(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 其它擴頻系統(tǒng)是依賴擴頻序列或跳時序列來產(chǎn)生寬帶信號，而是因為使用了納秒級脈沖從而占據(jù)了從直流到幾個 GHz的頻譜寬度．如此寬的帶寬，使 UWB 系統(tǒng)不同于窄帶無線通信系統(tǒng)，換句話說， UWB 系統(tǒng)是功率受限系統(tǒng)，而傳統(tǒng)窄帶無線通信系統(tǒng)是帶寬受限系統(tǒng)，這個根本區(qū)別使得 UWB 調(diào)制方案、糾錯編碼等有著自己的特點。 UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級脈沖串，脈沖寬度 m? 遠小于脈沖之間的平 均間隔且兩個脈沖之 間的間隔可以固定也可以時變。 通常 UWB 信號模型為： ( ) ( )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延。在現(xiàn)有的 UWB 系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式 主要有跳時脈位調(diào)制 THPPM、脈幅調(diào)制 PAM、二相調(diào)制 BPSK、開關(guān)鍵控 OOK、偽混沌跳時調(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。 跳時脈位調(diào)制 THPPM 跳時脈沖位置調(diào)制利用脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標準時刻一個特定的時間來表示一個特定的信息。采用跳時脈沖位置調(diào)制對長脈沖序列進行調(diào)制時，每一用戶的下一塊信息將在時間上隨機分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的信號功率分布，這使得 UWB 信號在頻域中類似于背景 噪 聲。典型的 THPPM 短脈沖的發(fā)送間隔受兩個參數(shù)控制，一個是偽隨序列，另一個是發(fā)送的數(shù)據(jù)。 設系統(tǒng)有 k 個用戶，第 k 個用戶發(fā)送的 THPPM 信號為： ( ) ( ) ( )[ / ]( ) ( )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)時間和位持續(xù)時間 ， fT 一般在幾十 ns 到幾百 ns 16 之間， cT 一般在 之間， ? ?()kjC為第 k 個用戶的偽隨機序列，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為用戶的信息位， ??z 表示取 z 的整敦部分， j 是幀號， ()trWt是發(fā)送的脈沖波形， ? 對應于 2 進制脈位調(diào)制，當調(diào)制數(shù)據(jù)為“ l”時，脈沖發(fā)送時間比調(diào)制數(shù)據(jù)為“ 0”時延遲 ? 秒，如果為“ 0”，則無時移。fT 一般遠大于 cT ，且 chfNT T? ，保證每一幀只傳送一個脈沖波形。無調(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， ()()ktrSt在無調(diào)制數(shù)據(jù) 時存在離散譜線，譜線間隔是 1/PT ， 它的包絡是 2( ) ( )w f C f? ， 其中 ， ()wf 是信號 ()trWt的能譜函數(shù)， ()Cf由跳時序列決定。 脈幅調(diào)制 PAM PAM 調(diào)制方式是 UWB 信號的一種典型波形調(diào)制方式。采用 PAM 方式調(diào)制信號時，信息直接觸發(fā)超寬帶脈沖信號發(fā)生器以產(chǎn)生超寬帶脈沖，數(shù)字信號“ l”驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生一個較大幅度的超寬帶脈沖，數(shù)字信號 “ 0” 則驅(qū)動信號發(fā)生器產(chǎn)生一個較小幅度 的超寬帶脈沖。