【正文】 柏老師淵博的知識、深刻的洞察力、豐富的實踐經(jīng)驗、嚴(yán)謹(jǐn)勤奮的工作作風(fēng)、平易近人的態(tài)度以及正直的人格魅力和要求我們不斷創(chuàng)新的風(fēng)格給我留下了深刻印象，使我在做人、做事方面受益匪淺，永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的楷模 !在此，謹(jǐn)向柏老師表示最誠摯的謝意和最崇高的敬意。在此次論文的完成過程中，自始至終受到柏宋老師的支持和幫助，從論文的選題到論文的成稿，無一不凝聚著柏老師的心血和關(guān)懷。當(dāng)然，作為一種新的民用技術(shù)， UWB 還有其不完善的地方，如輻射問題以及同其它設(shè)備（如 GPS） 共存等一系列問題還有待解決。家庭無線網(wǎng)絡(luò)將是 UWB 的主流市場，以 UWB 為物理基礎(chǔ)的傳感器網(wǎng)絡(luò) (sensor work)將成為未來泛網(wǎng) (Ubiquitous work)的重要組成部分。 通過對這 幾種常見的短距離無線通信數(shù)據(jù)傳輸方法的研究可知，超寬帶無線通信技術(shù) (UWB)在近距離無線傳輸方面優(yōu)于其它的無線通信技術(shù)。所以， UWB 處于獨領(lǐng)風(fēng)騷的地位。 29 市場調(diào)查公司 InStat/MDR 預(yù)測，從 20xx 年到 20xx 年， UWB 節(jié)點/芯片組的交貨量將會經(jīng)歷綜合年增長率超過百分之四百的新興市場增長。例如，袖珍 DVD 播放器可以將其內(nèi)容廣播到掛在墻上的平板顯示器上。 UWB 將宣告一個便利和自由的新時代。據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報公司在《關(guān)于 UWB 的預(yù)測和潛在市場應(yīng)用的報告》指出， 20xx 年全球配備 UWB 的電子設(shè)備和芯片的生產(chǎn)量將達(dá)到 4510 萬套，當(dāng)年的收益將達(dá)到 億美元。與藍(lán)牙、 、等無線通信相比， UWB 可以提供更快、更遠(yuǎn)、更寬的傳輸速率，越來越多的研究者投入到 UWB 領(lǐng)域，有的單純開發(fā) UWB 技術(shù)，有的開發(fā) UWB 應(yīng)有，有的兼而有之。與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比， UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達(dá) 1000Mbps以上的傳輸速率。從前面對 UWB 的技術(shù)特點來看， UWB 技術(shù)無疑是一個很好的選擇。舉例 來說，你儲存的視頻數(shù)據(jù)可以在 PC、DVD、 TV、 PDA 等設(shè)備上共享觀看，可以自由地同 Inter 交互信息，你可以遙控你的 PC，讓它控制你的信息家電，讓它們有條不紊地工作， 28 你也可以通過 Inter 聯(lián)機(jī)，用無線手柄結(jié)合音、像設(shè)備營造出逼真的虛擬游戲空間。 PC、 DVD、 DVR、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、 HDTV、PDA、數(shù)字機(jī)頂盒、 MD、 MP智能家電等等出現(xiàn)在普通家庭里，正是 “ 舊時王榭堂前燕，飛入平常百姓家 ”。 UWB 第二個重要應(yīng)用領(lǐng)域是家庭數(shù)字娛樂中心。目前其主要商業(yè)用途之一為路旁信息服 務(wù)系統(tǒng)。在建筑物內(nèi)部，由于墻壁和障礙物對信號的衰減作用，系統(tǒng)通信距離被限制在約 100m 以內(nèi)。此系統(tǒng)使用的是 UWB脈沖信號，其峰值功率為 4W，工作頻帶范圍為 ～，相對帶寬為 27%，符合 FCC 對 UWB 信號的定義。該系統(tǒng)由無線UWB 塔標(biāo)和無線 UWB 移動漫游器組成。下面對兩個重要應(yīng)用展開論述?？偟恼f來， UWB 的用途很多，主要分為軍用和民用兩個方面。此外，通過降低數(shù)據(jù)率提高應(yīng)用范圍，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點 。 ZigBee 具有功耗極低、 系統(tǒng)簡單、成本低、低等待時間 (Latency Time)和低數(shù)據(jù)速率的性質(zhì)，它非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。 HomeRF 技術(shù) 并 沒有完全公開，目前只有幾十家小企業(yè)支持，在抗干擾等方面相對應(yīng)其他技術(shù)而言尚有欠缺，因此它的應(yīng)用前景還不是十分明朗。就是說，對于 10m以內(nèi)的距離， ,UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百 bit/s的傳輸性能，對于遠(yuǎn)距離應(yīng)用 （ HomeRF）的性能將強(qiáng)于 UWB,但 UWB更多是應(yīng)用于 10m左右距離的室內(nèi)。 26 第四章 UWB在短距離無線通信技術(shù)中的展望 UWB 的優(yōu)勢 通過對上章的幾種 短距離無線通信技術(shù) 技術(shù)的分析， UWB技術(shù)優(yōu)勢較明顯， UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢 ,且 UWB具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、發(fā)射功率小等優(yōu)點 。 傳輸方式比較 以上幾種傳輸方式的總體比較如表 所示： 24 圖 幾種傳輸技術(shù)的比較 Bluetooth HomeRF UWB ZigBee IrDA 發(fā)起時間 1998 年 1998 年 1998 年 1998 年 1960 年 20xx 年 1993 年 傳輸速率 11Mbps 54Mbps 1Mbps 1~2Mbps 500Mbps 250kbps 16Mbps 通信距離 100m 10~100m 10m 50m 10m 10~75m 20cm~ 使用頻段 ~GHz 帶寬 11Mbps 54Mbps 1Mbps 1~2Mbps可增至11mbps 500Mbps ~ 1~4Mbps 功耗 高 高 低 高 最低 低 較低 應(yīng)用支持 數(shù)據(jù)、圖像 語音、數(shù)據(jù)、圖像 音頻、數(shù)據(jù) 語音 、數(shù)據(jù) 語音、數(shù)據(jù) 報警器 數(shù)據(jù) 應(yīng)用范圍 無線局域網(wǎng) 無線局域網(wǎng) 計算機(jī)家庭和辦公室設(shè)備互連 家庭語音和數(shù)據(jù)流 近距離多媒體 家庭控制和工業(yè)自動化 透明可見近距離范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸 終端類型 筆記本，臺式電腦，掌上電腦和因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 筆記本，臺式電腦，掌上電腦和因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 筆記本，移動電話，掌上電腦和移動設(shè)備 筆記本，無繩電話，無線音響，移動設(shè)備 無線電視， DVD,高速因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 傳感器，遙控器，監(jiān)控系統(tǒng) 筆記本，受機(jī)，打印機(jī) 25 通過對這幾種 短距離無線通信技術(shù) 技術(shù)的比較， UWB技術(shù)優(yōu)勢較明顯， UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢 。每個用戶分別使用一種或幾種特定的成形脈沖，調(diào)制方式可以是 BPSK、PPM 或 PWSK。 FHMA 通常與多帶脈沖調(diào)制或 OFDM 相結(jié)合，調(diào)制方式采用 BPSK 或正交移相鍵控 (QPSK)。原理上講，子信道數(shù)量越多則容納的用戶數(shù)量越大，但這是以犧牲設(shè)備復(fù)雜度和功耗為代價的。 (3)跳頻多址 跳頻多址 (FHMA)是結(jié)合多個頻分子信道使用的一種多址方式，每個用戶利用專用的隨機(jī)跳頻碼控制射頻頻率合成器，以一定的 跳頻圖案周期性地在若干個子信道上傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成。但由于用戶擴(kuò)頻序列之間存在互相關(guān)，遠(yuǎn)近效應(yīng)是限制其性能的重要因素。 (2)直擴(kuò) 碼分多址 直擴(kuò) 碼分多址 (DSCDMA)是 IS95和 3G移動蜂窩系統(tǒng)中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應(yīng)用于 UWB 系統(tǒng)。由于每個幀周期內(nèi)可分的碼片時隙數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)很大時必然產(chǎn)生多用戶干擾。 由于用戶跳時碼之間具有良好的正交性，多用戶脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。在每個碼片時隙內(nèi)可以采用 PPM 調(diào)制或 BPSK 調(diào)制。 UWB 多址技術(shù) (1)跳時多址 跳 時多址 (THMA)是最早應(yīng)用于 UWB 通信系統(tǒng)的多址技術(shù)，它可以方便地與 PPM 調(diào)制、 BPSK 調(diào)制相結(jié)合形成跳時 脈位調(diào)制 (THPPM)、跳時二進(jìn)制相移鍵控系統(tǒng)方案。在 OFDM 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號被調(diào)制在并行的多個正交子載波上傳輸，數(shù)據(jù)調(diào)制 /解調(diào)采用快速傅里葉變換 /逆快速傅里葉變換 (FFT/IFFT)實現(xiàn)。 FCC 對 UWB 的新定義拓廣了 UWB 的技術(shù)手段。因此，在實際系統(tǒng)中較少使用，目前僅限于理論研究。在符號速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于 MPAM。由于各種脈沖能量相等，因此可以在不增加輻射功率的情況下提高傳輸效率。在這種調(diào)制方式中 ，采用 M 個相互正交的等能量脈沖波形攜帶數(shù)據(jù)信息，每個脈沖波形與一個 M 進(jìn)制數(shù)據(jù)符號對應(yīng)。與 2PPM 相比，在輻射功率相同的前提下 BPSK 可以獲得更高的傳輸可靠性，且輻射譜中沒有離散譜線。 UWB 系統(tǒng)常用的 PAM 有兩種方式，開關(guān)鍵控 (OOK)和二進(jìn)制相移鍵控 (BPSK)。 (2)脈幅 調(diào)制 脈幅調(diào)制 (PAM)是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。但是，由于 PPM 信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。 PPM 的優(yōu)點在于：它僅需根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。接收機(jī)利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測。在部分重疊的 PPM 中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù) 峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在這種調(diào)制方式中，一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有 2 個或 M 個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應(yīng)。 UWB 調(diào)制技術(shù) (1)脈位調(diào)制 脈位調(diào)制 (PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。多址技術(shù)包括：跳時多址、跳頻多址、直擴(kuò)碼分多址、波分多址等。對于多址技術(shù)解決多個用戶共享信道的問題，合理的多址方案可以在減小用戶 21 間干擾的同時極大地提高多用戶容量。因此，PSWF 脈沖屬于無載波成形技術(shù)，有利于簡化收發(fā)信機(jī)復(fù)雜度。 PSWF 正交脈沖 PSWF 脈沖是一類近似的“時限 帶限”信號，在帶限信號分析中有非常理想的效果。這類脈沖波形是由 Hermite 多項式導(dǎo)出的。 20 圖 有載波修 正余弦脈沖 Hermite 正交脈沖 Hermite 脈沖是一類最早被提出用于高速 UWB 通信系統(tǒng)的正交脈沖成形方法。在許多 標(biāo)準(zhǔn)提案中采用了這種脈沖成形技術(shù)。通過調(diào)整載波頻率 cf 可以使信號頻譜在 ～ 范圍內(nèi)靈活移動。有 載波的成形脈沖可表示為： )0)(2c o s ()()( pc Tttftptw ??? ? () 其中 p(t)為持續(xù)時間為 pT 的基帶脈沖； cf 為載波頻率，即信號中心頻率。因此，傳統(tǒng)的用于有載波通信系統(tǒng)的信號成形方案均可移植到 UWB 系統(tǒng)中。圖 為典型的 2ns 高斯單周脈沖。 早期 UWB 系統(tǒng)采用 1 階、 2 階脈沖，信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz。各階脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。近年來，出現(xiàn)了許多行之有效的方法，如基于載波調(diào)制的成形技術(shù)、 Hermit 正交脈沖成形、橢圓球面波 (PSWF)正交脈沖成形等。早期的 UWB 系統(tǒng)采用納秒 /亞納秒級無載波高斯單周脈沖，信號頻譜集中于 2GHz 以下。通信系統(tǒng)的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于 g(t)的設(shè)計。 UWB 脈沖成形技術(shù) 任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息。收發(fā)信機(jī)不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制 /解調(diào)電路和濾波器。在實際的UWB 系統(tǒng)設(shè)計中，必須折衷考慮信號帶寬和接收機(jī)復(fù)雜度，得到理想的性價比。但 UWB 信號極高的多徑分辨力也導(dǎo)致信號能量產(chǎn)生嚴(yán)重的時間彌散 (頻率選擇性衰落 )，接收機(jī)必須通過犧牲復(fù)雜度 (增加分集重數(shù) )以捕獲足夠的信號能量。 在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而 UWB 信號可以將它們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并。極高的多徑分辨能力賦予UWB 信號高精度的測距、定位能力。 (4)多徑分辨能力強(qiáng)，定位精度高 由于 UWB 信號采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨能力都很強(qiáng)。因此， UWB 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)有著良好的共存性，這對提高日益緊張的無線頻譜資源的利用率是非常有利的