【正文】 30 致謝 本文工作是在 王曉娥 老師的悉心指導下完成的。 本文較全面地論述了超寬帶無線通信技術的基本理論與技術， 經(jīng)過翻閱大量的文獻資料并結合自己所做的工作，對該項技術的理論知識作了一次嘗試性的總結 。而且已不僅限于軍事方面的應用，自 2021 年2月美國聯(lián)邦通信委員會批準 UWB 技術用于民用產(chǎn)品的開發(fā)和研制， UWB 技術在 10m內家庭環(huán)境中和小型企業(yè)內部更能發(fā)揮它的優(yōu)勢 。無線電技術的飛速發(fā)展和無線電業(yè)務的廣泛應用，使有限的無線電頻率和衛(wèi)星軌道位置資源供需矛盾日益突出，如何解決頻率資源短缺，如何有效合理開發(fā)、利用無線電頻率資源，滿足國民經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展對無線電頻率資源日益增長的需求，已成為各國無線電主管部門面臨 的重要課題 。 謝遠生認為，無線電頻率資源和水、土地、礦藏等資源一樣，是關系經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，具有稀缺性和國家主權性。與移動通信的快速發(fā)展相輝映，寬帶無線接入技術也表現(xiàn)出空前的繁榮景象，雖然這種繁榮還主要表現(xiàn)在技術的研發(fā)和創(chuàng)新上。超寬帶應用于通信系統(tǒng)由很多優(yōu)點， 主要有：難于被監(jiān) 29 聽（ LPI/LPD）；與已有無線通信系統(tǒng)兼容（功率普密度極低，在高斯白噪聲以下）；其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（可以高達1Gbit/s）；全數(shù)字實現(xiàn)；功耗低。 UWB 論壇內推動DSUWB 版本的其他成員也展示了媒體 Blasters、無線家庭網(wǎng)絡和機頂盒等產(chǎn)品，所有產(chǎn)品都集成了脈沖的 DSUWB版本。 此外，數(shù)量眾多的模塊在展會上也引人注目，如 Global Sun 公司的 miniPCI 接口器件。 飛思卡爾的 DSUWB解決方案可廣泛應用于不同的無線產(chǎn)品之上，目前已銷售給全球的原始設備制造商（ OEM）客戶，并已為多家公司及廠商所采用，目前飛思卡爾的 XS110 方案已經(jīng)可提供高達 110Mpbs 的速度傳輸，而預計 660Mpbs 的速度傳輸解決方案 也會很快推出新產(chǎn)品 。 其 中，飛思卡爾半導體（ Freescale Semiconductor）展出了一款由其前母公司摩托羅拉設計的具備 UWB 功能的手機，這種手機能連接便攜式電腦，可從互聯(lián)網(wǎng)上下載 MP3 文件或手機所拍的照片 。 [2] XS110 芯片組可以應用于以下場合： （ 1） 多種無線 MPEG2 或 MPEG2HD 視頻流； （ 2） 無線快速以太網(wǎng)， USB2， 1394； （ 3） 用戶網(wǎng)關 /機頂盒向顯示器 /電視機的多條 數(shù)字視頻傳輸； （ 4） 數(shù)碼相機、 MP3 播放器、 PDA等的數(shù)字視頻 /音頻流； （ 5） 無線局域網(wǎng)（ ）產(chǎn)品的客戶端位置跟蹤。由這三個芯片實現(xiàn)的超寬帶收發(fā)信機，通過無線連接提供一個完全的端到端（ PeertoPeer） 的 WPAN/WLAN 28 解決方案，而且具有廉價、低功耗和數(shù)據(jù)率高等優(yōu)點。飛思卡爾的芯片組 — XS110，于 2021年 2 月獲得 FCC 原有 UWB 規(guī)則認證，該芯片使用 DSUWB 方案，每秒的數(shù)據(jù)傳輸率可達 110Mbit，可在 10m 的范圍內進行多條高清晰度視頻流傳輸。其中飛思卡爾半導體公司在 芯片的開發(fā)中領先。目前很多公司在進行超寬帶芯片的設計，比較著名的有：飛思卡爾（ Freescale） 公司、 Time Dpmain 公司等。這些天線都具有寬帶的電壓駐波比（ VSWR）。 （ 3） 抽樣速率提高 由于頻譜向高端搬移，這會影響到接受端的抽樣速率。 在有關文獻中指出，根據(jù)麥克斯韋方程，超寬帶天線對于超寬帶信號有下列影響： （ 1） 微分作用 如果用一個高斯脈沖激勵超 寬帶天線，那么無線將發(fā)射出一個單周期高斯脈沖（高斯信號的一次微分形式）。對于超寬帶信號的不同頻率分量，超寬帶天下的輻射特性是不一樣的。 超寬帶系統(tǒng)的天線在極寬的頻帶上很難一直都有很好的匹配阻抗。 超寬帶天線的發(fā)展 27 超寬帶技術的關鍵技術之一是天線設計。 [2] 第 6 章 UWB 的開發(fā)及發(fā)展前景 自 20 世紀 90 年代后期至今，由于超寬帶技術的成熟，各種規(guī)范的制訂，使得超寬帶從技術和法律上有可能進入廣闊的民用消費市場，超寬帶技術在最近幾年的發(fā)展很快，取得了不少成果。該調制方式第一次出現(xiàn)在 Intel 公司于 2021 年 3 月向 任務組提交的高速 WPAN 物理層方案中。而且由于各個國家已有的無線通信系統(tǒng)的頻段規(guī)定是不盡相 同的，為了超寬帶系統(tǒng)的通用性，需要使用可變的濾波器。另一個問題是和現(xiàn)在無線通信系統(tǒng)的兼容問題。 [2] UWB 的不足與改進 自從 2021 年 2 月，美國聯(lián)邦通信委 員會（ FCC）制訂了 關于民 用 UWB 產(chǎn) 品的技術規(guī)范之后，單頻段單脈沖方式不能很好地適應該規(guī)范，面臨兩大問題：一是頻譜不能充分利用所規(guī)定的矩形部分。在家庭無線網(wǎng)絡， UWB 良好的多媒體應用恰好彌補了它們的不足，三者更是可以相得益彰，共同發(fā)展。也就是說，對于 10 米以內的距離， UWB 可以發(fā)揮出高達數(shù)百 Mbit/s 的傳輸性能，對于遠距離應用 或 Home RF 無線 PAN的性能將強于 UWB。這種組網(wǎng)方式可以很容易擴充網(wǎng)絡規(guī)模，比較適合于企業(yè)使用。由于中心節(jié)點發(fā)射功率的限制，網(wǎng)絡信號覆蓋范圍比較小。 圖 55 LRWPAN的組成結構 [2] 星形網(wǎng)絡結構一般用于覆蓋范圍比較小的區(qū)域，如單個房間。 圖 54 家庭中使用 LRWPAN的例子 [2] LRWPAN 有兩種典型的網(wǎng)絡結構：星形和樹形。這類應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，在很多應用中還要求提供精確的距離或定位信息。這種低速無線個域網(wǎng)除了數(shù)據(jù)速率比較低外，還應該具有以下特點：短距離，一般在幾十米范圍內；結構簡單；體積小巧；電源效率高；便宜。 標準是無線個域網(wǎng)的一個分支標準，支持低速無線個域網(wǎng)（ Wireless Personal Area Network）。但是在生活中，我們并不總是隨時隨地需要高速的數(shù)據(jù)傳輸，比如，對冰箱、微波爐 、電燈、通風系統(tǒng)、熱水器等家用電器進行控制所需要的控制信息就很簡單。這些短距離高速傳輸方式可以支持包括圖像和視頻在內的多媒體傳輸。 工作組在 2021 年 11 月針對無線個域網(wǎng)的物理層建立了技術要求和選擇標準，見表 51。 （ 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，有利于接受機更有效地俘獲多徑信號的能量。其中主要的物理層采用時頻交 織的 正交頻分復用技術 （ TFIOFDM）方案。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、打印機等設備，如圖 53所示。 (3)多媒體會議應用 UWB 技術還可應用于會議室等場所。用戶甚至沒有必要將所有這些設備都放置在同一個桌面或房間內，每種設備可以被自由地移動位置。當前，電腦與各種外設之間通過錯綜 23 復雜的線路相互連接。圖 52 所示是 UWB 的典型應用，包括機頂盒、 DVD 和數(shù)碼攝像機與數(shù)字電視的無線連接，數(shù)碼照相機與電視機、打印機之間的連接等。利用 UWB 技術為這些設備提供高速無線連接，無需使用電纜即可建立家庭多媒體網(wǎng)絡。采用 UWB技術為這些設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)絡拓撲，既可以實現(xiàn)點對點連接，也可以實現(xiàn)多個設備互連。個人空間內的設備類型非常豐富，大體分為三大類：電腦及其外圍設備，包括個人 PC、大容量移動硬盤、打印機、掃描儀、顯示器、鍵盤、鼠標等；家用音視頻娛樂設備包括 DVD、 CD 播放機、數(shù)字電視機、數(shù)控音響等；便攜式終端，包括筆記本電 腦、個人數(shù)字助理 (PDA)、手機、攝像機、數(shù)碼相機、 MP3 等。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。 通常認為，短距離無線網(wǎng)絡主要是指無線局域網(wǎng) (WLAN)和無線個域網(wǎng) (WPAN)。由于超寬帶技術是利用每秒數(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 , 因此在雷達跟蹤、精確定位和無線通信等方面具有廣闊的應用前景。 UWB 技術憑借其自身的技術特點，在高、低速 WPAN 應用中都將成為有力的競爭者。 采用 ZigBee 技術作為物理層傳輸技術，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。其中， 采用藍牙 (Bluetooth)作為物理層傳輸技術，提供最高 1 Mb/s 的傳輸速率 和 10 m 的傳輸距離，適用于中低速無線連接。如圖 51 所示為 IEEE 工作組的關系圖。 （ 2） 無線城域網(wǎng)（ WMAN） 典型的如 IEEE ，這是一種固定無線寬帶接入系統(tǒng)，也經(jīng)常成為“最后一公里”（ Last Mile）接入，作為一種家庭用戶進入互聯(lián)網(wǎng)的方式，使有線方式（例如 ADSL）的有力競爭方案。 [2] 超寬帶與 IEEE 關于無線接入的標準可以大致分為下列 3 種。因此規(guī)定了這樣一個非常保守的標準值。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。 （ 3） 通信與測量系統(tǒng)（ Communications and Measurement System） : 如家電設備及便捷終端之間的無線數(shù)據(jù)通信等。這 3 個用途分別是： （ 1） 成像系統(tǒng)（ Imaging System）： 如地質勘探及可穿透障礙物的傳感器等，包括地面穿透雷達（ GPR）、墻內、穿墻和醫(yī)用成像、救生系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)等。 20 但 FCC 對可利用的帶寬和信號發(fā)射功率附加了若干限制。在 2021 年 5 月 11 日， FCC 發(fā)布了一個 NPRM，準備修改 Part15 條例，以便允許 UWB 技術的應用。 [2] FCC 關于 UWB 信號頻譜的規(guī)范 1998 年 9 月， FCC 就發(fā)布了 對在 FCCPART15 規(guī) 范（針對非故意發(fā)射體的規(guī)范）下應用超寬帶產(chǎn)品的可能性進行調查的文件，就超寬帶無線設備對原有窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業(yè)界的意見并委托相關機構進行評估。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，對導航系統(tǒng)的 安全造成威脅；對利用來自宇宙的微弱電波進行觀測的天文臺的干擾；對調幅和調頻廣播的影響；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。隨著窄帶通信的出現(xiàn)，各國的無線通信委 員會把無線頻段分成若干個窄信道，用于不同的無線通信設備，超寬帶的無線裝置一度被認為是非法的。 1890 年，莫爾斯根據(jù)這種放電無線裝置發(fā)明了無線電報。 [2] 圖 44 單用戶最佳接 收 機 [2] mnS? st n T? Y ( t ) dt???? 離散時間 檢測器 ? ? ? ?m s mP t nT h t?? 19 第 5章 UWB 技術的 標準化進程 及其 應用 UWB 信號的頻譜管理 規(guī)范 UWB 信號頻譜的必要性 從無線電的發(fā)明和發(fā)展過程看，無線通信是從超寬帶通信開始的。此接 收 機中假設 第 m 用 戶的信道是已知的，因此，采用最佳 接收時還需要進行信道估計。 [2] 接 收 機設計 由于用戶信號經(jīng)過多徑信道傳輸后仍然保持正交，我們可采用基于相關器（或匹配濾波器）的單用戶接 收 機結構，如圖 44 所示。窗函數(shù) ??t? ，決定了用戶頻譜組成的特征。單周期脈沖 ??gt，它限定了系統(tǒng)得頻譜寬度。 ??t? 的傅里葉變換頻譜表示為 ? ?Wf ，其帶寬近似為 1/ sT 。 [2] 波 UWB 的多址 針對不同用戶采用不同的頻帶，最常用的一種方式是采用頻分 多址（ FDMA） 系統(tǒng)，它將頻帶資源樹簇劃分后分配給不同的用戶。 以上結論說明，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。 根據(jù)偏移正交公式不難看出，如果 ()mpt和 ()npt的頻譜不存在交疊，則該條件得到滿足。 [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。 [2] 系統(tǒng)模型 假設一個包含 M 個用戶的異步通信系統(tǒng)，每個用戶的傳輸符號速率都相同，符號周期為 Ts 秒。最近，此技術已被擴展應用到超寬帶系統(tǒng)中。同時，多用戶檢測器的復雜度也十分可觀，采用最小均方誤差 （ MMSE）檢 測需要矩陣求逆運算，采用最大似 然（ ML）檢測也 要指數(shù)級的運算量。 [2] 其中 ? ?:0 N 1? ? ? ? ?1n r e c 1 f p w t jT n T?? ? ?? 1fmodT? 解 調輸出 脈沖 相關器 積分器 比較器