【正文】 內(nèi)。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。UWB發(fā)出的脈沖電波直接按照0或1發(fā)送出去。UWB技術(shù)之所以成為無線通信領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一，是由用戶需求和UWB技術(shù)的性能特點共同決定的。需要分配有效信道給多個用戶以獲得高系統(tǒng)容量，對于高質(zhì)量的通信，這一點必須做到，并且必須保證不導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。UWB接收機的研究與開發(fā)需要解決如下的關(guān)鍵技術(shù)：（1） 接收機技術(shù) UWB脈沖信號具有天然的多徑分辨能力，因此可以采用瑞克接收技術(shù)對抗多徑信道引起的時間彌散。（3） 信道估計 為了保證系統(tǒng)傳輸可靠性和功率效率。自此，此項技術(shù)開始引起業(yè)界廣泛關(guān)注。 隨著因特網(wǎng)、多媒體和無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分，人們對實現(xiàn)高速率、高質(zhì)量無線多媒體業(yè)務(wù)的需求越來越迫切，便攜式電子設(shè)備與因特網(wǎng)之間的短距離高速無線通信已成為未來通信技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。第1章 UWB技術(shù)背景 UWB技術(shù)的歷史對超寬帶（UWB，UltraWideband）無限技術(shù)（簡稱UWB技術(shù)）的起源眾說紛紜，從目前的學(xué)者研究工作來看大約可以追溯到20世紀50年代末和60年代初。其實，概念很簡單，就是使用所謂的沖擊響應(yīng)h(t)沖擊激勵來表征一個線性時變系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)（幅值與相位值相對于頻率值）方法。從此，超寬帶技術(shù)有了快速的發(fā)展。1973年，Sperry獲得了第一個UWB通信技術(shù)的專利。1989年，美國國防部采用“超寬帶”這一術(shù)語之后，才被業(yè)界沿用下來。在美國，UWB早期的研究工作主要限制在軍方，大約在20世紀90年代中期以后，才取消了這種分級限制。這一條例的頒布直接促進了基于UWB技術(shù)的通信系統(tǒng)的研發(fā)，給短距離高速無線通信系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。[1] ？UWB的核心是沖擊無線電技術(shù)，即用持續(xù)時間非常短（亞納秒級）的脈沖波形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸系統(tǒng)的持續(xù)波形。美國FCC對于UWB的定義為： （或者總帶寬為500MHz） （12）式中，、分別為功率較峰值功率下降10dB時所對應(yīng)的高端頻率和低端頻率，為載波頻率或中心頻率。如圖11所示, UWB與其他技術(shù)的產(chǎn)品存在同頻和鄰頻干擾問題。如圖12所示為在FCC條例下第15部分所規(guī)定使用的頻譜限界。[1])dBm/MHz(輻射功率EIRP 頻率（GHz）室內(nèi)室外圖12 FCC對UWB通信與測量系統(tǒng)的限界規(guī)定[1]UWB與“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)有兩點主要區(qū)別：第一,FCC定義的UWB的帶寬大于其中心頻率的20%或至少500MHz的帶寬。 （13）式中為高端10dB下降點，為低端10dB下降點。顯然，UWB的帶寬要遠遠大于目前各類系統(tǒng)的帶寬；第二，UWB技術(shù)主要是采用無載波方式來實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)均采用單頻載波或多頻載波對信號進行調(diào)制，即將信號的基帶頻譜搬移到所工作的載波頻譜上。脈沖越窄，頻譜越寬。如何提高傳輸系統(tǒng)的容量是人們特別關(guān)注的問題之一。香農(nóng)容量極限可用公式表示： （14）式中：C=信道容量（bit/s）；BW=信道帶寬；SNR=P/BWN，信噪比；P=所接受的信號功率；N=噪聲功率譜密度（W/Hz）。顯然UWB技術(shù)可以在極低的發(fā)射功率下傳輸非常高的數(shù)據(jù)數(shù)率。為了便于對比，體現(xiàn)UWB技術(shù)的綜合優(yōu)勢，附表列出了目前短距離無線通信鄰域一些主流標準和UWB技術(shù)的特點。如圖13所示，盡管FCC對UWB的帶內(nèi)功率和帶外功率作了嚴格的限制，但是他對同一個頻譜和相鄰頻譜的其他設(shè)備的干擾卻是依然存在的?？臻g容量定義為單位面積信號覆蓋區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的吞吐量。作為對比，下圖繪出了幾種短距離通信技術(shù)的空間容量。[1]50010000藍牙2版？831藍牙1版30？1000超寬帶圖14 各種短距離通信系統(tǒng)得空間容量[1]第2章 UWB波形及調(diào)制技術(shù) 超寬帶波形 UWB信號模型UWB 系統(tǒng)發(fā)送的是納秒級脈沖串,脈沖寬度Tm 遠小于脈沖之間的平均間隔Tf ,兩個脈沖之間的間隔可以固定也可以時變。[2] 高斯脈沖信號最簡單、最通用的超寬帶波形是單周期（Monocycle）脈沖信號，只所以稱它為單周期脈沖是因為這種波形只有一個脈沖周期，通常是高斯脈沖或其微分形式。[2]高斯脈沖信號的表達如下： （22）其中，是表示形成的參數(shù)，和脈沖寬度有關(guān)。高斯脈沖的譜密度函數(shù)如下： （24）它的功率譜密度如下： （25）相應(yīng)的高斯脈沖的各次微分的功率密度的公式如下： （26）如圖21所示為0～3次微分的高斯脈沖的波形和功率譜示意圖。如何確定脈沖的寬度，在不同應(yīng)用場合有不同的要求，一般進行理論分析時，%脈沖能量的區(qū)間作為脈沖寬度。其表達式為： （27） 其中，T是正弦波的周期，u(t)是階躍信號，對于整數(shù)的N，脈沖信號的傅里葉變換式為： （28）可見，這種信號的頻譜以正弦波頻率為中心，并且主瓣寬度和正弦波周期數(shù)N成反比，當N4的時候，這種信號轉(zhuǎn)化為窄帶信號。[2] 脈沖調(diào)制方式 脈沖幅度調(diào)制（PAM）脈幅調(diào)制PAM是UWB信號的一種典型波形,其模型為: (29)其中, 是信息序列，是脈沖重復(fù)周期。 由此可見,PAM信號的功率譜密度由連續(xù)譜與離散譜兩部分組成。于是離散譜的存在就會導(dǎo)致UWB 的總發(fā)射功率下降,所以應(yīng)盡可能減小離散譜,最好使之為零。 根據(jù)dj 的不同取值,可將PAM調(diào)制方式分為以下幾種:(1)OOK（開關(guān)鍵控）發(fā)送數(shù)據(jù)為1 時,UWB 信號的幅度為: = 1，發(fā)送數(shù)據(jù)為0 時,UWB 信號的幅度為: = 0 。且0 β2 β1 。這三種方式中只有BPSK方式的為0 ,故UWB的PAM調(diào)制方式多采用BPSK方式。在SK調(diào)制中，每個發(fā)送符號由許多脈沖組成，每個脈沖用不同頻帶發(fā)送，信息以不同頻率的發(fā)送順序編碼在符號中。這樣，將減少同頻帶多徑信號的影響。[2]第3章 UWB接收機關(guān)鍵技術(shù)超寬帶的信號傳輸受到大尺度路徑損耗、陰影效應(yīng)、小尺度多徑衰落等因素的影響，因此，到達接收機的信號波形存在嚴重的失真；同時，信號還可能受到多址干擾、窄帶干擾和背景噪聲的影響。 Rake接收機UWB系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為家庭、辦公室等室內(nèi)密集多徑環(huán)境，多徑信道的最大時延擴展達200 ns以上，可分辨多徑數(shù)量與信號帶寬成正比，通常高達幾十至上百條。UWB脈沖信號具有天然的多徑分辨能力，因此可以采用瑞克接收技術(shù)對抗多徑信道引起的時間彌散。若瑞克接收機仍然采用理想的脈沖波形作為相關(guān)器模板，系統(tǒng)性能將有很大的損失。一種較為實用的方法是將實測得到的UWB脈沖波形作為相關(guān)器模板?？紤]這樣一個抽頭延遲線模型，其最大附和時延。當信道為頻率選擇性衰落信道時，對于發(fā)信號的寬帶特性，收信號r(t)具有內(nèi)在的多徑分集。各相關(guān)器輸出的合并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、選擇式合并等。[2]線性合并 “0”或“1”圖 31 Rake接收機框圖[2] 定時同步技術(shù)同步定時對于任何數(shù)字通信系統(tǒng)來說都是根本的任務(wù)。定時同步是UWB通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題，定時偏差和抖動將嚴重影響接收機性能。在捕獲階段，要求接收機快速搜索信號到達時間，并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機定時。UWB信道的密集多徑特征進一步增加了定時同步的可靠性。數(shù)據(jù)輔助的同步方法借助于事先設(shè)計的導(dǎo)符號訓(xùn)練序列進行定時捕獲和跟蹤，采用的訓(xùn)練序列有M序列、Gold序列、巴克碼等。這類同步方法的優(yōu)點在于捕獲速度較快、跟蹤精度高，但在系統(tǒng)帶寬效率和功率效率上付出較大的代價。這種方法在系統(tǒng)帶寬效率上高于數(shù)據(jù)輔助的同步方法，但捕獲速度和同步性能會有所下降。在高速無線個域網(wǎng)(WPAN)等無線網(wǎng)絡(luò)中，一般采用突發(fā)式的包傳遞模式。盲同步方法結(jié)合串行搜索比較適合于低成本、低功耗的低速網(wǎng)絡(luò)。但非相干檢測比相干檢測有高達3 dB左右的性能損失，這對功率受限系統(tǒng)尤其難以接收。在基于脈沖的UWB系統(tǒng)中，采用瑞克接收機合并多徑信號能量并進行相干檢測，信道估計問題即估計多徑信號的到達時間和幅度。UWB信道是典型的頻率選擇性衰落信道，在時域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)出多徑成簇到達的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)輔助的信道估計方法利用已知的訓(xùn)練符號進行信道估計，具有估計速度快的特點，但在頻譜利用率和功率利用率上付出一定代價。UWB系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為室內(nèi)，與數(shù)據(jù)傳輸速率相比，信道的變化速度非常慢，可以看作準靜態(tài)。盲信道估計則比較適合于連續(xù)傳輸模式的網(wǎng)絡(luò)。 典型的THPPM UWB 制信號波形如下： （41）其中，表示發(fā)送的單周期脈沖波形，上標（k）表示第k個發(fā)送用戶。（1） 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)時間，典型的值約為單周期脈沖寬度的幾百倍或幾千倍。（2） 偽隨機跳時碼：為了減少多址通信中的碰撞概率，每個用戶指定一個特定的脈沖偏移模式，稱之為跳時碼。跳時碼的另一功能體現(xiàn)在將間隔為的譜密度變?yōu)殚g隔為的線譜密度，從而降低了功率譜密度。 [2]在多址系統(tǒng)中，當Nu個用戶同時工作時，接收信號r(t)表示為： （42）其中，Ak表示發(fā)射機k的信號經(jīng)路徑傳輸后到達接收機的衰減；表示收發(fā)信機的時間延遲；n(t)表示加性高斯白噪聲。接收機的原理圖如圖41所示。用單載波DSCDMA方案通過頻譜搬移解決無載波UWB存在較多低頻分量問題。則有Tf=NcTc。 [2] 接收信號處理DSCDMA UWB 的多址接收機結(jié)構(gòu)與TH/PPM UWB接收機類似，也是基于假設(shè)檢驗理論的相干數(shù)據(jù)檢測，采用相關(guān)器進行接收。接收機框圖如圖42所示：[2]其中解調(diào)輸出脈沖相關(guān)器積分器比較器碼延時模版幀時鐘同步鏈路選擇 圖 42 DSUWB 多址接收機結(jié)構(gòu) [2] PCTH UWB 多址技術(shù)偽混沌跳時方式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中的偽隨機序列和調(diào)制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時刻，使信號的頻譜發(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。在每個間隔內(nèi)，只傳輸一個脈沖，每個脈沖的位置可以是個離散時隙中的任一個，M即移位寄存器的長度。 圖 43 幀周期以及對應(yīng)PPM調(diào)制的時隙示意圖[2]PCTH接收機包含一個脈沖相關(guān)器、脈沖位置解調(diào)（PPD）與檢測器。[2] 多載波超寬帶多址技術(shù) 幾種多址技術(shù)比較在超寬帶多用戶通信系統(tǒng)中，最常見的THPPM多址技術(shù)和DS—CDMA多址技術(shù)等，都是建立在擴頻碼和隨機信道的統(tǒng)計特性基礎(chǔ)上進行用戶分離，把多址干擾看成了一種加性高斯噪聲。同時，多用戶檢測器的復(fù)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。最近，此技術(shù)已被擴展應(yīng)用到超寬帶系統(tǒng)中。[2] 系統(tǒng)模型假設(shè)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。[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。根據(jù)偏移正交公式不難看出，如果和的頻譜不存在交疊，則該條件得到滿足。以上結(jié)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，則用戶發(fā)送信號的頻譜必須占用不同的頻帶，即頻譜互不重疊。[2]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。 的傅里葉變換頻譜表示為，其帶寬近似為1/。單周期脈沖，它限定了系統(tǒng)得頻譜寬度。窗函數(shù)，決定了用戶頻譜組成的特征。[2] 接收機設(shè)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(guān)器（或匹配濾波器）的單用戶接收機結(jié)構(gòu)，如圖44所示。此接收機中假設(shè)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]圖 44 單用戶最佳接收機[2]第5章 UWB技術(shù)的標準化進程及其應(yīng)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。1890年，莫爾斯根據(jù)這種放電無線裝置發(fā)明了無線電報。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(shè)備，超寬帶的無線裝置一度被認為是非法的。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(dǎo)航系統(tǒng)的安