超寬帶通信技術(shù)及其應用

摘要：超寬帶UWB(Ultra-Wide Bandwidth)脈沖通信(Impulse Radio)技術(shù)與其它通信技術(shù)有很大不同，它具有信號功率譜密度低、不易檢測、系統復雜度低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線(xiàn)接入和軍事通信。介紹了UWB系統的信號表示形式，分析了其特點(diǎn)，并介紹了超寬帶通信當前的研究及應用情況。

UWB技術(shù)是一種新型的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。它通過(guò)對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統復雜度低、能提供數厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

1 超寬帶信號及其特點(diǎn)

美聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)規定：

部分帶寬號稱(chēng)為UWB信號。其中，部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。圖1為UWB信號與窄寬信號功率譜密度的比較；UWB信號格式如圖2所示。

一種典型的脈位調制(PPM)方式的UWB信號形式[1],[2]為：

Str(k)(t)表示第k個(gè)用戶(hù)的發(fā)射信號，它是大量的具有不同時(shí)移的單周期脈沖之和。w(t)表示傳輸的單周期脈沖波形，可以為單周期高斯脈沖或其一階、二階微分脈沖，從該發(fā)射機時(shí)鐘的零時(shí)刻(t(k)=0)開(kāi)始。第j個(gè)脈沖的起始時(shí)間為。仔細分析每個(gè)時(shí)移分量：

（1）相同時(shí)移的脈沖序列：形式的脈沖表示時(shí)間步長(cháng)為T(mén)f的單周期脈沖，其占空比極低，幀長(cháng)或脈沖重復時(shí)間Tf(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類(lèi)似于A(yíng)LOHA系統，這樣的脈沖序列極容易導致隨機碰撞。

(2)偽隨機跳時(shí)：為減少多址接人時(shí)的沖突，給每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)特定的偽隨機序列，稱(chēng)之為跳時(shí)碼，其周期為Np。跳時(shí)碼的每個(gè)碼元都是整數，且滿(mǎn)足。這樣跳時(shí)碼給每個(gè)脈沖附加了時(shí)移，第j個(gè)單周期脈沖的附加時(shí)移為秒。

由于讀出單周期脈沖相關(guān)器的輸出要占用一定的時(shí)間，NhTc/Tf應嚴格小于1。然而如果NhTc太小，那么多個(gè)用戶(hù)接入時(shí)發(fā)生沖突的概率仍然會(huì )很大。相反，如果NhTc足夠大且跳時(shí)碼設計合理，就可以將多用戶(hù)干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信號。

由于跳時(shí)碼是周期為Np的周期序列，那也為Np周期序列，其周期為T(mén)p=NpTf。跳時(shí)碼的另外一個(gè)作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。

(3)數據調制：第k個(gè)用戶(hù)發(fā)送的數據序列｛di(k)｝為二進(jìn)制數據流。每個(gè)碼元傳輸Ns個(gè)單周期脈沖，這樣增加了信號的處理增益。

在這種調制方式下，一個(gè)符號(或碼元)的持續時(shí)間為T(mén)s=NsTf。對于固定的脈沖重復時(shí)間Tf，二進(jìn)制的符號速率Rs，為：

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