超寬帶通信技術及其應用

超寬帶通信技術及其應用

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

UWB技術是一種新型的無線通信技術。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發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點。

1 超寬帶信號及其特點

美聯邦通信委員會(FCC)規定：

部分帶寬號稱為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個用戶的發射信號，它是大量的具有不同時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，從該發射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈沖的起始時間為。仔細分析每個時移分量：

（1）相同時移的脈沖序列：形式的脈沖表示時間步長為Tf的單周期脈沖，其占空比極低，幀長或脈沖重復時間Tf(Frame Time)的典型值為單周期脈沖寬度的一百到一千倍。類似于ALOHA系統，這樣的脈沖序列極容易導致隨機碰撞。

(2)偽隨機跳時：為減少多址接人時的沖突，給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列，稱之為跳時碼，其周期為Np。跳時碼的每個碼元都是整數，且滿足。這樣跳時碼給每個脈沖附加了時移，第j個單周期脈沖的附加時移為秒。

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

由于跳時碼是周期為Np的周期序列，那也為Np周期序列，其周期為Tp=NpTf。跳時碼的另外一個作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。

(3)數據調制：第k個用戶發送的數據序列｛di(k)｝為二進制數據流。每個碼元傳輸Ns個單周期脈沖，這樣增加了信號的處理增益。

在這種調制方式下，一個符號(或碼元)的持續時間為Ts=NsTf。對于固定的脈沖重復時間Tf，二進制的符號速率Rs，為：

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