- 相關推薦
超寬帶UWB無線通信中的調制技術論文
超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)無線技術在無線電通信、雷達、跟蹤、精確定位、成像、武器控制等眾多領域具有廣闊的應用前景，因此被認為是未來幾年電信熱門技術之一。目前“超寬帶”的定義只是針對信號頻譜的相對帶寬(或絕對帶寬)而言，沒有界定的時域波形特征。因此，有多種方式產生超寬帶信號。其中，最典型的方法是利用納秒級的窄脈沖(又稱為沖激脈沖)的頻譜特性來實現。
1 UWB基本原理
FCC(美國通信委員會)對超寬帶系統的最新定義是：相對帶寬(在-10dB點處)(fH-fL)/fc>20%(fH，fL，fc分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率) 或者總帶寬BW> 500MHz。它與現有的無線電系統比較，在花費更小的制造成本的條件下，能夠做到更高的數據傳輸速率(100～500MbPs)、更強的抗干擾能力(處理增益50dB以上)，同時具有極好的抗多徑性能和十分精確的定位能力(精度在cm 以內)。
發射超寬帶(UWB)信號最常用和最傳統的方法是發射一種時域上很短(占空比低達0.5%)的沖激脈沖。這種傳輸技術稱為“沖擊無線電(IR)”。UWB-IR又被稱為基帶無載波無線電，因為它不像傳統通信系統中使用正弦波把信號調制到更高的載頻上，而是用基帶信號直接驅動天線輸出的;由信息數據對脈沖進行調制，同時，為了形成所產生信號的頻譜而用偽隨即序列對數據符號進行編碼。因此沖擊脈沖和調制技術就是超寬帶的兩大關鍵所在。
2 UWB的調制技術
超寬帶系統中信息數據對脈沖的調制方法可以有多種。脈沖位置調制(PPM) 和脈沖幅度調制(PAM)是UWB 最常用的兩種調制方式。通常UWB信號模型為：
(1)
其中，w (t) 表示發送的單周期脈沖，dj，tj分別表示單脈沖的幅度和時延。PAM是一種通過改變那些基于需傳輸數據的傳輸脈沖幅度的調制技術。在PAM調制系統中，一系列的脈沖幅度被用來代表需要傳輸的數據。任何形狀的脈沖都是通過其幅度調制使傳輸數據在{-1，+1}之間變化(對于雙極性信號)或在M個值之間變化(對于M 元PAM)。
采用脈沖幅度調制(PM)的超寬帶信號波形如下：
(2)
其中，dj是信息序列，Tf是脈沖重復周期。根據dj的不同取值，可將PAM調制方式分為以下三種：
(1)OOK(發送數據為1，UWB信號的幅度為1，發送數據為0 ，UWB 信號的幅度為0);
(2)PPAM(發送數據為1，UWB 信號的幅度為β1 ;發送數據為0 ，UWB 信號的幅度為β2);
(3)BPSK(發送數據為1 ，UWB 信號的幅度為1 ;發送數據為0 ，UWB 信號的幅度為- 1) 。
對于這三種方式，在超寬帶的PAM調制方式中多采用BPSK方式。
脈沖位置調制(PPM) 又稱時間調制(TM) ，是用每個脈沖出現的位置落后或超前某一標準或特定時刻來表示某個特定信息的。二進制PPM 是超寬帶無線通信系統經常使用的一種調制方法，相對其它調制方法來說也是較早使用的一種方法。采用PPM的一個重要原因是它能夠使用零相差的相關接收機來接收檢測信號，而這種接收機有著非常好的性能。圖1 給出了上述四種制方法的信號波形圖，對這四種調制方式給出了一個比較直觀的描述。
3 UWB 技術特點
由于UWB 與傳統通信系統相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點：
(1)系統容量大。香農公式給出C = Blog2 (1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的升高遠遠大于信號功率上升所帶來的效應，這一點也正是提出超寬帶技術的理論機理。超寬帶無線電系統用戶數量大大高于3G系統。
(2)高速的數據傳輸。UWB系統使用上GHz的超寬頻帶，根據香農信道容量公式，即使把發送信號功率密度控制得很低，也可以實現高的信息速率。一般情況下，其最大數據傳輸速度可以達到幾百Mbps～1Gbps。
(3)多徑分辨能力強。UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號在時間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，所以能充分利用發射信號的能量。實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～30dB 的多徑環境，UWB 信號的衰落最多不到5dB。
(4)隱蔽性好。因為UWB 的頻譜非常寬，能量密度非常低，因此信息傳輸安全性高。另一方面，由于能量密度低，UWB 設備對于其他設備的干擾就非常低。
(5)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，可在室內和地下進行精確定位，而GPS 定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達厘米級。
(6)抗干擾能力強。UWB 擴頻處理增益主要取決于脈沖的占空比和發送每個比特所用的脈沖數。UWB 的占空比一般為0.01～0.001 ，具有比其它擴頻系統高得多的處理增益，抗干擾能力強。一般來說，UWB 抗干擾處理增益在50dB 以上。
(7)低成本和低功耗。UWB 無線通信系統接收機沒有本振、功放、鎖相環(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器等， 因而結構簡單，設備成本將很低。由于UWB信號無需載波，而是使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB 系統只需要50～70mW的電源，是藍牙技術的十分之一。
4 UWB發射機和接收機組成框圖
1.UWB發射機
UWB發射機直接發送納秒級脈沖來傳輸數據而不需使用載波電路。所以，UWB發射機比現有無線發射設備要簡單得多。TH-UWB發射機組成框圖如圖2所示。
調制后的數據與偽碼產生器生成的偽碼一起送入可編程延遲電路，可編程延遲電路產生的時延控制脈沖信號發生器的發送時刻，脈沖信號發生器輸出的UWB信號由天線輻射出去。脈沖信號產生電路的一個關鍵部分是天線，它的作用相當于一個濾波器。
2.UWB接收機組成框圖
TH-UWB接收機采用相關接收方式，接收機框圖如圖3所示。圖3中虛線內的部分是相關器。它由乘法器、積分器和取樣/保持電路三部分組成。
接收機與發射機類似，兩者的區別在于接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調數據，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關器正確解調出數據。
5 UWB 技術的應用前景
UWB 系統在很低的功率譜密度的情況下，UWB具有巨大的數據傳輸速率優勢，最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率，使UWB 同其它短距離無線通信系統的技術優勢非常明顯�，F有的各種無線解決方案(例如：802.11 ，Bluetooth等) 的速率均低于100Mbit/s ，UWB 則在10m 左右的范圍之內打破了這一限制，UWB 的應用將使人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信因而變得更為方便。
無線通信已經迅速滲入我們的生活當中，對容量不斷增長的要求需要一種不對現有的通信系統造成影響的新的無線通信方案，超寬帶脈沖無線電系統正好滿足了這一要求。UWB 技術對于無線短距離的高速數據通信是非常有競爭力的，隨著研究的深入，憑借多方面的優勢，它將在很多領域占有一席之地。特別是短距離傳輸的后3G領域，UWB 將有廣闊的發展空間。
【超寬帶UWB無線通信中的調制技術論文】相關文章：
超寬帶無線通信調制技術的研究10-02
無線通信調制OFDM技術探索論文07-16
無線電技術寬帶無線通信論文09-20
藍牙無線通信技術在工程中的應用論文08-11
超寬帶（UWB）信號的時頻特性08-09
基于OFDM的UWB無線通信系統的研究09-05
淺談寬帶接入網絡的調制技術08-12
應急通信系統中無線通信技術研究論文07-10
智能交通系統中無線通信技術的應用論文06-12