超宽带无线通信技术研究

郭天赐

（河南大学欧亚国际学院，河南　开封　475001）



超宽带无线通信技术研究

郭天赐

（河南大学欧亚国际学院，河南开封475001）

摘要：本文对UWB（超宽带无线通信技术）的发展背景作出简单的介绍，并对一些用到的技术UWB波形及调制技术，需要解决的关键技术，UWB多址技术，以及数据传输的原理、波形的产生及信道和接受路线作出一定的分析与讨论。

关键词：UWB；无线个人局域网；多址技术；脉冲调制

超宽带无线通信技术（UWB）是使用一种持续时间较短的能量脉冲序列，然后再经过相关的正交频分调制，或者说直接排序把脉冲扩展到一定的频率范围之内的一种无载波无线通信互联技术。UWB的带宽非常宽，但是其频谱的功率密度相对来说又非常小，这就造就了UWB的另一特点，那就是扩频通信［1，2］。

UWB技术最初是被美国用来雷达技术开发的，用于雷达技术领域。2002年2月，美国联邦通信委员会（FCC），批准其使用频段范围在3.1～10.6GHz。自2002 年2月，UWB技术也开始被业界广泛关注起来。UWB的应用非常广泛，想一些服务类上如医疗应用和消费产品，还有就是在安全方面的应用也非常广泛，比如军事、航空安全方面等，都有独特的价值和广阔的前景。

UWB最主要的技术特点是传输速率高，其次就是结构简单、空间的容量相对大点、成本低、功耗低等。目前来说，UWB最有可能成为一种有效的技术手段，用来解决企业、一些公共场所等高速因特网接入的需求，还有就是拥挤的频率资源分配之间的矛盾［3］。

1　UWB接收机关键技术

超宽带信号在传输过程中有些因素很容易导致接收机信号的波形发生严重的失真现象，如大尺度路径损耗、阴影效应、小尺度多径衰落等因素都会影响到它。与此同时，其他一些因素也会影响信号，如多址技术干扰、窄带方面的干扰和背景噪声等。所以，必须解决以下一些关键技术，才能够进行进一步的研究与开发，一是接收机技术，二是同步技术，三是就信道估计。

1.1Rake接收机

UWB收发信机的结构相对来说要比那些传统的简单，因此UWB系统在家庭、办公室等这些环境中应用比较多，同时多径信道的最大时延可以达到200ns以上，可分辨多径数量与信号带宽是有一定关系的，它们之间是成正比的，通常情况下可以高达几十至上百条。

UWB信号有非常大的带宽，这就导致了收发天线和无线信道都将会引起较严重的信号波形失真，如果瑞克接收机相关器模板仍然采用理想的脉冲波形，系统的性能将会受到很大的影响和损失。相关估计和修正脉冲信号是接收机相关器模板中必不可少的两部分。换句话说，相关器模板通常就是实际测到的UWB信号脉冲波形［4］。

1.2定时同步技术

在数字通信系统中，同步定时都是最根本的任务。对传送的数据都是通过精确的同步算法来进行相关接收的。

定时同步在UWB通信系统中有非常重要的位置，因为在定时同步中定时偏差和抖动都会严重地影响到接收机的一些相关性能。一般定时同步分为连个阶段，一个是捕获，另一个是跟踪。在捕获过程中，接收机的主要作用就是需要快速地搜索到信号的到达时间，进而根据结果调整接收机的定时问题。至于同步跟踪的问题，接收机的另外一个主要作用就是对微小的定时偏差起到补偿和保持同步的作用［5］。

大体情况来讲，数据辅助的定时同步和盲定时同步在UWB系统中目前来说是最为重要的两大类。对于盲定时同步的作用就是用来定时捕获和跟踪的，其主要依据是内在的循环平稳这一特征。虽然这种方法效率问题上比数据辅助的同步方法上要高，但是在捕获速度这方面及同步性能上会稍有逊色。

无论是定时同步还是盲定时同步，其主要不同之处应该说是相关器模板和先验信息的之间的不同。突发式的包传递模式是高速无线个域网中经常采用的。

1.3信道估计技术

非相干检测在传统的数字通信系统中占据非常重要的位置，其定义是之相位之间没有任何的关系，如果采用它，接收机的复杂度非但可以简化掉，就连信道估计也可以省掉了。通常情况下，系统传输的可靠性和功率效率需要采用另一个方法，那就是采用相干检测，因此UWB接收技术中还存在的关键问题之一就是信道估计的一些问题。

信道的估计方法一般可以分为两大类，简单地先说数据辅助一类，另一类信道估计就应该是盲（Blind）信道估计了。对于前一种方法而言，其速度可以说估计较快，但是还存在的一个问题就是频谱利用率和功率利用率，工作原理是利用已知的训练符号进行估计。再来看盲信道估计就不一样了，它不需要训练符号就可以利用本身的结构特点或者是数据信息内在的统计特点来进行估计。但是，数据辅助的信道估计计算复杂度要高出很多，不仅如此，收敛速度也是相当慢的。

UWB的信道的变化速度相当慢，一般应用于房屋内，因为有时候已经可以看作是准静态了。数据辅助的估计方法对那种突发式的包传递模式来说是较为理想的一种方法，因为它估计信道不需要那么复杂，只需要插入一点训练符号即可，如果能够再配合判决反馈来提高精度就可以说得上更加完美了。

2　UWB多址技术

2.1TH-PPM多址方式

2.1.1TH-PPM UWB的信号波形。TH-PPM UWB制信号波形方程如下：

2.1.2接收信号处理。多址系统中，如果说有Nu个用户在同一时间工作的话，接收信号r(t)的方程为：

在多址系统中，如果说由很多个用户都在同一时间工作的话，上述判决准则就已经不再是最好的方式了，必须考虑到多用户干扰情况，使结构变得非常复杂。

2.2DS-CDMA的多址方式

2.2.1DS-CDMA UWB信号的波形。在单载波DSCDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号后还需要对载波进行调制。在UWB中存在很多的低频分量，但是想要解决这个问题也不难，其中频谱搬移就是一个很有效果的方式。

2.2.2接收信号的处理。DS-CDMA UWB的多址接收机用相干数据检测，采用相关器接受，其结构与TH/ PPM UWB接收机没有很大的差别，基本上是很类似的。有时候为了一些情况的分析显得更为简单方便，我们就假设接收机与发信机1传输的信号已经建立了同步。接收机框图如图1所示。

2.3PCTH UWB的多址技术

伪混沌跳时方式PCTH调制的数据，产生非周期的混沌编码，可以用其来替代TH-PPM中的伪随机序列及调制的数据，依次来控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生一些变化，这样PCTH不但能够减少对现有的无线通信系统的影响，而且还不容易被检测到。

如图2所示。在每个TF间隔时间内，只传输一个脉冲，而每个脉冲的位置可以是N=2M个离散时隙中的任何一个，M则是移位寄存器的长度。

3　结论

UWB（超宽带无线通信技术）直接用脉冲对信号进行调制，具有多方面的优点，如发射功率低，穿透能力高，多径分辨能力强，低功耗，处理增益高，系统容量大，传输速率高，便于多功能一体化，抗干扰能力强的优点。UWB已不仅仅局限于在军事方面的应用，UWB技术在10m内家庭环境中和小型企业内部更进一步地发挥了其优势。UWB和其他无线通信设备的兼容问题，则更需要我们作更多的努力，不断完善UWB实际应用效率，扩大其实际应用范围。

UWB也存在一些不足之处，一方面是频谱不能充分利用所规定的矩形部分，由于超宽带设备是一个功率受限的系统，将会影响到其覆盖范围；另一方面则是和现在无线通信系统的兼容问题，因为其占据广阔的频率范围，为了避免干扰，需要在单脉冲弹频段超宽带系统发射端增加滤波器来避免对传统无线系统的影响。总之，在今后的发展中改进不足，推进其得以广泛应用。

图1　DS-UWB多址接收机结构

图2　帧周期以及对应PPM调制的时隙示意图

参考文献：

［1］方旭明.短距离无线与移动通信网络［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［2］王金龙.无线超宽带（UWB）通信原理与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2005.

［3］邹卫霞，周正，张春青.UWB的调制与多址技术［J］.济南大学学报，2004，18（4）：319-321.

［4］刘丹谱.超宽带无线通信技术［J］.中兴通信技术，2005，10（3）：16-19.

［5］谢远生.信积极推动我国无线电技术应用发展［J］.2005 （11）：6-7.

中图分类号：TN925

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）01-0060-03

收稿日期：2015-12-20

作者简介：郭天赐（1995-），男，本科在读，研究方向：通信工程。

Uwb Wireless Communication Technology Research

Guo Tianci
（Eurasia International College,Henan University，Kaifeng Henan 475001）

Abstract:This paper briefly introduced the development background of the UWB(ultra wideband)wireless communi⁃cation technology,and discussed the technology used for some technical UWB waveform and modulation technology, solving the key technology,UWB multiple access technology,and the principle of data transmission,waveform,and routes of the channel and accept.

Keywords:UWB；wireless personal area network；multiple access technology；pulse modulation