TM-UWB技術(shù)及其在無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)一般都是定頻通信系統(tǒng),要傳送的信息使用固定的帶寬,信號(hào)被調(diào)制到固定的頻帶上,然后在信道(無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)) 中傳送。在此信道中其他任何信號(hào)都將是對(duì)有用信號(hào)的干擾,所以具有這種特性的通信系統(tǒng)被稱(chēng)為是一種獨(dú)占信道的定頻通信系統(tǒng)。與此不同的是,超寬帶 (Ultra Wideband ,UWB) 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)或稱(chēng)瞬間脈沖無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)發(fā)射的無(wú)線(xiàn)信號(hào)并不專(zhuān)門(mén)占據(jù)固定帶寬,而是跨越很寬的無(wú)線(xiàn)頻譜(一般在1～10GHz 之間) ,且功率很低,與背景“噪聲”差不多,因而不會(huì)對(duì)工作于同一頻率的其他無(wú)線(xiàn)信號(hào)造成干擾。

UWB 通信系統(tǒng)有許多優(yōu)異的性能特點(diǎn),即信號(hào)的功率譜密度極低,UWB 系統(tǒng)發(fā)射的功耗比傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)所需功耗要低得多,可以用平均不足1mW的功率覆蓋數(shù)英里范圍內(nèi),甚至用低增益天線(xiàn)時(shí)也能正常工作。特別可貴的是對(duì)其它無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)具有低干擾特性和自身具有的強(qiáng)抗多徑干擾能力;實(shí)現(xiàn)起來(lái)比建造普通的擴(kuò)頻系統(tǒng)簡(jiǎn)單,成本低。正是由于上述特點(diǎn),使得UWB 通信技術(shù)在個(gè)人通信、樓內(nèi)通信、高速局域網(wǎng)、無(wú)繩電話(huà)、保安系統(tǒng)、近距離高精度定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 技術(shù)及其特性

TM-UWB 信號(hào)

在一般通信系統(tǒng)中, “寬帶信號(hào)”是指具有大的調(diào)制帶寬和高的數(shù)據(jù)傳輸率信號(hào)。而超寬帶信號(hào)是指發(fā)射信號(hào)的分?jǐn)?shù)帶寬(Fractional Bandwidths , FBW) (指信號(hào)帶寬B 與中心頻率f c 之比,即B/ f c) 大于0. 25 或25 %,它通常是通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制,從而獲得具有千兆赫茲(GHz) 量級(jí)帶寬的調(diào)制信號(hào),因而又稱(chēng)為“基帶信號(hào)”或“無(wú)載波信號(hào)”。它的帶寬很寬,頻譜常從直流延伸到GHz 量級(jí)。該信號(hào)具有高分辨率、高處理增益、低竊獲、信息含量大和能探測(cè)隱蔽目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。

TM-UWB 通信系統(tǒng)是一種嶄新的通信系統(tǒng),它能在傳輸媒介中以低功率、類(lèi)似噪聲的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)、話(huà)音甚至圖像。由于采用TM-UWB 技術(shù)發(fā)射的無(wú)線(xiàn)信號(hào)跨越很寬的無(wú)線(xiàn)頻譜,而功率譜密度又很低,與背景“噪聲”差不多,因而不會(huì)對(duì)工作于同一頻段的其它無(wú)線(xiàn)設(shè)備造成干擾。

傳輸波形的選取

一般而言,應(yīng)用TM-UWB 技術(shù)的通信系統(tǒng)發(fā)射的不是正弦波信號(hào),而是脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周超短時(shí)脈沖,一般工作脈寬為0. 2～1. 5ns ,重復(fù)周期為25～1 000ns。超短時(shí)單周脈沖決定了信號(hào)的帶寬很寬,這種系統(tǒng)常采用時(shí)間(脈沖位置) 調(diào)制來(lái)攜帶信息和進(jìn)行信道編碼。TM-UWB 通信系統(tǒng)接收機(jī)直接將收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成基帶數(shù)字或模擬輸出信號(hào),只用一級(jí)前端交叉相關(guān)器即可把電磁脈沖序列轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào),不用傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級(jí),大大地降低了通信系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性。一個(gè)比特信息通常被擴(kuò)展到多個(gè)單周超短時(shí)脈沖,接收機(jī)相關(guān)地綜合適當(dāng)?shù)拿}沖數(shù)目來(lái)恢復(fù)被發(fā)送的信息。

高斯單周超短時(shí)脈沖

在TM-UWB 射頻技術(shù)中最基本和最重要的任務(wù)就是首先要獲得實(shí)際應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)的高斯單周脈沖。圖1 顯示了一個(gè)典型高斯單周超短時(shí)脈沖(中心頻率為2GHz)的時(shí)域波形和頻域特性曲線(xiàn)。

高斯單周脈沖的時(shí)域和頻域數(shù)學(xué)模型可分別表示為

式中,A 為脈沖峰值幅度,τ是一個(gè)時(shí)間延遲長(zhǎng)度,此處等于脈沖持續(xù)時(shí)間, t 為時(shí)間, f 為頻率,由此可推出中心頻率f 0 = 1/τ,半功率帶寬Wb = f 0 ×116 %這樣可得到脈沖寬度為0. 5ns 的高斯單周脈沖,其中心頻率為2GHz ,半功率帶寬約為2GHz。

單周脈沖序列

TM-UWB 系統(tǒng)在實(shí)際通信中使用的是單周脈沖的長(zhǎng)序列,而不是單個(gè)單周脈沖。數(shù)據(jù)調(diào)制和信道編碼等都是通過(guò)改變脈沖序列的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖2 顯示了單周脈沖串的時(shí)域和頻域特性。由于時(shí)域信號(hào)規(guī)則的重復(fù)周期性引起頻譜的離散化,從而出現(xiàn)了強(qiáng)烈的能量尖峰,這些尖峰將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備和信號(hào)造成干擾,這是不期望出現(xiàn)的。

由于十分規(guī)則的時(shí)域脈沖序列將不會(huì)攜帶任何有用的信息,同時(shí)改變時(shí)域脈沖序列的規(guī)則周期性還可降低頻譜中出現(xiàn)的能量尖峰,因此在信息調(diào)制和信道編碼中常常采用時(shí)間調(diào)制(TM)技術(shù)或稱(chēng)為脈沖位置調(diào)制(Pulse Position Modulation ,PPM)技術(shù)。