UWB技術(shù)分析及應(yīng)用

摘要　超寬帶（UWB）無線技術(shù)是一種使用1GHz以上帶寬的先進(jìn)的無線通信技術(shù)，IEEE802委員會(huì)也已將UWB作為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的基礎(chǔ)技術(shù)候選對象來探討，可以預(yù)見該技術(shù)在即將繁榮的B3G市場中得到廣泛應(yīng)用。文章對UWB技術(shù)的系統(tǒng)模型、關(guān)鍵技術(shù)作了簡單論述，對于UWB技術(shù)的應(yīng)用及挑戰(zhàn)作了簡要介紹。

1、UWB技術(shù)的發(fā)展

超寬帶（UWB）無線技術(shù)是一種使用1GHz以上帶寬的先進(jìn)的無線通信技術(shù)。雖然是無線通信，但其通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。作為室內(nèi)通信用途，2002年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）已經(jīng)將3.1G～10.6GHz頻帶向UWB通信開放；IEEE802委員會(huì)也已將UWB作為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的基礎(chǔ)技術(shù)候選對象來探討。

UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了其以下優(yōu)勢：a）易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等共用頻段，大大提高了頻譜利用率。b）易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信。c）對多徑衰落具有魯棒性。

適合UWB技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方案主要包括：高速無線個(gè)域網(wǎng)、無線以太接口鏈路、智能無線局域網(wǎng)、戶外對等網(wǎng)絡(luò)、傳感、定位和識別網(wǎng)絡(luò)。

目前國際上占主要地位的UWB設(shè)計(jì)方案主要有直接序列DS-UWB方案和多載波OFDM-UWB方案。DS-UWB是基于脈沖的UWB方案，發(fā)射信號占用整個(gè)1.7GHz的頻段；OFDM-UWB是基于多載波的UWB方案，采用OFDM技術(shù)傳輸子帶信息。

現(xiàn)在缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)限制了UWB的發(fā)展，以英特爾和摩托羅拉為首的兩派各自提出了UWB的標(biāo)準(zhǔn)草案，IEEE尚未決定采用哪家的草案作標(biāo)準(zhǔn)。

2、UWB無線傳輸系統(tǒng)模型

由于現(xiàn)在還沒有形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，UWB系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方式，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)在不斷提交不同的標(biāo)準(zhǔn)提案。不管怎樣，UWB無線傳輸系統(tǒng)的基本模型如圖1所示。

圖1　UWB系統(tǒng)基本模型

可以看出，該模型與普通的數(shù)字通信系統(tǒng)具有明顯差別，主要體現(xiàn)在UWB系統(tǒng)沒有了射頻調(diào)制模塊，信道編解碼也變得相當(dāng)簡單，所以整個(gè)系統(tǒng)非常簡單，成本也很低。

圖2和圖3則描述了一個(gè)跳時(shí)UWB系統(tǒng)（TH-UWB）的典型收、發(fā)機(jī)模型[1]。

在圖2中，輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)流多路分解為約110Mbit/s的子數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)子流由碼率1/2卷積編碼。然后這些數(shù)據(jù)流用來調(diào)制由脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的時(shí)間偏移脈沖的相位（相當(dāng)于BPSK）。同時(shí)時(shí)間偏移脈沖的相位也由偽隨機(jī)序列調(diào)制。在該系統(tǒng)中利用了脈沖序列“不規(guī)則極性”性質(zhì)來削減頻譜的振幅，以在滿足FCC的頻譜要求的同時(shí)提高總發(fā)射功率。

圖2　TH-UWB發(fā)射機(jī)模型

圖3為接收機(jī)模型。在接收機(jī)中利用已知的訓(xùn)練序列用來獲取定時(shí)信息，然后進(jìn)行信道估計(jì)，以確定RAKE接收機(jī)和均衡器的系數(shù)。

圖3　TH-UWB接收機(jī)模型

3、UWB無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

對UWB技術(shù)的研究主要圍繞以下幾方面展開：可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)、傳播特性與信道模型、調(diào)制技術(shù)、多址技術(shù)、信號檢測技術(shù)、天線技術(shù)等。本文僅就窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)和天線技術(shù)展開論述。

3.1　可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)

UWB系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴于脈沖信號功率譜密度的平坦性和功率譜覆蓋范圍，而功率譜的形狀又取決于脈沖信號的形狀。因此，脈沖信號的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生顯得尤為重要。

為了使發(fā)射天線高效輻射功率，在UWB-IR通信系統(tǒng)中所用的脈沖必須具有一個(gè)特征，即脈沖的直流分量為零。假設(shè)UWB脈沖時(shí)域波形及其頻譜分為x（t）、X（f），根據(jù)Parseval定理應(yīng)有[2]：

（1）

現(xiàn)在UWB脈沖用的最多的是高斯單循環(huán)脈沖，雖然高斯脈沖并不是最佳的信號（不滿足（1）式），但是由于其很容易產(chǎn)生，所以并不影響其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。單循環(huán)脈沖是寬帶信號，中心頻率和帶寬完全取決于脈沖寬度。高斯單循環(huán)脈沖的時(shí)域表達(dá)式為：

（2）

式中：T為脈沖寬度。

高斯單循環(huán)脈沖的頻域表達(dá)式為：

V（f）=-j×f×T2×exp（-f2T2）�。�3）

傳統(tǒng)的UWB脈沖形成方案是采用分立元件，如階躍恢復(fù)二極管（SRD）、扼流圈，這些器件的問題在于難以集成化。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件在集成度上顯然是很好的選擇，現(xiàn)在基于CMOS的集成UWB芯片也已經(jīng)問世。

一種獲得UWB窄脈沖的簡單方法是采用振蕩器產(chǎn)生門脈沖[3]，振蕩器的中心頻率決定了脈沖的中心頻率和門脈沖持續(xù)時(shí)間。這種方法的問題在于，產(chǎn)生的是矩形脈沖，必須濾除旁瓣。還有一種三角波對上述矩形脈沖調(diào)制的電路，這種脈沖旁瓣衰減系數(shù)達(dá)20dB。

3.2　寬帶天線技術(shù)

天線是任何無線系統(tǒng)物理層的重要組成部分，適合UWB應(yīng)用的天線理論的發(fā)展是必要而且重要的。然而，通常的天線頻域分析證明任何標(biāo)準(zhǔn)的天線都是受帶寬限制的，這意味著UWB的短脈沖波形在信道中必然遭受畸變。而所謂的不受頻率限制的天線也是在假設(shè)其天線幾何特性的理想性下，只具有理論意義。由于超寬帶信號占據(jù)極寬的頻帶，必須考慮兼顧不同頻率的信號，對天線的設(shè)計(jì)方法不能用窄帶天線設(shè)計(jì)方法�，F(xiàn)在UWB天線設(shè)計(jì)還處于研究階段，沒有形成有效的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型。

對于不同的頻率，天線有不同的輻射特性，超寬帶天線在很寬的頻帶上很難有一致的好的匹配阻抗。寬帶天線對輻射信號的影響如下：a）微分作用：如果用一個(gè)高斯脈沖激勵(lì)寬帶天線，那么將輻射出一個(gè)單周期的高斯一次微分信號。b）頻譜搬移作用：由于微分作用的結(jié)果，傳輸信號的頻譜將向中心頻率更高的頻譜搬移。c）抽樣速率提高：由于頻譜向高頻率搬移，將會(huì)影響到收端的抽樣速率。

UWB天線通常有：單極、雙極、電磁環(huán)、等角螺旋、螺旋、碟-錐形等。這些天線都具有寬帶的電壓駐波比（VSWR）。

參考資料[4]介紹了一種微帶縫隙天線，尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示，該種天線具有緊湊的尺寸，良好的輻射特性。

圖4　微帶縫隙天線結(jié)構(gòu)示意圖

對于不同的W和S尺寸，天線具有不同的特性。典型的參數(shù)取值見表1。

表1　天線尺寸選擇

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)通過仿真[4]，可以看出，雖然在H面的高頻部分有一定偏差，但這種結(jié)構(gòu)天線在很寬的頻域（從低頻到10GHz以上）還是具有較一致的輻射特性。這種天線在寬頻帶內(nèi)具有較好的增益，在W=0.8mm時(shí)，VSWR＜2.2（S11＜-8.5dB）�？梢�，該天線對超寬帶信號具有良好的輻射特性。

4、結(jié)束語

雖然UWB在短距離的無線通信領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景，但目前國際上尚未確立統(tǒng)一的UWB商用體制標(biāo)準(zhǔn)，具體問題在于：

a）缺少確保UWB和其它系統(tǒng)共存的明確規(guī)定。由于UWB發(fā)射的寬帶特性，它必然和同一頻帶內(nèi)的其它窄帶系統(tǒng)發(fā)生互相干擾。影響UWB對其它系統(tǒng)影響的因素很多，如：發(fā)射功率、設(shè)備間的隔離、信道傳播特性、調(diào)制技術(shù)、發(fā)射功率、脈沖重復(fù)頻率等，制定合理的UWB技術(shù)規(guī)范必須綜合考慮這些問題。

b）尚未形成成熟的有UWB信號支撐的物理層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。成熟的物理層、網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)需要接收技術(shù)、同步技術(shù)、信道編碼技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、物理層及網(wǎng)絡(luò)層的優(yōu)化策略等多項(xiàng)成熟技術(shù)的聯(lián)合支撐。所以，UWB技術(shù)的成熟和商用仍面臨許多挑戰(zhàn)，這有待業(yè)界的共同努力來推動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

1　A F Molisch，et al..Mitsubishi Electric’S Time-Hopping Impulse Radio standards proposal.http：//grouper.ieee.org/roups/802/15/pub/2003/May03/03112r2P802-15_TG3a-Mitsubishi-CFP-Document.doc.

2　J T Conroy，J L LoCicero，D R Ucci.Communication Techniques using Monopulse Waveforms[J].Proceeding of IEEE MILCOM’99，1999，2(4)：l191～1185.

3　Y H Choi.Gated UWB pulse signal generation.In IEEE Joint International Workshop of UWBST and IWUWBS，pages122-124，May 2004.

4　S Sadat，M Fardis，etc.A Compact Microstrip Square-ring Slot Antenna for UWB Applications.Progress In Electro-magnetics Research，PIER 67，173-179，2007.