tx094超宽带（UWB）系统的抗多径性能分析
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tx094超宽带（UWB）系统的抗多径性能分析,机械毕业设计
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江 苏 大 学 毕 业 设 计 1 1 超宽带（ UWB） 系统的抗多径性能分析 指导教师： 王 刚 、徐慧阳 学生： 林 敏 摘 要 本文在 UWB信号发送与接收仿真的基础上，验证了超宽带信号的抗多径性能。文中引入“信号质量”函数来评估超宽带信号的抗多径效应的能力。经过仿真，我们验证了不同介电常数的建筑材料对超宽带信号抗多径效应的影响。同时，也研究了不同脉冲持续时间的 UWB 信号的抗多径性能。最后，通过与窄带无线通信的比较，进一步说明了超宽带信号在抗多径方面的优越性。 关键字 ： 超宽带通信， UWB ，室内信道，抗多径 ，建筑材料，脉宽。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 2 2 ABSTRACT In this work, UWB signal propagation simulations in indoor propagation were performed. Performance of anti-multipath of UWB signals in indoor environment is evaluated through statistical energy of the signal quality in different locations of the room. Narrow-band digital signals are further compared with ultra wideband signals in the typical indoor environment to specify the perfect performance of anti-multipath. We verified the effect of construct material with different dielectric const and propagations of UWB signals with different duration on performance of anti-multipath of UWB signals. Keyword: UWB , anti-multipath , construct material ， signal duration nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 3 3 简 介 超宽带 （ Ultra Wide Band , UWB ） 是指发射信号的分数带宽（带宽与中心频率之比）大于 0.25， 通过微弱的脉冲信号进行通信，最大数据传输速度可以达到几十 Mbit/s几百Mbit/s。 超宽带（ Ultra-wideband, UWB）技术起源于 20世纪 50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。 90 年代初，有学者开始研究 UWB 信号在无线通信中的应用 ，并提出了脉冲无线电（ Impulse Radio, IR）这一新概念，以此实现在无线信道中的超宽带传输。 众所周知，一般通信方式是把信号从基带调制到载波上，所谓宽带通信是指具有大的调制带宽或高的数据传输速率。相反， UWB-IR 是对具有很陡上升和下降时间的时域短脉冲进行直接调制。超宽带技术开发了一个具有吉赫兹带宽和最高空间容量的无线信道。同时，具有对信道衰落不敏感， 抗干扰性能强 ； 发送功率低，有低截获能力，保密性好；消耗电能小；脉冲持续时间短，易实现分组传输；系统复杂度低；能提供厘米级的定位精度等优点。这些优 点正成为新兴的研究课题。 UWB通信也存在不足，主要问题是 UWB系统占用的带宽很大， UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此 UWB 系统的频率许可问题一直在争论之中 ， 目前许多学者正在对此进行研究。 在室内环境下，多径衰落是一大障碍， 多径传播造成严重的符号间干扰（ ISI） , 因而需要对 室内 UWB 传播环境进行深入研究以 精确 地预测 UWB 系统性能和优化收发信机设计。 在室内情况下，建筑材料，脉冲持续时间等都对 UWB 信号有较大 影响。本文在仿真室内信道的基础上，验证了上述因素对 UWB 通信系统的影响。并通过与窄带通 信的比较，进一步说明了超宽带通信的优越性。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 4 4 目 录 第一章 UWB技术简介 6 1. UWB技术的发展 6 2. UWB技术的特点 8 2.1 UWB技术的特点 8 2.2 UWB通信系统与窄带通信系统的性能比较 9 2.2.1 抗多径性能 9 2.2.2 空间容量 1 1 2.2.3 UWB收发信机 12 2.2.4 UWB通信与 具体 短距离无线通信的 14 3. UWB技术的前景和挑战 16 3.1 UWB通信的 前景 16 3.2 UWB技术所面临的挑战 18 4. UWB通信的基本结构 18 4.1 发射端 18 4.1.1 UWB信号的脉冲类型 19 4.1.2 UWB信号调制 21 4.2 UWB信道 27 4.2.1 UWB信道特性 27 4.2.2 瑞瑞 利利 分分 布布 28 4.2.3 室内 多径 信道模型 28 4.3 接收端信号处理 .32 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 5 5 第二章 毕业设计内容 34 1 相关背景 34 2. 原 理 34 2.1 脉冲波形的选择 .34 2.2 信号质量 34 2.3 建材对信号抗多径性能的影响 35 3 实验内容 37 3.1 三种脉冲的性能比较 38 3.2 建材对抗多径性能的影响 39 3.3 脉冲持续时间对 UWB信号抗多径 性能的影响 40 3.4 UWB信号与 窄带信号 抗多径性能的比较 41 4 结 论 42 第三章 小 结 42 参考文献 43 致 谢 44 附 录 45 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 6 6 第一章 UWB 技术简介 1. UWB技术的发展 UWB 最早出现于 60 年代，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过 Harmuth、 Ross 和 Robbins 等先行公司的研究 ,。 UWB 技术在 70 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到 80 年代后期，该技术开始被称为 “无载波 ”无线电，或脉冲无线电。美国国防部在 1989 年首次使用了 “超带宽 ”这一术语， 而到现在 UWB理论和技术已经发展了近 30 年。 在 UWB的发展过程中，其中有两 项进展十分重要：其一 是 UWB 系统可以与其它使用更高频谱密度的通信系统共存而不产生任何干扰；其次是 FCC于 2002 年 2 月 14 日发布的 02-48 号报告及规则，该规则定义了不同 类 UWB设备的发射限制。该规则出台后 ， UWB设备立即获得了广泛的市场机会，业界对于今后 的 UWB标准产品也表示出浓厚的兴趣。 由于 UWB发射的宽带特性，可能对其他已申请的使用频段造成干扰， 为了 满足市场对频谱利用率的 UWB 技术需要的同时，保证它对目前用户已经申请的频段不会造成干扰。美国联邦通信委员会 (FCC)使用了 三年半以上的时间一直在与美 国商务部以及美国商务部电气通信信息局探讨 UWB的安全性与干扰问题 ，尤其是是否对全球定位系统 GPS存在安全隐患 。 1998年 9月， FCC 第一次发出征询通知 (NOI)，要求工业界对发射功率严格受限时在非授权频段使用 UWB 技术的提出反馈意见。 FCC 第 15 条款规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限制，具体如下： FCC Part15.209 规定对频率高于 960MHz，在 1MHz 带宽内，测量距离 3m，发射功率在 500W/m 内，相应的发射功率谱密度限制在 41.3dBm/MHz以下 2。自第一次发出征询通知后 ， 美国 NTLA（ National Telecommunications and Information Administraton）等通信团体对此大约提交了 800多份意见书。 显示了业界对 UWB 技术的浓厚兴趣。 2002年 2月 14日，美国联邦通信委员会（ FCC： Federal Communications Commission）nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 7 7 才正式将 3.1G 10.6GHz频带向作为室内 UWB通信用途的开放。 FCC准许 UWB技术进入民用领域的条件就是 “ 在发送功率低于美国放射噪音规定值 41.3dBm/MHz(换算为功率则 为1mW/MHz)的条件下， FCC 此次做出规定的 3 个用途分别是： （ 1） Imaging Systems（地质勘探及可穿透障碍物的传感器等）、（ 2） Vehicle Rader Systems（汽车防冲撞传感器等）、（ 3）Communications and Measurement Systems（家电设备及便携终端之间的无线数据通信等）4。 2000 年 5 月， FCC 完成了 规格修正提案书 (即 NPRM)。此次，为了尽量减小与 GPS 使用的 1.5GHz 频带的干扰，与这一频带的放射噪音的规定值 “FCC Part15 ”( 41.3dBm)相比，FCC将输出功率限制到了还要再低 34dBm的数值上。对于这一限制， FCC委员 Michael J. Copps解释说： “UWB 还是一项新技术，现在很多地方还不清楚会发现什么样的问题。因此规定了这样一个非常保守的标准位。 ” 4 由于 FCC 以法律形式限定了 UWB 的传输，因此首要障碍已获得解决。目前允许使用的频段尤其适用于高速 PAN应用，包括图像处理及多媒体，这些应用在 IEEE任务组的 802.15.3a中已进行了标准化。 2002年 12月 11日 IEEE标准委员会通过了 UWB技术，指出它 满足标准开发的五个要求，即，具有广泛的市场潜力、兼容性、定位独特 (即它所针对的领域是其它标准没有涉及的 )、技术可行性及经济可行性。 TG3a 项目的时间表已经确定，并在 2003 年 3 月的会议中公布物理层 (PHY)规范提议。进一步的相关介绍及筛选过程将持续到今年 8月，并在 11月份推出完整的草案。 UWB的标准化日程表如此的紧凑，因此从中可预见其巨大的市场潜力，将成为多媒体消费类设备下一种流行的高速无线互联技术 。 最近一些标准化活动表明，多频段 UWB技术已获得业界的广泛认同。随着业界对多频段技术的支持越来 越多，它将在上述各种同类技术中脱颖而出。越来越多的消费者会采用 UWB技术作为家庭多媒体互联技术，该技术将带来一个广阔的市场。因此， UWB技术的标准化十分重要，而目前还不能确定该标准制定完成的时间。此外，与未经协调的 UWB Piconet 共存也十分重要。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 8 8 2. UWB 技术的特点 2.1 UWB 技术的特点 UWB与现有的无线技术的显著不同是不需要使用载波，而是通过发送纳秒级脉冲来传输数据 。 优 点 (1) 抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉 冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与 IEEE 802.11a、 IEEE 802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下， UWB具有更强的抗干扰性。 （ 2） 传输速率高 UWB 的数据速率可以达到几十 Mbit/s 到几百 Mbit/s，有望高于蓝牙 100 倍，也可以高于 IEEE 802.11a和 IEEE 802.11b。 （ 3） 带宽极宽 UWB 使用的带宽在 1GHz 以上，高达几个 GHz。超宽带系统容量大，并且可以 和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。 （ 4） 消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此，要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按 0和 1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以，消耗电能小。 （ 5） 保密性好 UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。 （ 6） 发送功率非常小 UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于 1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也 会很小。这样， UWB的应用面就广。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 9 9 （ 7） 定位准确（准确度可达几厘米） 缺 点 UWB通信也存在不足，主要问题是 UWB系统占用的带宽很大， UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此 UWB 系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管 UWB 系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短 ，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响 UWB的开发和使用， 2002年 2月美国通信协会（ FCC）批准了 UWB用于短距离无线通信的申请。 2.2 UWB通信系统与窄带通信系统的性能比较 UWB 技术与现有其它无线通信技术有着很大的不同，它将会为无线局域网（ LAN）和个人局域网（ PAN）的接入带来低功耗、高带宽并且相对简单的解决方案。超宽带技术解决了困扰传统无线电技术多年的诸如信道衰落、高速率时系统复杂、成本高和功耗大等重大难题，但是 UWB通信不会 很快取代现有的其它无线通信技术。 2.2.1 抗多径性能 多径衰减是 RF 通信的一大障碍 , 这是由于通过许多信道到达的信号产生相干干涉而造成的。传统的无线技术由于受到建筑物内部和周围多径 (multipath) 现象的困扰 , 难以对有多径干扰的位置进行精确的跟踪 , 而且在建筑物很拥挤的环境中很难分辨目标。此外 , 多径干扰和衍射现象也使传统“连续波无线电的传输特性变差 , 这在建筑物中尤其明显。扩展带宽为 1.228MHz 的 IS - 95 扩频蜂窝电话和 PCS 系统可以分辨时延差异略小于 1 微秒的多径信号。有 些通信信道 , 特别在室外环境中 ,时延可能有好几个微秒 , 因此一些多径信号要采用Rake 技术加以分辨和接收。不过 , 室内通信信道中多径时延常为纳秒级 ,它无法在相对窄带的 IS - 95 信道中进行分辨。因此类似 IS - 95这样的系统必须克服严重的 Rayleigh 衰减 , 它要求信号必须在静态信号级的 20dB 以上 , 才能达到某一规定的性能。 6 正确设计的 UWB 系统的带宽可超过 1GHz , 并能分辨出时延小于 1 纳秒的多径信号。nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 10 10 因此 UWB 技术特别适合室内使用 ,其定位精度小于几个厘米 , 并通常遵循自由空 间传播定律。 窄带系统 ： 一个单频信号通过移动无线信道后，衰落信号的包络发生随机变化，其相位也会发生随机变化。 移动台的运动造成接收信号产生 多普勒频移。在多径环境中，对接收机来说，有不同时延的反射路径。多普勒效应的结果是，通过移动无线信道后单频信号的频谱扩展为 fc+fd,相当于单频信号通过移动多径无线信道后成为随机调频信号（即相位发生随机变化）如果接收到多条不同入射角的多径信号，多普勒频移成为多普勒扩展频谱，称作多径衰落信号的随机调频。 8 窄带系统抗多径性能 的推导见附录 1. 超宽带系统 ： 由于 UWB具有非常宽的频带和较长的发射周期， UWB信号的多径分量就可以分离出来，使得接收器接收到稳定的功率信号，并且手衰落的影响极小。 图 1.1 UWB 系统抗多径干扰 假设在多径环境中有一个直接脉冲波形和两个多径脉冲“复制品” , 通道 1 比直接通道长出超过一个脉冲长度 , 因此反射脉冲显得像一个不同接收机提供额外能量的延时脉冲。通nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 11 11 道 2 和直接通道之间的时延小于一个脉冲宽度 , 因此多径复制脉冲就叠加到直接脉冲上。只要叠加部分小于一半的脉冲长度 , 这一延时脉冲就将增强接收到的信号能量。这里不 必 Rayleigh衰减而增强信号强度 , 因为没有会带来有害干扰的叠加正弦波。事实上 , 在多径环境中 , 多个延时复制脉冲可以进行综合或采用 Rake 接收技术来增强单个直接通道上的信号强度。由此可见， UWB 技术特别适合室内 的多径环境 ，它 有抗多径 衰落的固有鲁棒性 ， UWB 非常窄的波形使从信道的多个反射被独立分辨，而不是在接收端被破坏，从而在窄带系统中的时变衰落被大大减小 . 6 UWB系统采用的信号基于短周期脉冲序列，这些脉冲序列由单个基本脉冲波形形成。脉冲波的周期为 0.2ns 到 1ns，而脉冲重复间隔则为 25ns 到 1ms。因此，每两个脉冲间有一段很长的静默期，通道脉冲响应可回落到零。这样无需均衡器便可将码间干扰降低到可以忽略不计的程度 . 2.2.2 空间容量 这里空间容量定义为 bit/s（ sm2 ）。空间容量的概念已被许多学者使用，如加州Berkeley的 Jan Rabaey教授等，文中采用平方米，因覆盖区域一般指两维。下面对几种典型的短距离无线通信技术进行对比， IEEE 802.11b 工作的距离范围是 100m，在 2.4GHz ISM 频段，有 80MHz 的未用频宽。因此，在半径为 100m 的覆盖范 围内， 3 个 22MHz IEEIE 802.11b系统可同时工作互不干扰，每个系统提供的峰值速率达 11Mbit s，总共的速率达 33Mbit/s，产生的空间容量为 1000 bit（ sm2 ）。蓝牙在低功耗模式下，在 10m距离内，速度可达 1Mbit s， 10 个蓝牙微微蜂窝（ piconets）能在 10m 圆周范围内同时工作，速度达 10 Mbit/s,从而得到的空间容量近似为 30 000 bit（ sm2 ）。 IEEE 802.11a 的工作距离范围在 50m，峰值速率达 54 Mbit s，假设在 5GHz频段内，有 200MHz 可得到的频宽，系统的空间容量可达 83 000bit (sm2 )。 UWB 系统在 10m 距离范围内的峰值速率可达 50Mbit s，系统的空间容量达 1000000bit（ sm2 ）。 可以看出，目前的一些标准如蓝牙和 IEEE 802.11，其峰值速度和空间容量都远低于UWB 这可从理论上找到答案。根据经典的信道容量理论， C 1b（ 1 S N），最大信道容量与带宽成线性关系， UWB系统带宽一般有 2GHz甚至更宽，比带宽受限的 Bluetooth、 IEEE802.11nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 12 12 以及 HiperLAN2等无线系统 有更大的容量。因此， UWB 系统有支持未来高容量无线通信的巨大潜力。将来，随着系统功率的增大， UWB系统的工作范围将能扩展到几公里或者更远。将来，像无线以太局域网 802.11b 和短距的蓝牙通信技术，都有可能被 UWB 所取代，这是因为 UWB产品的吞吐量将比采用 802.11b的产品大 1000倍，也就是说 UWB系统与 802.11b 相比，能够支持更多的用户，而且比当前无线 LAN 系统速度更快、成本更低。美国的一家信息产业咨询公司认为，就速度和传输距离而言，超宽带无线通信技术当前还只是处于其萌芽阶段，他们认为，随着功率和芯 片制造技术的提高， UWB产品的通信速度和传输距离还将不断地提高。 虽然 FCC将 UWB的辐射功率规定的非常低，但是通过香农公式： )/1(lo g 2 NSBC bits/s （ 1.1） 可以知道，在加性高斯白噪声条件下，近距离通信时 UWB 的理论最大通信容量仍远高于现有的窄带系统。这是因为通信容量 C随着带宽 B（ Hz）的增加线性增长，而随信噪比呈对数增长。例如在 HiperLAN 或 IEEE 802.11a 的窄带系统中，带宽为 20MHz，对于室内通信功率谱密度限制在 10 mW/MHz一下；带宽为 20GHz的 UWB室内通信系统，功率谱密度限制为 75 nW/MHz；虽然 UWB的功率谱密度低的多，但在 70米以内的通信距离 UWB仍能获得比窄带系统高出一个数量级的通信容量。 2.2.3 UWB 收发信机 当今的射频技术主要是基于 Edwin Armstrong 的超外差结构。这种技术早期的成功导致了今天频谱划分的现状。每一种应用都有其专用的频带。而 UWB技术利用的是信号的时间和 /或编码特性而不再是其频率特性。 UWB 设备的复杂度与当今 GPS 设备的复杂度类似，其 20的分量依靠硬件前端的进 步，而剩余 80的分量要依靠软件的发展。 UWB 可能会将这种比例推向极至，从而完全实现通信的软件化，使用户能兼容各种不同的体制和标准 ,而“专用无线电”这种概念最终被人们遗忘 1。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 13 13 前端 L N A PA 高频滤波器 上 / 下变频 AGC ，滤 波器 ，混 频 器 模拟基带 I / Q 支路 LF 滤波器 A D / D A 射频 中频 本振 P L L ， O S C 模拟基带 天线 数字基带 调 制 、 解调 ，同 步 ，编 码 ， 解码， C ，存储器 数字基带 媒体接入控制 ，逻 辑 链 路控 制 ， 顶 层 ， P ，存储器 系统及外围设备 人机界面 电源 a. 窄带收发信机结构 前端 L N A PA 模拟基带 AGC 脉冲检测 脉冲形成 AD 射频 模拟基带 天线 数字基带 编 码 、 解码 ，同 步 ， C ，存 储器 数字基带 系统及外围设备 调制 / 解调 媒体接入控制 ，逻 辑 链 路控 制 ， 顶 层 ， P ，存储器 人机界面 电源 图 1.2 UWB 收发信机结构 表 1 收发信机结构比较 超宽带 UWB 窄带 天线 小尺寸并具有一定增益和超宽频带的天线设计：低阻抗和良好的宽带匹配较难实现，需要对天线和前端综合设计 小尺 寸、高 Q、高增益的天线容易实现 50阻抗易于匹配 天线和前端可独立设计 RF 前端 超宽带 LNA 功耗大且难以实现宽带匹配，前端需要有 AGC。 对线性要求低，部分滤波功能可由天线实现 窄带 LNA 容易实现阻抗匹配。对于非恒定包络调制需要很高的线性度，需要严格的滤波以保证其带外辐射特性 中频 不需要中频 需要 AGC,混频器 , RF oscillator, PLL 模拟基带 需要宽带高速 A/D 转换器 需要扩展时延采样技术 需要数字采样示波器技术 窄带 A/D 转换器容易实现，一般只需要2 倍数据速率 数字基带 需要 连续检测并要有极好的时间分辩率 需要精确的时钟参考源 非连续检测 其它 本机噪声、外来载波干扰阻塞问题 UWB 的信道特性并不十分清楚，但这方面的研究正在进行 要考虑负载牵引、本振泄漏和由功放引起的本振牵引等问题。 对窄带信道的衰落特性较清楚 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 14 14 2.2.4 UWB 通信与 具体 短距离无线通信的比较 (1) UWB与 IEEE802.11a IEEE802.11a 是 IEEE 最初制定的一个无线局域网标准之一，它主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与 用户终端的无线接入，工作在 5GHzU-NII 频带，物理层速率 54Mbps，传输层速率 25Mbps。采用正交频分复用（ OFDM）扩频技术；可提供 25Mbps 的无线 ATM 接口和10Mbps 的以太网无线帧结构接口，以及 TDD/TDMA 的空中接口，支持语音、数据、图像业务。 IEEE802.11a 用作无线局域网时的通信距离可以达到 100m，而 UWB 只能在 10m 以内的范围通信。根据英特尔照 FCC 的规定而进行的演示结果显示，对于 10m 以内的距离， UWB可以发挥出高达数百 Mbps 的传输性能，但是在 20m 处反倒是 IEEE802.11a/b 的无线局域网网设备更好一些。因此在目前 UWB 发射功率受限的情况下， UWB 只能用于 10m 以内的高速数据通信，而 10m 到 100m 的无线局域网通信，还需要由 802.11 来完成，当然与 UWB 相比，802.11 的功耗大，传输速率低。 1 (2) UWB与 Bluetooth 自从 2002 年 2 月 14 日， FCC 顶住多方面的压力批准 UWB 用于无线通信以来，就不断有人将 UWB 评论为蓝牙（ Bluetooth）的杀手，因为从性能价格比上看， Bluetooth 是现有无线通信方式中最接近 UWB 的，但是 UWB 真的会取代 Bluetooth 吗？从目前的情况看，答案是否定的。首先从应用领域来看， Bluetooth 工作在无须申请的 2.4GHz ISM 频段上，主要用来连接打印机、笔记本电脑等办公设备。它的通信速率通常在 1Mbps 以下，通信距离可以达到 10m以上。而 UWB 的通信速率在几百 Mbps，通信距离仅有几米，因此二者的应用领域不尽相同。其次，从技术上看，经过多年的发展， Bluetooth 已经具有较完善的通信协议。 Bluetooth 的核心协议包括物理层协议和链路接入协议，链路管理协议及服务发展协议等等，而 UWB 的工业实用协议还在 制定中，估计要等到 2004 年才可能初步确定。还有， Bluetooth 是一种短距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，从这方面讲， UWB 可以看作是采用一种特殊无线电波来高速传送数据的通信方式，严格地讲，它不能构成一个完整的通信协议或标准。考虑到 UWB 高速、低功耗的特点，也许在下一代 Bluetooth 标准中， UWB 可能被用做物理层的通信方式。最后，从市场角度分析，nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 15 15 蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用，而 UWB 的研究还处在起步阶段。基于以上原因，在未来的几年内， UWB 和 Bluetooth 更有可能既是竞争对手，又是合作朋友。 1 (3) UWB与 HomeRF 家庭射频（ HomeRF）标准是由 HomeRF 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。 HomeRF 是 IEEE802.11 与 DECT 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。 HomeRF 采用了扩频技术，工作在 2.4GHz 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道，但是 HomeRF 的传输速率只有 1M 2Mbps。由于 HomeRF 技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗 干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。同 IEEE802.11 一样， HomeRF 的通信距离比 UWB 远，而传输速率比 UWB 低，在 UWB 发射功率受限的前提下，二者应该是各有千秋。 结合上述讨论，可以用表 2 对四种短距离无线通信做个简单的比较。 1 表 2 种短距离无线通信比较 IEEE802.11a Bluetooth HomeRF UWB 传输速率 54Mbps 小于 1Mbps 1-2Mbps 可高达 500Mbps 通信距离 10m-100m 10m 50m 小于 10m 发射功率 1 瓦以上 1 毫瓦 -100 毫瓦 1 瓦以上 1 毫瓦以下 空间容量 80Kbps/m 30Kbps/m2 50Kbps/m2 1000Kbps/m2 应用范围 无线局域网 计算机等家庭和办公室设备互连 家庭语音和数据流 近距离多媒体 终端类型 笔记本，台式电脑，掌上电脑和因特网网关 笔记本，移动电话，掌上电脑，移动设备 笔记本，无绳电话，无线音响，移动设备 无线电视， DVD 高速因特网 网关 主要支持公司 Cisco,Lucent,3Com Ericsson,Nokia Motorola Apple,Dell Compaq Intel,Motorola,Sony,Sharp nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 16 16 3 UWB通信的 前景和挑战 3.1 UWB 通信的 前景 鉴于 UWB 信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独特的优点和用途。在通信领域， UWB可以提供高速率的无线通信。在雷达方面， UWB雷达具有高分辨力（ ns 级）。当前的隐身技术采用的是隐射涂料和隐身特殊结构，但都只能在一个不大的频带内有效，在超宽频带内，目标就会原形毕露。 UWB雷达还具有很强的穿透能力， UWB信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介 质，因此军事上 UWB 雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。在定位方面， UWB可以提供很高的定位精度。 UWB使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一两厘米。也就是说，同一个 UWB 设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。 由于 FCC 对 UWB 进行了一定限制， UWB 最初的应用主要集中在无线 PAN 上，传输距离约为 10 米，数据速率为 110Mbps 到 480Mbps。这种高速率可轻易地实现客厅内各种数字娱乐设备间的联网，如 DVD、卫星 /有线电视机顶盒、电视机 及环绕音响。此外，它还可实现数码相机、扫描仪、打印机、摄像机及 MP3 播放机等设备与电脑之间的无线连接，从而为采用 USB2.0 或 IEEE 1394有线连接的设备提供了另一种互联方式，甚至可以取代这些有线连接。此外，还可以通过 UWB 对多个房间内的设备进行互联。但是，由于 UWB 的传输功率较低，信号处理可能会有些困难，其频率范围为 310GHz 也不易穿透墙壁等障碍。 虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用，但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法，如果要提高 通信速率，必须要提高数字信号处理器的处理速度，这势必要增加系统的成本和功耗，高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先，为了满足无线数字视频的要求，家庭无线互连产品需要更高的通信速率，以无线高清晰数字电视（ WHDTV）为例，如果采用 MPFG。 2HD数据格式，则视频数据流的速率高达 25Mbps；其次，要想家庭无线通信产品走向千家万户，系统成本必须很低，市场调查表明，如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出 30%，将很难被众多的消费者所接受；还有，家庭无线通信产nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 17 17 品中用 到嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电，因此它们的功耗必须很低。也就是说，家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点，按照传统的无线电设计方案，无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。 与传统的无线电设计方法不同， UWB是高速、低成本和低功耗的无线通信方式，因此它可以满足家庭无线电消费市场的需求。尽管 UWB 的通信距离很短，使得它不能像其它一些无线通信方式那样一点接入宽带网络，从而使整个家庭构成一个总线型的网络，但是 UWB 本身的带宽很宽，在接入上一级网络的同时， UWB还可以作为下一 级网络的网关，从而使得整个家庭组成一个星型网络。从网络的拓扑结构来说，星型网络可能更有效，更可靠。 随着消费电子的高速发展，数字电视、音频和视频接收机、 DVD、卡拉 OK、 MP3 播放器和数码相机等娱乐设备必将进入千家万户。可以想象，在不久的将来，采用 UWB 技术，无须架设电缆，仅仅需要小小的网关和收发器，就可以组建一个真正的无线家庭剧院。 IBM 提出了 普及运算（ pervasive computing） 的概念，它是指无论何时何地，只要您需要就可以通过某种设备访问到您所需要的信息， 普及运算（ pervasive computing） 软件将降低硬件设备的成本和复杂度 。 实际上普及运算（ pervasive computing）是网络计算的自然延伸，它使得不仅 PC 机而且其它小巧的智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动。 普及计算（ pervasive computing）和网络是近十年出现的两种事物。UWB则是最有可能将这两种事物联系在一起的技术。 目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将 UWB 集成到个人电脑芯片组中。这是因为与使用载波的无线技术不同，由于脉冲发生的电路结构简单，因此相对来说比较 容易在芯片组中集成。因为 UWB 是在笔记本电脑与外围设备（电脑、 PDA、数字电视以及数字相机等）之间实现无线接口连接的物理层技术。所以英特尔将 UWB 定位于 无线 USB2.0。将其作为 10m以内的近距离高速无线传输接口使用。目前已达到 100Mbit/s，实现了最初的目标，而下一个目标则是 500Mbit/s。如果能达到这一目标，离实现无线版 USB 2.0、下一代蓝牙就更近了一步。预计到 2003 年底，使用试验机实现 500Mbit/s，那个时候调制方式将会改变。直接扩展频谱技术、窄带调制技术与 UWB结合的方式将更具 优势。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 18 18 3.2 UWB技术所面临的挑战 UWB技术所面临的主要挑战有以下几方面： 1.难以实现高效率的天线，尤其是尺寸很小时； 2.由信道和天线滤波特性引起的脉冲形状失真； 3.宽带匹配引起的损耗和宽带 LNA 的损耗。另一个挑战来自基带设计。 UWB是 通过微弱的 窄 脉冲信号进行通信 的 ， 其脉冲宽度为纳秒级。因此需要极高的时间分辨率，并可能需要增加捕获时间且增加相关器的数目来捕获信号能量。系统需要精确的时钟源（例如温度补偿晶体振荡器 TCXO）来保证其同步。用纯数字方式实现基带需要速率极高的 A/D变换器同时还要有大量的相 关器。 4 UWB通信的基本结构和原理 信 道 图 1.3 UWB通信的基本结构 UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲 ，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换 成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。 4.1 发射端 实现超宽带通信的首要任务是产生 UWB信号，从本质上看， UWB是发射和接收超短电磁脉冲的技术，可使用不同的方式来 产生和接收这些信号以及对传输信息进行编码，这些脉冲可以单独发射或成组发射，并可根据脉冲幅度、相位和脉冲位置对信息进行编码。 UWB 发射机 UWB 接收机 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 19 19 4.1.1 UWB 信号的脉冲类型 (1) N 循环 Sin 脉冲波形 0sin)( tts r otherwiseNTt 0 （ 1.2） 图 1.4 N 循环 Sin 脉冲波形 (2) 三角包络 N 循环脉冲波形 )()(4)2/()2/(8)(4s in)( NTtuNT NTtNTtuNTNTttuNT ttts r （ 1.3） 图 1.5 三角包络 N 循环脉冲波形 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 20 20 (3) Cos 包络 N 循环 Sin 脉冲波形 ttts rc c o sc o s)( et 2/ er N 2 （ 1.4） 图 1.6 Cos 包络 N 循环 Sin 脉冲波形 (4) 高斯包络 Sin 脉冲波形： tets rat co s)( 2 （ 1.5） 图 1.6 高斯包络 Sin脉冲波形 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 21 21 4.1.2 UWB 信号调制 UWB的调制频段定义为超过中心频率 20%的带宽比 (或 500MHz)，因此现有的多种方法均可以产生满足要求的信号，包括 脉冲位置调制 （ PPM）， 直接序列扩频、啁啾调制、时间调制 UWB (TM- UWB)，和 子频段方法 。 (1) PPM 调制 UWB 技术采用脉冲位置调制 PPM 单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽0.1-1.5ns (1 纳秒 = 一亿分之一秒 )，重复周期在 25-1000ns。图 1.7 显 示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，图中脉冲的中心频率在 2GHz。 图 1.7 典型高斯单周期脉冲的时域和频域 实际通信中使用一长串的脉冲，图 1.8 显 示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰，即采用脉冲位置调制 PPM。 nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 22 22 图 1.8 单周期脉冲序列的时、频域特性 比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间 来表示一个特定的信息。图 1.9 是一个二进制信息调制的示例。 图 1.9 一个二进制信息调制的示例 图 1.9 中调制前脉冲的平均周期和调制量 的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤 波技术才能正确接收，即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大，也不够杂乱。 为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量 大小不一，变化随机，同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道，即实现通信系统的多址，可以对一个nts江 苏 大 学 毕 业 设 计 23 23 相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码，特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。图 1.10 显示了 伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱。 图 1.10 中的 频谱已经接近白噪声频谱，功率也小了许多，这就是伪随机编码产生的效果。适当地选择码组，保证组内各个码字相互正交或接近正交，就可以实现码分多址。 图 1.10 伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱 (2) DS-UWB 产生 UWB 信号的一个简单方法是用一个非常长的伪随机噪声 (PN)序列来直接扩展信息位，这样的系统可看作是 CDMA的一种特例。目前已有研究人员提议 使用这种方法，不
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