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1、第2 6 卷 第 1 5 8 期2 0 0 5 年 1 2月 1 0 日 电力系统通信T e le c o m m u n i c a t io n s f o r E l e c t ri c P o w e r S y s t e mV o l.2 6lle o.1 0N o.15 82 0 0 5超宽带无线通信技术及其应用 刘刚，张淑娥，邱巍巍(华北电力大学 电子与通信工程学院，河北 保定 0 7 1 0 0 3)摘要:通过将超宽带(U WB)无线通信技术应用于组建无线个人局域网(P A N)和无线多媒体网络，可实现数据在近距离范围内的高速传输，并有效地解决了信道衰减、成本高和功耗大等难
2、题，同时，U WB技术也可应用于探测、定位、成像等方面。文章通过介绍 U WB无线通信技术的基本概念，分析 了它的 2种调制方式以及性能特点，最后详细介绍了其在无线通信中的应用。关键词:无线通信;超宽带技术;调制;高斯脉冲中图分类号:T N 9 2;T N 7 6文献标识码:B文章编号;1 0 0 5 一 7 6 4 1)2 0 0 5)1 2-0 0 4。一 0 3D引言 超宽带 U WB(U l tr a 一，i d e b a n d)技术起源于 2 0世纪6 0 年代，曾广泛用于雷达和遥感领域。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，作为商用无线通信技术目前正受到越
3、来越多的关注。U WB系统通常是指发射的无线通信信号的相对带宽(信号带宽与中心频率之比)大于 2 5%或带宽大于 1.5 G H:的系统。这里相对带宽定义为 、(;=一 jA 冷 2exp:一(f)2/2 (3)式中A为脉冲的峰值幅度;，为时间延迟长度;为时间J为频率。其脉冲波形及其频谱如图 1 所示。2(f 一 f)J A+f:0-1020目 圣 至 -5 0 二 匕 上 七曰 0月-1咭、侧感(1)(七)翻城曲 线丫、J-c形不汗寸J+”升日土侧15彼0JO七JO式中 f和f分别为系统的高端和低端频点(按一 1 0 d B计算)。根据美 国联邦通信委员会(F C C)的规定:室 内(小于
4、1 0 m)U WB通信的实际使用频谱范围为3.1-1 0.6 G H z，在此范 围内，有效各 向 同性发 射功率(E I R P)不超过 一 4 1.3 d B m/M H z,1 U W B信号及其调制技术1.1 U W日系统的信号模型 目前 U WB系统常用的理想基函数主要有单波、双波、单周期环和小波形式。对于前 3种基函数而言，通常采用周期性的单周脉冲序列作为 U WB信号的载体。单周脉冲使用持续时间为 0.5一2 0 n，的高斯形脉冲或方波脉冲。高斯形脉冲类似于单周正弦波，频谱结构中直流及接近直流的频谱成分较弱，有利于极窄脉冲信号的传输，接收端易于相关检测与识别，使用较多。其信号的
5、时域、频域表达式分别表示为图1 单周期高斯脉冲的时域和频域曲线1.2U W 日信号的调制方式 (1基带窄脉冲方式 在早期的无载波脉冲 U WB通信系统中，基带窄脉冲形式为其所采用的信号形式。发射机产生基带窄脉冲序列进行通信，脉冲信号的宽度极窄，通常在纳秒级或亚纳秒级，并通过脉冲位置调制(P P M)、二进制移相键控(B P S K)或脉冲幅度调制(P A M)等调制方式携带信息。典型的无载波脉冲位置调制的U W B 通信系统如 图 2所示。V(t)二:，么x P 一 2 t (2)蟾 取 祥 与 保 护 I图2 U WB发射机与接收机系统收 稿 A期:2 0 0 5一 0 4一 2 2;修 回
6、 q期;2 0 0 5一 0 6一 0 1在发送端，发射机直接发送纳秒级脉冲信号，然后 技 术 研 究 等超 宽 带 无 线 通 信 技 术 及 其 应 用小一在调制器中，用待发送的数据对这一系列的脉冲进行脉冲振幅调制或脉冲位置调制，经调制后与跳时码发生器生成的伪随机码 一 起送人可编程延迟电路，可编程延迟电路产生的时延控制脉冲信号发生器的发送时刻。在接收端，天线收集到由多径衰落信道传来的U WB信号，通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和跳时码发生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。与传统的通信
7、系统相比，基带窄脉冲通信方式的收发信机结构简单，实现成本低，且具有极强的多径信道分辨能力。但由于其信号中包括较多的低频分量，频谱利用率不高。虽然可以通过脉冲波形优化设计加以改善，但目 前这方面的研究还没有取得实质性的进展。基带窄脉冲方式现在广泛应用于低速通信、透视成像等多个领域。(2)载波调制方式 带有载波调制的 U WB技术是在基带窄脉冲的技术基础上提出的。它把单脉冲信号占据的频谱分为若干个子频带，其脉冲是等宽度的脉冲信号，包络是高斯脉冲，不同的脉冲信号在一个脉冲宽度内有不同的周期数，对应不同的中心频率。同无载波脉冲调制方式相比，可更加灵活、有效地利用频谱资源。同时，调制载波系统的信号处理方
8、法与一般通信系统采用的方法类似，技术成熟度高，在 目前的工艺条件下，比基带窄脉冲方式更容易实现高速系统。因此，采用载波调制的U WB通信方式是目前高速无线多媒体应用领域的主流。目前，I E E E 8 0 2.1 5.3 a T作组在载波调制方式标准的制定工作中，有 2 个候选方案:一种是Mo t o ro l a 的D S 一 C D M A直接序列双频带调制技术，最先倡导这一方 案的X t m m e S p e c t m m在2 0 0 3 年底被M o t o r o l a 收购，同时，M o t o r o l a 还发起成立了 U WB论坛(U WB F o r u m)尽力推
9、动自己的 U WB方案;另一种方案是由I n t e l,T I等5 0多家公司成立的O F D M联盟(M B O A)支持的多带一时频交织一频分复用(M B-T F I-O F D M)技术。从技术上来看，MB O A和 D S一 C D M A是无法彼此妥协的，MB O A在最近的一次表决中占了约 1 0%的优势，但仍然没有达到 7 5%的绝对多数，因此关于 U WB载波调制方式的标准一直悬而未决。2 U WB技术的优点 传统的U WB通信由于采用基带窄脉冲形式，无需载波调制，因此可大大降低发射和接收设备的复杂性，从根本上降低 了通信的成本。其优点总结如下 4点。(1)占用带宽大和传输速
10、率高 U WB信号是持续时间极短的脉冲序列，占用的带宽一般都在1 一1 0 G H z，它以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在日益紧张的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在通信领域，U WB可以提供高速率的无线通信，其数据传输速率可以达到几十M b i t/s 到几百M b it/s，可 满足目前大容量的多媒体流传输。(2)保密性强 U WB通信系统由于一方面采用跳时扩频，接收机只有知道发送端的脉冲序列，才能将发射数据解出;另一方面是系统的发射功率非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，用传统的接收机无法接收 (3)耗电量少 通常情况
11、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 U WB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，耗电量只有原有系统的 1/1 0 0一 1/1 0 0 0.(4)抗干扰性能强4不易产生干扰 U WB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 现有的 其 他无线通 信技 术，如I E E E 8 0 2.1 1 a,I E E E 8 0 2.1 1 6和蓝牙等相比，在同等码速
12、条件下，U WB具有更强的抗干扰性。同时，U WB设备的发射功率很小，对于普通的非U WB接收机来说近似于噪声，因此从理论上看，U WB可以与现有窄带通信系统(如C P S,蜂窝通信系统、地面电视等)共享带宽且不产生干扰，可与其他技术共存。3 U WB技术的应用及发展前景 凭借自身的众多优势，U WB技术具有广阔的应用前景。U WB首先在美国军方和政府部门得到了实质性关注。许多采用 U WB技术的设备广泛应用于军事领域，如无线通信系统、各类雷达以及各类高精度定位系统等。但近年来，U WB技术已经逐渐进人商业领域，2 0 0 2年2月 1 4日，F C C正式批准将 U WB用于民用产品，主要包
13、括以下 3 个方面:地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞传感器以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信。目前，国外已有多家公司的研发部门乃至学校已将该技术的研究提到日程上来，有的公司甚至已经利用这些技术生产电力系佑通枯2 0 0 5,2 6(1 5 8)出日 常民用产品。与现有的其他无线通信技术相比，U WB技术在许多方面有着无可比拟的优势。表 I 简单地对与 U WB技术应用接近的几种无线技术在传输距离、传输速率等性能指标上进行了比较。可以看出，U WB具有近距离高速传输的特点，但其功耗与成本却相对较低。利用这些特点，U WB技术在通信领域的应用主要是组建无线个人局域网(P
14、A N)和无线多媒体网络。各种数字多媒体设备可根据需要，在小范围内组成 自组织式的网络，相互传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关接人 I n te rn e t，例如:D V D、机顶盒、电视机、数码相机、电脑等设备之间可通过 U WB技术进行无线数字高速传输。表 I 几类无线通信技米的比较法。它现在仍处于研发阶段，各项理论仍有待深人探讨，在标准、规诡的制定方面，欧美、日 本等国家已经进行了相关的工作，并取得了一定的进展，为 U WB系统广泛应用奠定 了一个良好的基础。由于我国人口众多，商业活动密集，频谱资源十分宝贵，因此，短距离无线通信将拥有巨大的市场。我国的 8 6 3计划已经把
15、超宽带无线通信的关键技术、共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容。相信在不久的将来，U WB技术会开创出无线通信中一个崭新的领域。(F)参考文献:1 1技 术 类 别传输速率功耗传输范围成本/(胡tit/习/m w/m/级别架 R/G H.2 1I E EE 8 0 2.l 1 b压E E 8 0 2.l l s/g 1 0 01 5 0 02 0 0 0 1 1 0 0 1 Z O n 3 1 4 1100505010ll54UW B10 0-5 00注:成 本级别栏 目巾数值 越大，成本 越高5j6 雷达探测也是 U WB技术的一个主要应用。U WB技术在采用无载波脉冲方式
16、时，具有很强的穿透能力，因此广泛应用于探测成像设备。同时，U WB技术在进行较低速率无线通信和定位时，传输距离可更远，可以用来测量距离和位置。使用 U WB技术的定位系统能够提供精确的三维地理定位信息，对全球定位系统(G P S)起到一个很好的补充作用。由此可见，U WB技术 的应用非常广泛。4结束语 U WB技术是一项新型技术，为当今通信领域中的容量与有限的频谱资源分配等问题提供了解决方 7 1Me l a z z i N ic o l a B l e f a r i,G a b r ie ll a M a r i a.U l tr a-w i d e b a n d r a d i ot
17、o m u lt i-a c c e s s w i r e l e s s c o mm u n ic a t i o n J 丁.I n te l T e c h n o l o g yJ o u rna l Q 2,2 0 0 1,1 0(1 0):1 2一 1 8.Wi n M Z,S c h o lt z R A.U lt r a-w i d e b a n d w id t h ti m e一 h o p p i n gs p rea d-s p e c t r u m s i g n a ls i n t h e p r e s e n c e o f ti m i n g j
18、i tt e r J .I E E E T r a n s.C o m m u n i c a t io n,2 0 0 0,4 8(3):6 7 9 一6 9 1.L iu q i n g Y a n g,G e o r g io u s B.G i a n n a k is.U ltr a-w i d e b a n d c o m-m u n i c a t io n s-a n id e a w h o s e ti me h a s c o me J .I E E E S i g n a lP r o c e s s i n g Ma g a z in e,2 0 0 4,1 1:2
19、 6一 5 4.R o b e rt C.Q iu,H u a p i n g L iu,X u e min S h e n.U l t r a-w i d e b a n df o r Mu lt i p le A c c e s s C o mm u n i c a t i o n s J .I E E E C o m mu n i c a-t i n e Ma g a z in e,2 0 0 5(2):8。一 8 7.唐岚，王树勋，孙晓颖，等.超宽带无线传输技术【J .吉林大学学报(工学版),2 0 0 4,3 4(2):3 3 0 一 3 3 5.张在深，毕光国.超宽带无线通信技术及
20、其应用 J .无线电技术与信息，2 0 0 4,(3):1 6一 2 5.赵静，郑继禹，林基明，等.超宽带脉冲信号及对窄带通信系统的干扰分析【J .系统仿真学报，2 0 0 4,1 6(1 2):2 8 7 2一2 8 7 9.刘刚(1 9 7 9一)，男，晰吸石河子入，硕士研究生，主要研究 徽 波 与 光 纤通 信。张淑峨(1 9 6 4一)，女，辽宁沈阳人，副教授，研究生导师，主要研究徽波与光纤通信。卑瑰瑰(1 9 8 0一)，女，福建龙岩人，硕士研究生，主要研究电 力 通 信 网U WB w i r e l e s s c o m mu n i c a t i o n t e c h n
21、 o l o g y a n d i t s a p p li c a t i o n L I U C a n g,Z H A N C S h u-e,Q I U We i-w e i (D e p a rt me n t o f E le c t ron ic a n d C o m m u n i c a ti o n E n g in e e r i n g,N o rt h C h i n a E l e c tr ic P o w e r U n iv e m ity,B a o d i n g 0 7 1 0 0 3,C h in a)A b s t rec t:T h e d a
22、 ta c a n b e t r a n s m it t e d a t a h i g h s p e e d w i t h i n c lo s e q u a rt e r s b y a p p ly i n g t h e u l tr a-w i d e b a n d(U WB)w irele s s c o m m u n i c a t io nte c h n o lo g y i n t h e w i re l e s s P e rs o n a l A re a N e t w o r k(P A N)a n d t h e w ir e l e s s mu
23、 l t ime d i a n e t w o r k.T h e d if fi c u lt p ro b l e m s h a v e b e e n s o l v e d,s u c h a s c h a n n e l d e c a y i n g,h i g h c o s t,h i g h p o w e r d i s s ip a t i o n a n d s o o n.Me a n w h il e,U WB te c h n o l o g y c a n b e a p p li e d t o d e te c t i n g,o r ie n t a
24、 t io na n d i m a g i n in g e tc.T h i s p a p e r a n a ly z e s tw o k i n d s o f m o d u la t io n w a y s o f U WB s i g n a l a n d t h e i r p e r f o r m a n c e c h a r a c t e ri s t i c s t h ro u g h in tr o d u c in gth e b a s ic c o n c e p t i o n o f U WB w irele s s c o m m u n i
25、 c a ti o n t e c h n o lo g y.I n t h e l a s t p a rt o f t h is p a p e r,U WB a p p li c a t io n s i w ir e l e s s c o m m u n i c a t io nw e r e d e s c r i b e d i n d e t a i l.K e y w o r d s:w i re l e s s c o m mu n i c a t io n;U WB te c h n o l o g y;m o d u l a t i o n;G a u s s i a n p u l s e