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1、8.3 超宽带（超宽带（UWB）无线收发器）无线收发器电路拓扑结构电路拓扑结构8.3.1 超宽带（Ultra Wideband，UWB）无线电技术简介 n超宽带无线通信技术是一种用极低的功率（约20mW）、在极宽的频谱范围内（可高达7.5GHz）以极高的速率（可高达500Mb/s）传输信息的无线通信技术。UWB的核心是冲击无线电（Impulse Radio）技术，即用持续时间特别短（亚纳秒级）的脉冲波形代替传统通信传输系统的持续波形。nUWB技术的优点：UWB的频谱特别宽，能量密度特别低，信号特别难以截获，因此信息传输平安性高；UWB信号脉冲的有效宽度很窄，而且在脉冲序列中的占空比很小，具有很
2、强的抗多径实力；几乎全部的电路元器件都可以接受数字电路器件，有利于芯片组设计的器件最少化和体积最小化，从而实现低成本和低功耗；UWB通信系统可以达到高速率、抗干扰、抗多径等特点，可以实现高性能的大容量的通信系统。n目前，基于UWB的技术应用探讨主要在高速短距离通信、雷达和精确定位等领域。UWB技术对于无线短距离的高速数据通信是特别有竞争力的。在将来，UWB技术将为后3G网、WAN、WLAN、WPAN、WBAN、AdHoc网络、HAN等异构网络的集成供应透亮的、无缝的连接，真正实现后3G时代的“每个人、每件事、任何时间、任何地点”的连接。与此相关联的潜在应用可渗透到很多具体的层面：100500M
3、b/s高数据速率的家庭、办公室、学校和远程医疗等无线个人局域网络（HDR-WPAN）。在军事上，可用于无线手持设备和网络LPI/LPD（低截获率/低检测率）无线电、非视距LPI/LPD地表波通信等；UWB还可构成高辨别率雷达系统、构成穿墙和穿地成像系统和动态感应雷达，以及汽车的防撞感应器等。在军事上，可用于入侵检测、无人驾驶车辆和飞行器等；n 利用多个UWB节点，再通过波达时差（TDOA）等技术，可以构成移动节点的精确定位和跟踪系统。可以跟踪或监视病人、犯人或珍贵物品等。特殊是在室内或封闭环境、GPS系统无法运用的状况下，基于UWB技术的定位系统更显示其优越性。在军事上，这项技术可以确保军事人
4、员和武器装备的平安等；在短距离（如几米之内）条件下，以UWB技术构成的以太网接入点的数据速率可达1Gb/s，甚至达到2.5Gb/s。可以利用数字无线视频接口在PC和LC屏之间实现高质量的视频数据传输；供应智能设备的接入实力的智能无线网络，其中包括设备的精确定位、跟踪与报警等；室外端到端网络：主要是指室外UWB设备构成的网络，以支持PDA等便携式无线设备的信息下载等，如下载报纸新闻、图片等信息；传感器、定位与识别网络。n1UWB频谱与其他无线信号频谱的关系nFCC规定UWB工作频谱位于3.l10.6GHz。如图8.3.1所示，UWB与其他技术存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频
5、段的其他设备的干扰，必需对UWB设备的放射功率进行限制。UWB信号放射的功率谱密度级可达41.3dBm/MHz。一般状况下，UWB对其他同频或邻频接收器的干扰特别小，通常其功率谱密度在热噪声水平之下。尽管FCC对UWB的带内功率和带外功率进行了严格的限制，但是它对同一频谱和相邻频谱的其他设备的干扰却是照旧存在的。图8.3.1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系n2UWB与“窄带”或“宽带”系统的主要区分nFCC定义的UWB的带宽大于其中心频率的20或至少500MHz的带宽，即n n 0.20 （8.3.1）n式中，fh为高端10dB下降点；fl为低端10dB下降点。nUWB技术主要是接受无载波
6、方式来实现，UWB干脆用脉冲对信号进行调制，调制脉冲的形态特别陡峭，其波形所占用的频谱宽达数吉赫兹。nUWB技术主要是接受无载波方式来实现，UWB干脆用脉冲对信号进行调制，调制脉冲的形态特别陡峭，其波形所占用的频谱宽达数吉赫兹。n依据香农理论，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。香农容量极限公式为n （8.3.2）n式中，C=信道容量（bits）；n BW=信道带宽；n SNR=P/BWN，信噪比；n P=所接收的信号功率；n N=噪声功率谱密度（W/Hz）。n在时域上，脉冲的持续时间确定了信号在频域内所占据的带宽。脉冲越窄，频谱越宽。明显，UWB技术可以在极低的放射功率下传输特别高的
7、数据数率。UWB技术在短距离（特殊是小于10m）时吞吐量远远大于IEEE 802.11a、IEEE 802.11g两种WLAN技术的吞吐量。n3UWB脉冲波形n（1）高斯单周期波形n一种高斯单周期波形的数学表达式 （8.3.3）n式中，fmono为峰值经归一化之后的脉冲输出值，波形如图8.3.2（a）所示。该波形的频谱如图8.3.2（b）所示。图8.3.2 一种高斯单周期信号的波形及其频谱n图8.3.2（b）所对应的数学表达式为其中心频率或频谱密度中的峰值频率fc为n n（2）UWB脉冲序列nTime Domain公司设计的一种 UWB脉冲序列在时域中的表示，以及在频域中的能量分布如图8.3.
8、3所示。图8.3.3 UWB脉冲序列波形及其在频域内的能量n4UWB的空间容量nUWB的空间容量定义为单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量。这一参数可以比较客观地反映系统的容量。作为对比，图8.3.4绘出了几种短距离通信技术的空间容量，UWB的空间容量可以达到1Mb/(sm2)，其优势是特别明显的。图8.3.4 几种短距离通信技术的空间容量比较n5UWB信号的编码与调制nUWB单脉冲的产生可以接受如图8.3.2（a）的方案。通过变更脉冲的特性就可以产生符合能量与频谱要求的波形。这其中影响波形特性的因素有3个：放射能量的带宽；在规定频谱内放射能量的大小；定义能量在频谱中的中心位置。由脉冲的频率可以
9、确定所放射的能量在所处带宽内的中心频率。由脉冲的形态可以确定在频域内能量的分布。n理论上，UWB可以接受以下技术调制：脉冲幅值调制（PAM）、相位调制（BPSK等）、通断键控（OOK）、脉冲位置调制（PPM）（包括M进制）、正交脉冲调制等。UWB的PAM调制波形如图8.3.5所示。图8.3.5 UWB的PAM调制波形n多带调制方案是一种更加敏捷的频谱利用方案。该方案的基本思想是把7.5GHz的频带分裂成多个更小的频带。为了有效利用整个频谱，多个频段必需在多个频率中心处产生。接受伪载波振荡可以完成中心频率的选择。伪载波振荡频率确定了频带的中心频率，而振荡波的形态则定义冲击脉冲的形态，因而确定带宽
10、。多带UWB调制可以有效地运用FCC所规定的整个频谱；可以独立对待单个子频带，增加了UWB系统的敏捷性。在UWB设备与其他设备共存时，多带调制方案可以有效地削减UWB设备对其他窄带设备的干扰。n通常，UWB系统接受跳时编码（THUWB）和干脆序列编码（DSUWB）。n6UWB存在的问题nUWB在技术上还有诸多尚未解决的问题：n 调制和编码技术还有待完善。但在将来的商业应用中，用户容量是特别重要的因素。调制和编码技术是已知的改善系统容量的最重要的手段，必需独创自适应的调制方法和信道编码方案，以适应UWB所具有的特殊的时域特性；n 为了能够适应困难的信号传播环境，可能须要一些如MIMO（多输入多输
11、出）之类的先进技术，从而供应牢靠的连接，以及对数据速率的适应实力；n 虽然UWB技术具有内在的抗多径实力，但它并不能完全克服这一问题。在有些室内环境下，这种多径效应将变得特别严峻；n 在物理层，UWB收发器的系统结构、天线设计与实现是一个突出的问题与挑战，UWB设备的天线系统须要面临更高的带宽和线性度及可变的工作条件等要求；n 如何在最有效地利用频谱的同时，克服窄带（NB）发送器对UWB接收器所造成的干扰？如何接受自适应滤波器等技术来降低干扰；n UWB技术的速率或吞吐量的极限是多少？n UWB设备对其他无线电设备的干扰的定量分析和评价；如何解决UWB设备对窄带接收器所造成的干扰？如何评价UW
12、B信号对其他共存无线系统如对蓝牙设备、WLAN、FWA和3G蜂窝系统等的影响？n 在地理环境困难的条件下，如何有效地捕获多径能量；UWB系统与设备的非线性模拟电路和元件设计技术，超高速时钟、同步延时和功耗等问题的解决。8.3.2 UWB收发器电路拓扑结构n一般的UWB放射机和接收机电路拓扑结构如图8.3.6和图8.3.7所示。一种高集成度的、低功耗、用于室内的、用于无线网络的UWB收发器电路拓扑结构如图8.3.8所示。图8.3.6 UWB放射机电路拓扑结构 图8.3.7 UWB接收机的电路拓扑结构图8.3.8 UWB收发器电路拓扑结构示意图nUWB相关接收器负责对所接收的信号进行相关处理，即将所接收的信号与所期望的脉冲信号进行相关操作。一个UWB相关接收器的原理图如图8.3.9所示。两种UWB相关接收器电路拓扑结构示意图如图8.3.10所示。在图8.3.10（a）中，首先干脆对信号进行采样，须要多个模/数（A/D）转换器，各转换器在时间上分别具有不同的偏移量，以较低的辨别率和脉冲重复速率采样。图8.3.10（b）是一种模拟积分器方案，即在模/数转换之前，先对N个脉冲进行相关操作，辨别率可以增大到大约log2N。图8.3.9 一个UWB相关接收器的原理图图8.3.10 UWB相关接收器电路拓扑结构示意图