超寬帶脈沖無線傳輸技術

2019-11-03 09:00:41

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東南大學移動通信國家重點實驗室徐斌畢光國

　　經典的超寬帶無線系統主要采用基帶脈沖傳輸技術,它具有高空間頻譜效率、高測距精度、低功耗、低成本、小體積等諸多優點和潛力，但同時也面臨波形失真等諸多挑戰。

　　根據超寬帶信號的基本特性，超寬帶無線技術大體包括基帶脈沖傳輸方式和帶通載波調制傳輸方式兩大類。脈沖傳輸的特點是把信息調制在離散脈沖信號上發射，而帶通載波調制傳輸的特點則是把信息調制在正弦載波上發射。經典的超寬帶無線系統主要采用基帶脈沖傳輸技術。

　　脈沖波形

　　超寬帶脈沖無線傳輸技術依賴脈沖串傳遞信息，因此，脈沖波形的特征及設計是超寬帶脈沖無線系統重要的研究內容之一。

　　根據超寬帶基帶脈沖的頻譜特性，超寬帶脈沖可以分為兩大類：第一類是基帶脈沖，該類脈沖包含從低頻到高達幾個GHz頻率的連續帶寬；第二類是特殊脈沖，即滿足特定頻譜要求的脈沖，例如，為了滿足FCC規定的頻譜特性或抑制窄帶干擾而設計的特殊脈沖，一般通過特殊設計或濾波獲得。經典的超寬帶系統采用基帶脈沖波形。

　　在超寬帶技術研究中，常見的超寬帶基帶脈沖包括：矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖(Gaussian Monocycle)和瑞利單脈沖(Rayleigh Monocycle)等。矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，工程應用價值不大，一般僅用于學術研究。工程上常用的超寬帶脈沖應該沒有直流分量，一般通過對高斯脈沖進行求導獲得，例如，對高斯脈沖求一階導數可以獲得瑞利單脈沖，對高斯脈沖求二階導數可以獲得高斯單脈沖。比較而言，高斯單脈沖更適合作為傳遞信息的超寬帶脈沖。

　　然而，上述脈沖波形的頻率特性都無法滿足FCC關于超寬帶信號的頻譜要求。為此，人們還提出了其他超寬帶脈沖的產生方法。例如，用漢明窗調制載波的方法，漢明窗超寬帶脈沖中心頻率和帶寬可以方便地通過參數調節獲得。

　　調制技術

　　在超寬帶脈沖無線系統中，信息是調制在脈沖上傳遞的，既可以用單個脈沖傳遞不同的信息，也可以使用多個脈沖傳遞相同的信息。

　　1．單脈沖調制

　　對于單個脈沖，脈沖的幅度、位置和極性變化都可以用于傳遞信息。經典的單脈沖調制技術包括：脈沖幅度調制(PAM)、脈沖位置調制(PPM)、二相調制(BPM)和開關鍵控(OOK)等。圖1是這四種脈沖調制技術的示意圖。

　　圖1 四種脈沖調制技術的示意

　　PAM是通過改變脈沖幅度的大小來傳遞信息的一種脈沖調制技術。PAM既可以改變脈沖幅度的極性，也可以僅改變脈沖幅度的絕對值大小。通常所講的PAM只改變脈沖幅度的絕對值。BPM和OOK是PAM的兩種簡化形式。BPM通過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅度的絕對值相同。OOK通過脈沖的有和無來傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調制中，發射脈沖的時間間隔是固定不變的。實際上，我們也可以通過改變發射脈沖的時間間隔或發射脈沖相對于基準時間的位置來傳遞信息，這就是PPM的基本原理。在PPM中，脈沖的極性和幅度都不改變。

　　PAM、OOK和PPM共同的優點是可以通過非相干檢測恢復信息。PAM和PPM還可以通過多個幅度調制或多個位置調制提高信息傳輸速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一個共同的缺點：經過這些方式調制的脈沖信號將出現線譜。線譜不僅使超寬帶脈沖系統的信號難于滿足一定的頻譜要求，例如，FCC關于超寬帶信號頻譜的規定，而且會降低功率的利用率。而BPM則可以避免線譜現象，并且是功率效率最高的脈沖調制技術。對于功率譜密度受約束和功率受限的超寬帶脈沖無線系統，為了獲得更好的通信質量或更高的通信容量，BPM是一種比較理想的脈沖調制技術。

　　另外，我們也可以在超寬帶脈沖無線系統中綜合使用上述調制技術。

　　2．多脈沖調制

　　實際上，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在超寬帶脈沖無線系統中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調制的基本思想。

　　當采用多脈沖調制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內部單個脈沖的調制，第二步為每組脈沖作為整體被調制。在第一步中，每組脈沖內部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調制；在第二步中，每組脈沖作為整體通常可以采用PAM、PPM或BPM調制。一般把第一步稱為擴譜(SPRead Spectrum)，而把第二步稱為信息調制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時(Timing Hopping)擴譜(TH-SS)，即每組脈沖內部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置；把BPM稱為直接序列(Direct Sequence)擴譜(DS-SS)，即每組脈沖內部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據需要傳輸的信息比特，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調節每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到以下多脈沖調制技術：TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。

　　多脈沖調制不僅可以通過提高脈沖重復頻率來降低單個脈沖的幅度或發射功率，更重要的是，多脈沖調制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準正交性實現多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機性實現窄帶干擾抑制。

　　在多脈沖調制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調制的信號來提高系統的通信速率，這樣的技術通常被稱為碼分復用(CDM，Code Division Multiplexing)技術。筆者在2004年的國際信號處理會議上提出了一種特殊的CDM系統——無載波的正交頻分復用系統(CL-UWB/OFDM)。這種特殊的多脈沖調制技術可以有效地抑制多路數據之間的干擾和窄帶干擾。

　　系統結構

　　圖2～4分別為采用TH-SS PPM、DS-SS BPM和CL-OFDM多脈沖調制技術的脈沖超寬帶無線傳輸系統的示意圖。

　　圖2 TH-SS PPM系統框圖

　　圖3 DS-SS BPM系統框圖

　　圖4 CL-UWB/OFDM系統框圖

　　共存問題

　　由于經典的超寬帶脈沖無線系統使用基帶脈沖傳遞信息，導致超寬帶脈沖設備之間、超寬帶脈沖設備與現有窄帶系統之間共享相同的頻譜。因此，超寬帶系統之間和超寬帶系統與現有系統之間的共存問題成為超寬帶脈沖系統及網絡設計的關鍵問題之一。而解決共存問題的途徑大致可以分為四大類:

　　通過特殊的脈沖設計是解決窄帶干擾的一種有效方法。例如，設計具有帶寬限制的脈沖避免窄帶干擾對超寬帶信號的影響。而設計正交脈沖則可以解決多個超寬帶系統共存的問題。

　　多脈沖調制技術可以通過SS碼的正交性或準正交性實現對多用戶干擾和窄帶干擾的抑制。對多脈沖SS序列的設計也可以認為是一種特殊的脈沖波形的設計。

　　信號處理是一種根據期望信號與干擾信號之間的特征差異實現的干擾抑制技術，特征差異既可以體現在時域、頻率和空間，也可以體現在其他變換域或者混合域。信號處理算法的設計既包括模擬、數字濾波器的設計，也包括統計信號的各種檢測方法。

　　共存問題還可以通過媒介接入控制(MAC：Media access Control)和網絡資源管理等手段解決。例如，通過帶寬資源、路由或多址技術的自適應分配避免干擾產生，或把干擾降低到最低。

　　潛在的優點

　　無線頻譜或帶寬是無線通信系統重要而稀缺的資源，而超寬帶脈沖無線傳輸技術以犧牲傳輸距離為代價換取了豐富的頻譜資源。利用充足的頻譜資源，不僅大大提高了超寬帶系統設計的靈活度，還為超寬帶無線系統帶來了眾多內在的潛力和優點。

　　高空間容量。雖然，超寬帶系統在傳輸高數據率的同時犧牲了傳輸距離，但是，縮短傳輸距離也減少了超寬帶信號對相鄰超寬帶系統的干擾。因而，在相同的空間，可以容納更多的超寬帶無線傳輸系統同時工作，從而極大地提高了單位空間的數據傳輸率，即空間容量。

　　高功率效率。利用超寬帶信號極窄的時域脈沖，將大大降低信號傳輸的路徑損失及多徑衰落程度。極窄脈沖對多徑的高分辨能力，首先使相互疊加的多徑信號減少，從而減小了每條可分辨多徑的衰落程度；其次，使可分辨的多徑數目增加，通過相干合并將進一步抑制衰落。基帶脈沖信號包含豐富的低頻成份，因而具有相對較低的材料穿透損失。基帶脈沖信號的無載波特性使脈沖即使在重疊的情況下，也不會導致太大的衰落。

　　低發射功率和低干擾。由于僅應用于中短距離無線通信，所以超寬帶脈沖的發射功率很低，不僅降低了通信設備的功耗，還大大降低了系統的實現難度。超寬帶信號具有非常低的功率譜密度，使得超寬帶系統可以同現有的窄帶系統共存。

　　低截獲概率。超寬帶信號極低的功率譜密度也使應用于軍事的超寬帶保密通信成為可能。

　　高測距精度。極窄脈沖具有內在的高精度測距能力。

　　低系統成本。無載波傳輸將使超寬帶系統的收發結構大大簡化，從而降低收發器件的成本。

　　應用前景

　　超寬帶技術在通信、雷達和無線定位等領域都將有廣闊的應用前景。近年來，人們對超寬帶技術深入的研究使超寬帶技術在系統理論、天線、功率放大器、脈沖的產生與接收、同步、集成電路等方面取得了重大進步，尤其是在超寬帶無線傳輸領域的技術進步，使超寬帶通信成為未來無線網絡的重要組成部分成為可能。

　　相對于傳統的窄帶無線通信系統，超寬帶無線傳輸系統具有諸多優點和潛力，使超寬帶無線傳輸成為中短距無線網絡的理想接入技術。根據傳輸速率不同，脈沖超寬帶無線傳輸系統也具有不同的特點和應用領域。

　　利用超寬帶技術可以提供高數據率傳輸的能力與定位功能，可以設計依賴定位信息優化網絡資源管理的WPAN或WLAN，并應用于多媒體傳輸、計算機通信和家庭娛樂等領域。

　　利用脈沖超寬帶信號對障礙物的良好穿透特性與精確測距功能，可以設計既具有通信功能也具有定位功能的超寬帶脈沖無線通信與定位系統。該系統包括傳輸距離遠(通信速率低)、分布式移動定位、便攜、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特點。因而可以廣泛應用于傳感器網絡、消防、公共安全、庫存盤點、人員監護與救生等重要領域。利用超寬帶脈沖信號低截獲概率、保密性高和體積小的優點，該系統還可以應用于偵察、情報收集、傷員救護、武器制導等軍事領域。

　　面臨的挑戰

　　然而，為了獲得低成本、低功耗和小體積的超寬帶設備，使超寬帶無線傳輸技術得到廣泛的應用，超寬帶系統設計仍面臨許多技術挑戰。主要包括:

　　● 波形失真。即使相繼到達接收端的多徑脈沖能夠被完全分開，也會由于收發天線的不理想特性等原因導致脈沖波形的嚴重失真，從而使接收端相干合并多路徑的分集技術難于獲得期望的性能。

　　● 同步問題。超寬帶信號極窄的時域特征，使接收機捕獲和跟蹤亞納秒級的脈沖信號非常困難。

　　● 多徑環境。在密集多徑環境中，為了防止符號間干擾，要么采用高階調制而降低脈沖重復頻率，要么采用復雜的信號處理技術抑制多徑干擾。高階調制不僅會犧牲無線傳輸的功率效率，還將大大增加單個脈沖的功率，從而增加脈沖的生成難度。復雜的信號處理不僅會增加系統的復雜度和體積，還將提高信號處理的功率消耗。為了收集眾多可分辨路徑的能量，也會大大增加超寬帶系統的實現成本。

　　● 多址干擾和窄帶干擾。脈沖超寬帶設備之間、脈沖超寬帶設備和現有的窄帶系統之間往往共享頻譜，這將導致不同超寬帶設備之間的多址干擾，以及現有系統對超寬帶系統的嚴重干擾。有效抑制這些干擾將增加脈沖設計和信號處理的實現難度。

　　● 資源管理。為了充分利用超寬帶無線傳輸在物理層的眾多優點，必須開發新的鏈路和網絡層協議，更有效地管理超寬帶無線資源。

　　解決上述問題有賴于超寬帶理論的突破性進展和集成電路的飛速發展。為此，國際國內眾多的研究機構和公司相繼投入了大量的科研力量對超寬帶無線傳輸理論和技術展開了深入而廣泛的研究與開發。

　　
摘自《計算機世界報》第38、39期 B6、B9

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