超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2008/5/27 0:00:00 訪問次數(shù):512
    
    摘要:介紹了超寬帶(uwb)無線通信技術(shù)的基本概念和主要的實(shí)現(xiàn)方案,對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了剖析,并簡要說明了超寬帶兩種候選標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)。
    關(guān)鍵詞:超寬帶 無線通信 同步
    隨著各種無線通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn),可利用的頻譜資源日趨飽和,使超寬帶技術(shù)引起了人們的廣泛重視。2002年2月fcc對(duì)超寬帶使用發(fā)布無許可證使用后,超寬帶技術(shù)迅速成為國際無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn),并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    所謂超寬帶,根據(jù)fcc的定義,是指信號(hào)的-10db相對(duì)帶寬大于0.2,或絕對(duì)帶寬不小于500mhz。其中相對(duì)帶寬是指
    ffoc=2(fh-fl)/(fh+fl) (1)
    這里fh、fl分別對(duì)應(yīng)上限和下限頻率。為了不影響頻譜范圍內(nèi)的其它通信系統(tǒng),超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率受到了嚴(yán)格的限制。在室內(nèi)通信的3.1ghz~10.6ghz頻段內(nèi),信號(hào)功率嚴(yán)格規(guī)定要低于0.56mw,對(duì)應(yīng)41.3dbm/mhz,如圖1。
    
    
    
    uwb無線通信的歷史可以追溯到1942年rosa提交的隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的專利,從其出現(xiàn)到二十世紀(jì)90年代之前,uwb技術(shù)主要采用其最初的脈沖形式。早期的uwb系統(tǒng)利用頻帶極寬的超短脈沖進(jìn)行通信,通常又稱為基帶、無載波或脈沖系統(tǒng)。近年來,開始用于民用高速無線通信領(lǐng)域,并有了較大的發(fā)展和變化,產(chǎn)生了載波調(diào)制的直接序列碼分多址和多載波正交頻分復(fù)用等多種實(shí)現(xiàn)方式。
    窄帶與寬帶系統(tǒng)相比,超寬帶的特點(diǎn)是:
    (1)共享頻譜。uwb不是獨(dú)點(diǎn)新的頻譜,而是與其它系統(tǒng)共享頻譜,在7500mhz的大帶寬內(nèi),通過嚴(yán)格限制發(fā)射功率,從而避免了對(duì)其它系統(tǒng)的干擾。這樣的頻譜使用方式,在頻譜資源日益稀缺的今天具有重要意義。
    (2)速率高、成本低、功耗低。uwb通信采用沖擊脈沖形式,因?yàn)槭菐拏鬏,系統(tǒng)相對(duì)簡單;而低占空比使系統(tǒng)功耗很低;uwb極寬的頻譜,使uwb系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)1gbps以上,在目前的無線通信技術(shù)中,只有uwb技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。
    (3)信號(hào)衰減較小,穿透力強(qiáng)。采用基帶窄脈沖形式的uwb信號(hào),具有適當(dāng)波形的uwb脈沖具有較強(qiáng)的定向性,衰減很慢。另外,由于基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量,所以在室內(nèi)傳播悍可順利地穿過墻壁等一般的障礙物。
    (4)低偵聽率。uwb信號(hào)的功率譜密度非常低,信號(hào)難以被檢測(cè)到,再加上采用的跳頻、直接序列擴(kuò)頻等多址接入技術(shù),使非授權(quán)者很難截獲傳輸信息,因而安全性非常好。
    (5)抗多徑能力強(qiáng)。由于沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間極短,而占空比很大,這一傳輸方式具有良好的多徑分辨性,使rake接收容易實(shí)現(xiàn)。
    
    
    
    1 無載波方案
    無載波脈沖方案為uwb通信的傳統(tǒng)方式,信息由沖擊脈沖攜帶,單脈沖的寬度極窄,一般在亞納秒級(jí),且占空比相當(dāng)小,為1%,甚至為0.1%,具有極強(qiáng)的多徑信道分辨能力,使無線室內(nèi)通信環(huán)境中,密集多徑信道的分離和處理成為可能。
    1.1 波形設(shè)計(jì)
    盡管無載波超寬帶的平均功率相當(dāng)?shù),但考慮到其極低的占空比,峰值功率有可能很大,因此,需要對(duì)傳輸波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。波形選擇通常有方波、高斯形等,其中高斯形脈沖類似于單周正弦波,頻譜結(jié)構(gòu)中直流及接近直流的頻譜成為分較弱,有利于極窄脈沖信號(hào)的傳輸,接收端易于相關(guān)檢測(cè)與識(shí)別,使用較多。在無載波脈沖uwb通信中,收發(fā)端的天線對(duì)輸入信號(hào)分別有一次微分效應(yīng),這一點(diǎn)將直接影響接收模板的信號(hào)設(shè)計(jì)。
    典型情況下,經(jīng)過收發(fā)天線和信道傳播,接收部分收到的脈沖信號(hào)為單周高斯脈沖,接收天線處的輸出信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示,函數(shù)形式為:
    
    
    
    其中,σ為脈沖的有效持續(xù)時(shí)間長度,超寬帶通信中的發(fā)射信號(hào)s(t)對(duì)于捕獲部分而言,將等效為:
    
    
    
    其中,tf為脈沖發(fā)射間隔時(shí)間
    
    摘要:介紹了超寬帶(uwb)無線通信技術(shù)的基本概念和主要的實(shí)現(xiàn)方案,對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了剖析,并簡要說明了超寬帶兩種候選標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)。
    關(guān)鍵詞:超寬帶 無線通信 同步
    隨著各種無線通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn),可利用的頻譜資源日趨飽和,使超寬帶技術(shù)引起了人們的廣泛重視。2002年2月fcc對(duì)超寬帶使用發(fā)布無許可證使用后,超寬帶技術(shù)迅速成為國際無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn),并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。
    所謂超寬帶,根據(jù)fcc的定義,是指信號(hào)的-10db相對(duì)帶寬大于0.2,或絕對(duì)帶寬不小于500mhz。其中相對(duì)帶寬是指
    ffoc=2(fh-fl)/(fh+fl) (1)
    這里fh、fl分別對(duì)應(yīng)上限和下限頻率。為了不影響頻譜范圍內(nèi)的其它通信系統(tǒng),超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率受到了嚴(yán)格的限制。在室內(nèi)通信的3.1ghz~10.6ghz頻段內(nèi),信號(hào)功率嚴(yán)格規(guī)定要低于0.56mw,對(duì)應(yīng)41.3dbm/mhz,如圖1。
    
    
    
    uwb無線通信的歷史可以追溯到1942年rosa提交的隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的專利,從其出現(xiàn)到二十世紀(jì)90年代之前,uwb技術(shù)主要采用其最初的脈沖形式。早期的uwb系統(tǒng)利用頻帶極寬的超短脈沖進(jìn)行通信,通常又稱為基帶、無載波或脈沖系統(tǒng)。近年來,開始用于民用高速無線通信領(lǐng)域,并有了較大的發(fā)展和變化,產(chǎn)生了載波調(diào)制的直接序列碼分多址和多載波正交頻分復(fù)用等多種實(shí)現(xiàn)方式。
    窄帶與寬帶系統(tǒng)相比,超寬帶的特點(diǎn)是:
    (1)共享頻譜。uwb不是獨(dú)點(diǎn)新的頻譜,而是與其它系統(tǒng)共享頻譜,在7500mhz的大帶寬內(nèi),通過嚴(yán)格限制發(fā)射功率,從而避免了對(duì)其它系統(tǒng)的干擾。這樣的頻譜使用方式,在頻譜資源日益稀缺的今天具有重要意義。
    (2)速率高、成本低、功耗低。uwb通信采用沖擊脈沖形式,因?yàn)槭菐拏鬏敚到y(tǒng)相對(duì)簡單;而低占空比使系統(tǒng)功耗很低;uwb極寬的頻譜,使uwb系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)1gbps以上,在目前的無線通信技術(shù)中,只有uwb技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。
    (3)信號(hào)衰減較小,穿透力強(qiáng)。采用基帶窄脈沖形式的uwb信號(hào),具有適當(dāng)波形的uwb脈沖具有較強(qiáng)的定向性,衰減很慢。另外,由于基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量,所以在室內(nèi)傳播悍可順利地穿過墻壁等一般的障礙物。
    (4)低偵聽率。uwb信號(hào)的功率譜密度非常低,信號(hào)難以被檢測(cè)到,再加上采用的跳頻、直接序列擴(kuò)頻等多址接入技術(shù),使非授權(quán)者很難截獲傳輸信息,因而安全性非常好。
    (5)抗多徑能力強(qiáng)。由于沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間極短,而占空比很大,這一傳輸方式具有良好的多徑分辨性,使rake接收容易實(shí)現(xiàn)。
    
    
    
    1 無載波方案
    無載波脈沖方案為uwb通信的傳統(tǒng)方式,信息由沖擊脈沖攜帶,單脈沖的寬度極窄,一般在亞納秒級(jí),且占空比相當(dāng)小,為1%,甚至為0.1%,具有極強(qiáng)的多徑信道分辨能力,使無線室內(nèi)通信環(huán)境中,密集多徑信道的分離和處理成為可能。
    1.1 波形設(shè)計(jì)
    盡管無載波超寬帶的平均功率相當(dāng)?shù)停紤]到其極低的占空比,峰值功率有可能很大,因此,需要對(duì)傳輸波形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。波形選擇通常有方波、高斯形等,其中高斯形脈沖類似于單周正弦波,頻譜結(jié)構(gòu)中直流及接近直流的頻譜成為分較弱,有利于極窄脈沖信號(hào)的傳輸,接收端易于相關(guān)檢測(cè)與識(shí)別,使用較多。在無載波脈沖uwb通信中,收發(fā)端的天線對(duì)輸入信號(hào)分別有一次微分效應(yīng),這一點(diǎn)將直接影響接收模板的信號(hào)設(shè)計(jì)。
    典型情況下,經(jīng)過收發(fā)天線和信道傳播,接收部分收到的脈沖信號(hào)為單周高斯脈沖,接收天線處的輸出信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示,函數(shù)形式為:
    
    
    
    其中,σ為脈沖的有效持續(xù)時(shí)間長度,超寬帶通信中的發(fā)射信號(hào)s(t)對(duì)于捕獲部分而言,將等效為:
    
    
    
    其中,tf為脈沖發(fā)射間隔時(shí)間
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