UWB通信技術(shù)中的時間調(diào)制技術(shù)及應用前景

潘樂樂

[摘要]分析uwB通信技術(shù)中的時間調(diào)制技術(shù)的原理和優(yōu)點，同時結(jié)合相關(guān)案例分析探討其應用現(xiàn)狀和未來應用的發(fā)展難點和措施。

[關(guān)鍵詞]時間調(diào)整超寬帶

中圖分類號：TN91文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)1020113—01

一、何謂UWB技術(shù)

所謂UWB技術(shù)，也叫超寬帶技術(shù)。簡單的說UWB技術(shù)是基于短的能量脈沖序列、通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴展到一個頻率范圍，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的一種無載波通信技術(shù)，由于其不適用載波，該技術(shù)傳輸速度較之其他的技術(shù)快很多，同時其功耗也小很多。超寬帶使用的電波帶寬為數(shù)CHZ，它搞出普通的帶寬20MHZ的無線LAN的帶寬幾百倍。

二、時間調(diào)制技術(shù)的基本原理

目前的無線通信系統(tǒng)大多采用恒包絡直接擴頻調(diào)制方式，而使很多人忽略了采用脈沖跳時調(diào)制的無線通信方式，即時域通信技術(shù)。當前，超寬帶無線電的實現(xiàn)基本上是采用沖激無線電技術(shù)。它不是基于正弦載波的無線電系統(tǒng)的概念，而是一種采用沖激脈沖作為信息載體的非正弦系統(tǒng)。

(一)時間調(diào)制超寬帶TM-UWB的關(guān)鍵技術(shù)——時間調(diào)制技術(shù)。TM-UWB技術(shù)的一般工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，其寬度通常在200ps-500ps之間，脈沖與脈沖之間的間即，即重復周期通常在25ns-1000ns之間，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，超寬帶接收機直接將射頻信號轉(zhuǎn)換為墓帶數(shù)字信號和模擬輸出信號。只用一級前端交叉相關(guān)器就把電磁脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，不用傳統(tǒng)通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。單比特的信息常被擴展到多個單脈沖上，接收機將這幾個脈沖相加以恢復發(fā)射信息。

(二)時間調(diào)制超寬帶寬(TM--UWB)系統(tǒng)的性能特點?；跁r間脈沖位置調(diào)制的超寬帶無線時域技術(shù)有以下特點：用超短周期脈沖進行通信，此信號本身為超寬帶信號，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz-SGHz之間，在亞毫瓦量級的平均功率下的傳輸距離達數(shù)英里，抗干擾和抗多徑的能力強，具有很寬的帶寬和多個信道可以利用，與擴頻系統(tǒng)相比，時域通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低。具體來講：

1、隱蔽性好。無線電波空間傳播的“公開性”是無線電通信較之有線通信的固有不足。超寬帶無線電的射頻帶寬可達IGHz以上，且所需平均功率很小，信號被隱蔽在環(huán)境噪聲和其它信號中，難以被敵方檢測。

2、處理增益高。超寬帶無線電處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用的脈沖數(shù)，可以做到比目前實際擴譜系統(tǒng)高得多的處理增益。

3、多徑分辯能力強。由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10-30dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。

4、傳輸速率高。數(shù)字化、綜合化、寬帶化、智能化和個人化是通信發(fā)展的主要趨勢。確保提供高質(zhì)量多媒體業(yè)務的無線網(wǎng)絡，其信息速率不能低于50Mbps。超寬帶無線電在近距離能提供很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，研究表明，在10-100m范圍內(nèi)，傳輸速率可達到50Mbit／s-250Mbids，但超過100m系統(tǒng)吞吐量將大大降低。

5、系統(tǒng)容量大。超寬帶無線電發(fā)送占空比極低的沖徽脈沖，采用跳時(TH)地址碼調(diào)制，便于組成類似DS-CDMA系統(tǒng)的移動網(wǎng)絡。由于超寬帶無線電具有很高的處理增益，并且具有很強的多徑分辯能力，因此，超寬帶無線電系統(tǒng)用戶數(shù)量大于3G系統(tǒng)。

6、穿透能力強。實驗系統(tǒng)證明，超寬帶無線電具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規(guī)超短波信號在從林中不能有效傳播的空白。

7、低功耗。超寬帶無線電的功耗很低，僅為1～4mW大大延長了電源的供電時間。

正是由于上述特點，TM-UWB技術(shù)可以用在個人通信系統(tǒng)(Pc、建筑物內(nèi)通信系統(tǒng)、高速無線局域網(wǎng)、家庭智能網(wǎng)、無繩電話、保安探測、近距離高精度定位等方面。

三、UWB通信技術(shù)中的時間調(diào)制技術(shù)的應用及其前景分析

(一)雷達應用。TM-UWB技術(shù)用于地面探測雷達(GPR)已有一段歷史，現(xiàn)在正在向成像系統(tǒng)的新方向發(fā)展，并可應用于治安、消防和人員營救中，用來對藏在墻后或者碎片中的人員進行定位。

(二)通信應用。TM-UWB設備可以應用于各種通信系統(tǒng)下，如避免多徑效應干擾的短距離高數(shù)據(jù)率通信。多徑效應是一種輻射現(xiàn)象，它由于傳輸信號本身的反射，導致了到達接收天線的信號經(jīng)由兩個或多個不同的路徑。UWB通信設備可以用于樓內(nèi)或家庭的無線傳輸服務，如電話、電報和電腦網(wǎng)絡。這些設備也可提供隱蔽、可靠的通信，從而應用于治安、消防和人員營救。的用途包括：緊急事件中的區(qū)域照明，人員和有用資產(chǎn)跟蹤，交通工具或工農(nóng)業(yè)設備的精確導航。目前已開發(fā)的系統(tǒng)有：

固定無線通信：距離超過16公里的全雙工系統(tǒng)，工作頻率1.3GHz，平均輸出功率250微瓦，可達到39kbps-156kbps的數(shù)據(jù)傳輸率。

移動無線通信：全雙工的walkie-talkie系統(tǒng)，工作頻率1.7GHz，平均輸出功率2毫瓦，數(shù)據(jù)率32kbps，距離900米。

樓內(nèi)通信：單12GHz的數(shù)據(jù)鏈路，有效輸出功率50微瓦，不用前向糾錯仍保證BER為零時，能在有兩堵墻的辦公室環(huán)境中達到32Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，性能相當不錯。

當前無線技術(shù)的應用越來越紅火，無線資源也顯的越來越進展，無論是GSM，CDMA還是眾目期盼的3G技術(shù)，都遠遠不能滿足消費者對無線帶寬資源的需要，超寬度無線電技術(shù)及時間調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，使無線通信有“山窮水復疑無路，柳暗花明又一村”的感覺。

但UWB技術(shù)及時間調(diào)制技術(shù)，雖然有著極大的吸引力-但它背后隱藏著許多極具挑戰(zhàn)性的研究課題。UWB及相應的時間調(diào)制技術(shù)真正進入商業(yè)，還有好長的路要走：首先，要建立從時域角度考慮的超寬帶無線電發(fā)射器的模型。UWB技術(shù)使用的天線最好從時域的角度考慮：天線的緊湊型、低電壓、天線的輻射效率、全向天線和定向天線的選擇等都需要解決。

低電平超寬帶無線電信號集合干擾問題也是以后研究的重點。在理論上和實踐上改進和完善時間調(diào)制信號與頻域調(diào)制信號之間的相互干擾問題。仿真結(jié)果表明在理論上是能夠有效的平衡的，但還需要現(xiàn)場實驗來驗證。

四、結(jié)語

雖然超寬帶無線電及時間調(diào)整技術(shù)在進入商用還有許多障礙，但2002~2月14日，F(xiàn)CC正式解除了超寬帶技術(shù)的民用禁令，準許該技術(shù)自由進入民用領域；在當前技術(shù)研發(fā)突發(fā)猛進的時代，新技術(shù)新應用的突出空前的快速，相信在不久的將來，時間調(diào)制技術(shù)將越發(fā)顯示出它相對與傳統(tǒng)頻域調(diào)制技術(shù)的優(yōu)越性。