超寬帶通信技術及其軍事應用前景*

程　宇　冉建華

(1.海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室　武漢　430205)(2.武漢船舶通信研究所　武漢　430205)

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超寬帶通信技術及其軍事應用前景*

程宇1冉建華2

(1.海軍駐武漢地區(qū)通信軍事代表室武漢430205)(2.武漢船舶通信研究所武漢430205)

摘要文章介紹了超寬帶通信技術及其國內外發(fā)展情況,分析了其技術優(yōu)勢和關鍵技術,最后對其軍事應用前景進行了探討。

關鍵詞超寬帶; 高速率; 超窄脈沖; 軍事應用

Introduction and Military Application of Ultra Wide Band Communication Technology

CHENG Yu1RAN Jianhua2

(1. Navy Representative Office of Communication in Wuhan, Wuhan430205) (2. Wuhan Marine Communications Research Institute, Wuhan430205)

AbstractThe paper introduces development status of civil and overseas, and analyses the advantage and key technology. In the end, the paper discusses its prospect of military application.

Key Wordsultra wide band, high rate, ultra-short pulse, military application

Class NumberTP393

1引言

超寬帶(Ultra Wide Band,UWB)通信具備高速率、難檢測、低功耗、低成本等技術優(yōu)勢,是軍事通信領域中新的研究熱點之一。超寬帶通信是指頻譜絕對帶寬大于500MHz,或者頻譜相對帶寬大于中心頻率25%的通信方式。根據香農定理,帶寬的增加會帶來通信容量的線性增加,而通過增加功率的方式來提高通信容量,需付出的代價將成指數倍增長。

超寬帶通信所用頻譜極寬,但戰(zhàn)場頻譜資源總是有限的,用戶或戰(zhàn)術業(yè)務的通信手段只能以頻分復用(FDMA)、時分復用(TDMA)、碼分復用(CDMA)、空分復用(SDMA)等方式占用有限的頻譜資源。如圖1,某具體用戶及戰(zhàn)術業(yè)務所能獲得的通信容量取決于通信時間、空間、帶寬、功率等要素確定的信號體積。

圖1　幾種通信方式的信號體積

超寬帶通信可分為無載波“沖激無線電”(IR-UWB)體制、單載波超寬帶(SC-UWB)體制和多載波超寬帶(MC-UWB)體制。其中,MC-UWB方式充分利用時間-帶寬信號體積實現高速數據傳輸(典型值為480Mbps);而IR-UWB方式不需載波調制,而是采用極低占空比的超窄脈沖在極寬頻段上進行通信,可以實現隱蔽通信并且降低了系統(tǒng)成本,但在時間域上做出了犧牲,通信容量受到限制(幾百Kbps到幾十Mbps);為便于電路和天線等達到較好的頻率響應特性,并且實現FDMA,在IR-UWB的基礎上進行載波調制,造就了SC-UWB方式。

2超寬帶通信技術現狀

UWB技術作為一項科學研究始于1960年代的時域電磁場理論,隨著科學技術的發(fā)展逐步應用于雷達和軍事通信系統(tǒng)。1990年美軍方公開發(fā)表了UWB技術的評估報告,1994年以后部分取消了對此技術的保密限制,使之在軍事需求和商業(yè)市場的推動下加快了進程。2002年FCC(美聯(lián)通信委)發(fā)布了對UWB技術的第一個報告和命令,正式允許UWB設備的商業(yè)運作,確保了美國在這一新技術上的國際領先地位。俄羅斯與美國的初始研究基本同步。

美軍方對UWB通信系統(tǒng)的開發(fā)研制非常重視,近二十年來一直資助Time Domain、MSSI(Multispectral Solutions)等公司的研制開發(fā),已經研制建立了幾個超寬帶原型演示系統(tǒng)。Time Domain公司的全雙工1.3GHz系統(tǒng),平均輸出功率為250μW,數據速率為39kbps或156kbps,傳輸距離為10英里;其全雙工1.7GHz無線話機,平均功率為2mW,傳輸速率為32kbps,傳輸距離為900m,測距精度達到3cm范圍;其單工2.0GHz數據鏈路,平均輸出功率為50μW,數據速率為5Mbps[1]。

MSSI公司在UWB技術開發(fā)領域也處于世界領先地位。該公司的ORION VHF頻段UWB無線通信系統(tǒng)工作在30MHz～88MHz,50%的相對帶寬,峰值功率為120W,利用貼近地面和海面?zhèn)鞑サ谋砻娌ɑ虻夭▉硗瓿沙暰嗤ㄐ?陸地傳輸距離達8英里,海面?zhèn)鬏斁嚯x可達60海里,數據數率為850kb/s,可同時傳輸壓縮音頻和視頻信號。

MSSI公司的ORION L頻段UWB手持式無線電系統(tǒng)工作于L頻段(1GHz～2GHz),30%的相對帶寬,峰值功率0.8W,其最大分組突發(fā)傳輸速率1Mbps,傳輸距離為1km。

MSSI公司的AWICS艦內無線通信系統(tǒng)在20世紀90年代由美國海軍資助,該系統(tǒng)采用全雙工TDMA方式,工作于L頻段,-3dB瞬時帶寬為400MHz,實現64kb/s的CVSD(連續(xù)可變斜率增量調制)數字話音傳輸,8個用戶可同時工作。

MSSI公司的DRACO系統(tǒng)是具有低截獲率(LPI/D)功能的UWB Ad Hoc多用戶無線電系統(tǒng),工作于VHF/UHF頻段,傳輸距離可達1km～2km,數據速率為115.2kbps～1.544Mbps。該系統(tǒng)可組成10個節(jié)點的戰(zhàn)術無線網絡,提供數字話音、數據和視頻業(yè)務,被認為是Ad Hoc網絡發(fā)展的里程碑。

目前相關的電子器件已發(fā)展到相當水平,Time Domain公司已研制出用于UWB通信的芯片組PulsONTM,目前已開發(fā)出第三代芯片PulsON210。該芯片能實現通信,也能實現定位和跟蹤,且能應用于雙基站雷達系統(tǒng)。Time Domain公司和MSSI公司還研制了UWB原型演示系統(tǒng)。階躍恢復二極管能夠產生20V～200V,持續(xù)時間為60ps～200ps的脈沖;漂移階躍恢復二極管能夠產生峰值功率100mW量級的亞納秒脈沖。UWB天線的發(fā)展也豐富多彩,許多國家已開發(fā)了幾吉赫茲甚至十幾吉赫茲帶寬的小型微波天線。

我國非常重視UWB技術的發(fā)展,2001年9月,在國家863計劃中鼓勵國內學者加強這方面的工作。2005年11日11,全國超寬帶無線通信技術學術會議在南京召開,國家自然科學基金也發(fā)布了一系列有關UWB的研究項目。中國企業(yè)展示并推出了超寬帶高清電視和家庭媒體中心等產品和系統(tǒng)。目前國內的常州唐恩軟件科技有限公司,提供了基于UWB技術的高精度定位系統(tǒng),可在室內環(huán)境實現三維15cm的高精度定位,為目前無線電實時定位領域最先進的定位系統(tǒng)。

國內在超寬帶技術的研究方面取得的成果主要集中在UWB信號的產生和有效輻射等物理層技術上。電子科技大學應用所在大功率窄脈沖發(fā)生器,超寬帶天線等方面取得了進展。國防科技大學、南京船舶雷達研究所開展了微功率沖擊雷達研究。我軍在UWB通信方面的研究起步比較晚,軍用超寬帶通信仍處于研究階段,已有一定基礎,尚有機會趕上國際步伐。

3超寬帶通信關鍵技術

與窄帶系統(tǒng)相比,超寬帶通信系統(tǒng)需要克服一些特殊的技術難題,主要是極大的帶寬范圍和對應的極小的時間分辨率。

1) 高速信號處理技術

MC-UWB超寬帶通信的傳輸速率已達到幾百兆bps,未來可達千兆bps,對信號處理速度的要求極高。常規(guī)的解決辦法是采用高速大規(guī)模FPGA和陣列處理技術,但仍然面臨速度極限和成本急劇上升的困難。

MC-UWB超寬帶通信采用OFDM技術實現高傳輸速率,OFDM系統(tǒng)的調制和解調可以分別通過FFT/IFF來實現。如圖2所示[2],OFDM超寬帶系統(tǒng)使用100個子載波,同時對100個子載波進行FFT/IFF運算,其峰值運算量極高,即使采用FPGA進行運算,硬件開銷也難于接受。

為此可以借鑒光信息處理技術。光通信速率可達100Gbps以上,需要采用光學運算器件克服電子電路的速度限制(即“電子瓶頸”)?；诠釵FDM(O-OFDM)技術,電子科技大學已提出一種全光FFT(OFFT)變換的8×112Gb/s全光OFDM傳輸方案,光信息處理技術可以滿足MC-UWB超寬帶通信對高速信號處理的要求。

圖2　OFDM超寬帶信號處理示意圖

2) 超窄脈沖產生技術

對于IR-UWB和SC-UWB超寬帶通信,需要產生持續(xù)時間為1ns量級信號脈沖,作為信息調制的載體,脈沖幅度和脈沖寬度都難于實現。因此,產生可控的超窄脈沖是超寬帶通信的關鍵技術之一。

利用階躍二極管可得到較為陡峭的脈沖(10ps左右),由于器件性能限制,脈沖輸出幅度較小(幾伏量級),常用于微功率雷達等應用。隧道二極管能夠產生25ps左右的脈沖寬度,脈沖幅度在0.25V～1.0V之間,需要后級放大。晶體三極管工作在雪崩區(qū)時,集電極與發(fā)射極之間對外電路呈現負阻特性,在動態(tài)形式下可以存儲與釋放能量,產生極窄脈沖。顯然,模擬電路是利用電路或器件的特性產生極窄脈沖,電路簡單但靈活性差[1]。

利用FPGA實現數字邏輯關系,將一個寬脈沖經可控的多級門延遲后與原信號異或,輸出脈寬超窄脈沖的寬度取決于門電路的延遲和級聯(lián)情況,超窄脈沖的間隔取決于寬脈沖的寬度,FPGA可編程特性提供了輸出超窄脈沖的周期和寬度的可控性,給實際工程設計應用帶來極大的方便。例如,采用20個門單元進行級聯(lián),每個門單元的延遲是50ps,則可以獲得50ps～1000ps的時延調整范圍,能夠滿足一般超寬帶信號(1ns量級)產生的需要。

3) 超寬帶數據采樣技術

依據奈奎斯特定律,對納秒級的脈沖信號進行采樣,采樣速率需達到2GHz以上,當前器件水平很難達到,一般采用簡介的方法實現超寬帶數據采樣。

· 時域并行采樣:利用多個采樣通道,在所需的采樣周期內等間隔地依次對同一信號脈沖進行采樣。在一個采樣周期內,每個通道只進行一次采樣,但總的采樣次數滿足采樣率要求。該方法的難點是解決多個通道的采樣點相位準確性問題。

· 頻域并行采樣:利用一組帶通濾波器將信號脈沖分成多個并行的頻率子帶,然后利用多個ADC分別對這些子帶進行采樣,最后將M個采樣數據合成一個超寬帶采樣信號。這種方法所使用的濾波器在帶內平坦度、帶外衰減及濾波器之間交疊等方面有很高的要求,因此這種濾波器組設計難度大,且結構非常復雜,不利于推廣使用。

· 1bit采樣:用一個門限比較器(如FPGA的差分比較器端口)作為1bit的AD器件,將信號脈沖經過門限比較器后,得到1和0的高速數字脈沖,然后用類似時域并行采樣的方法,對高速數字脈沖進行串并轉換,降低對數據存取速度的要求,最后在FPGA中還原出1和0的高速數字序列,對采樣結果進行處理。

· 欠采樣:Vetterli和Marziliano等首先提出了信號新息率的概念,并給出了一種有限新息率采樣方法。超窄脈沖時間極短,頻譜極寬,進行帶通采樣后,恢復的脈沖序列保留了位置信息,但時間上產生了展寬,而根據脈沖序列的位置信息即可解出數據信息,沒有必要象傳統(tǒng)信號處理那樣采樣到脈沖的全部信息。根據帶通采樣定理,采樣頻率高于所需(展寬脈沖的)最低頻率幾倍即可以恢復出原有信息,對于占空比為1/100的1ns超寬帶信號脈沖序列,選擇欠采樣頻率為150MHz即可實現采樣。

4) 精確定時技術

IR-UWB超寬帶通信系統(tǒng)屬于時域信號處理系統(tǒng),其信息載體是持續(xù)時間為納秒級的窄脈沖信號。要對發(fā)射的窄脈沖信號進行時間延遲調制和相關接收,必需要求時鐘定時精確度達到亞納秒級甚至皮秒級。

精確定時的核心就是利用延時電路產生精度高、時間可控的延時。目前用于產生精度較高的時間延遲方法主要有斜坡比較法和可編程延時法[3]。斜坡比較法如圖3,兩路斜坡發(fā)生器輸出線性變化的電壓信號,經過比較器后輸出延時步進信號,步進量ΔT比T小一個數量級。斜坡比較法產生的延時不具可控性,不能用于延時時間偽隨機變化的PPM調制。用DAC代替斜坡比較法的一路斜坡發(fā)生器,則控制數據經DAC輸出可控的門限電平,比較器輸出延遲可控的延時脈沖,延時精度ΔT=T/(2N-1),取決于DAC的位數N和斜坡信號的周期T,最大延時即等于T。

圖3　步進脈沖信號實現精確定時

最簡便的辦法是采用專用集成電路。PlusON是美國Time Domain公司為滿足超寬用戶而開發(fā)的一款集成電路,它能夠實現50ns內延時精度為3ps的任意時間延時。

4技術優(yōu)勢及軍事應用前景

超寬帶通信具有許多傳統(tǒng)無線通信技術無法比擬的優(yōu)勢,并且某些技術特征具備很高的軍事應用價值。

1) 傳輸速率高

超寬帶通信具有很高的數據傳輸能力,特別是在短距離上,可高達數百Mb/s,隨著半導體器件水平的提高、光信息處理技術的引入以及陣列處理技術的應用,超寬帶通信具有支持高容量無線通信的巨大潛力。

超寬帶通信的高速數據傳輸能力適用于高速骨干網、星間數據鏈、偵察/監(jiān)視數據鏈等大容量通信需求,在短距離通信中替代傳統(tǒng)的銅線電纜實現設備之間的數據互連,緩解無人機、戰(zhàn)斗機等小型平臺對設備減重的苛刻要求,或者在設備參數加載維護中替代連接電纜(如無線USB應用),提高效率并增加操作的自由度。

2) 可與其他系統(tǒng)共享頻譜資源

與傳統(tǒng)無線通信技術相比,UWB具有很寬的頻譜,因此發(fā)射的功率譜密度可以非常低,FCC規(guī)定的電磁兼容背景噪聲為-41.3dBm/MHz,許多窄帶系統(tǒng)可以在此條件下正常工作,所以,短距離UWB無線通信系統(tǒng)與其它窄帶無線通信系統(tǒng)可以共存[4]。在頻譜資源緊張、電磁兼容問題復雜的現狀下,UWB系統(tǒng)更易于在現有平臺上進行系統(tǒng)集成。

3) 截獲率低

由于UWB發(fā)射功率譜密度很低,信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中,用傳統(tǒng)的接收機無法接收和識別,具有隱蔽性好、截獲率低、保密性好等突出的優(yōu)點,這是其在軍事通信領域得以應用的一大原因,同時也能很好地滿足現代通信系統(tǒng)對安全性的要求。

隱蔽性好、截獲率低、保密性在軍事通信中極為重要,而常規(guī)設計方法需付出極高的代價才能實現,因此UWB通信前景廣闊。短距離UWB系統(tǒng)的這一特征更為明顯,發(fā)射功率譜密度低于敵方進行遠距離探測所需的物理極限。遠距離通信必須突破功率限制,可采用定向通信方式保留UWB通信截獲率低的優(yōu)勢。

4) 抗多徑能力強

對于IR-UWB和SC-UWB系統(tǒng),由于無線電信號發(fā)射的沖激脈沖寬度僅為納秒量級,并且占空比極低,系統(tǒng)有很強的多徑分辨力,高分辨能力使落入最小可分辨間隔內的多路徑條數大大減小,而可分辨的多路徑數目則大大增加,使其有很強的抗多徑衰落的能力,且很適和采用Rake接收技術[2]。

多徑效應在室內、艦船甲板和復雜地形環(huán)境中對高速數據通信有極大影響,UWB技術可以克服這一限制并提供高速數據通信,解決窄帶系統(tǒng)的技術難題。

5) 系統(tǒng)結構簡單

IR-UWB不需要傳統(tǒng)通信所需要的變頻器,本地振蕩器、混頻器等,因此體積小,系統(tǒng)的結構比較簡單。IR-UWB信號的處理也比較簡單,只需使用很少的射頻或微波器件,天線小巧并可內置,特別適于便攜式單兵通信、分布式傳感器等小型化、低成本應用。

6) 功耗低

對于IR-UWB和SC-UWB系統(tǒng),由于沖激脈沖寬度僅為納秒量級,可以用極低的占空比實現較高的傳輸速率,所以平均發(fā)射功率很低,在實現同樣傳輸速率時,功率消耗僅有傳統(tǒng)技術的1/10～1/100。即使采用全向天線,1mW的平均發(fā)射功率也可實現幾公里的通信。低功耗特點適于便攜式單兵通信、分布式傳感器、免維護監(jiān)視設備、無人機、衛(wèi)星等戰(zhàn)術平臺應用。

7) 定位能力強

信號的距離分辨力與信號的時間分辨率成反比。對于IR-UWB和SC-UWB系統(tǒng),由于沖激脈沖寬度僅為納秒量級,其對應的距離分辨能力可高達厘米量級,這是其它窄帶系統(tǒng)所無法比擬的。這使得超寬帶系統(tǒng)在完成通信的同時還能實現準確

定位跟蹤,定位與通信功能的融合極大地擴展了系統(tǒng)的應用范圍。

信息化裝備已經出現雷達、通信、導航、識別等技術融合的趨勢,超寬帶通信技術同時在通信、定位、安全等方面具有極高的性能,適用于作戰(zhàn)人員、艦艇編隊、飛機編隊的相互協(xié)同通信、定位,甚至將精確定位功能用于無人機測控和艦載機的著艦。

8) 信號穿透能力強

IR-UWB信號具有很強的穿透能力,已被雷達用于穿透樹葉和建筑墻體進行探測,但同樣可以利用這種傳播特性進行通信,克服環(huán)境障礙對通信的影響[5]。穿透能力強的特點使超寬帶通信特別適于作戰(zhàn)分隊在復雜地形、叢林和建筑環(huán)境中行動時提供通信和協(xié)同定位保障。

5結語

超寬帶通信具有許多傳統(tǒng)無線通信技術無法比擬的優(yōu)勢,如何將其用于軍事通信,需要研究、試驗和實際運用才能得出可靠的結論。超寬帶通信技術在國外只有美國等少數國家形成軍事裝備,國內的軍事應用還處于開發(fā)和試驗階段,還有很多的技術問題和工程實現瓶頸需要克服。本文僅對此做了初步探討,望批評指正。

參 考 文 獻

[1] 王鵬毅.超寬帶隱蔽通信技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2] 張中兆,沙學軍,張欽宇,等.超寬帶通信系統(tǒng)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 費元春.超寬帶雷達理論與技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[4] 劉丹譜.超寬帶無線通信技術[J].中興通信技術,2004(3):16-19.

[5] 賀鵬飛.超寬帶無線通信關鍵技術研究[D].北京:北京郵電大學學位論文,2007.

中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.002

作者簡介:程宇,男,工程師,研究方向:數據通信。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月27日