TM-UWB技术及其在无线通信中的应用sag.docx

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1、TM-UUWB技技术及其其在无线线通信中中的应用用传统的通通信系统统一般都都是定频频通信系系统,要要传送的的信息使使用固定定的带宽宽,信号号被调制制到固定定的频带带上,然然后在信信道(无无线或有有线) 中传送送。在此此信道中中其他任任何信号号都将是是对有用用信号的的干扰,所以具具有这种种特性的的通信系系统被称称为是一一种独占占信道的的定频通通信系统统。与此此不同的的是,超超宽带 (Ulltraa Wiidebbandd ,UUWB) 无线线通信系系统或称称瞬间脉脉冲无线线电系统统发射的的无线信信号并不不专门占占据固定定带宽,而是跨跨越很宽宽的无线线频谱(一般在在1110GHHz 之之间) ,且

2、功功率很低低,与背背景“噪噪声”差差不多,因而不不会对工工作于同同一频率率的其他他无线信信号造成成干扰。 UWB 通信系系统有许许多优异异的性能能特点,即信号号的功率率谱密度度极低,UWBB 系统统发射的的功耗比比传统的的无线电电技术所所需功耗耗要低得得多,可可以用平平均不足足1mWW的功率率覆盖数数英里范范围内,甚至用用低增益益天线时时也能正正常工作作。特别别可贵的的是对其其它无线线系统具具有低干干扰特性性和自身身具有的的强抗多多径干扰扰能力;实现起起来比建建造普通通的扩频频系统简简单,成成本低。正正是由于于上述特特点,使使得UWWB 通通信技术术在个人人通信、楼楼内通信信、高速速局域网网、

3、无绳绳电话、保保安系统统、近距距离高精精度定位位等方面面得到了了广泛应应用。 TM-UUWB 技术及及其特性性 TM-UUWB 信号 在一般通通信系统统中, “宽带带信号”是是指具有有大的调调制带宽宽和高的的数据传传输率信信号。而而超宽带带信号是是指发射射信号的的分数带带宽(FFracctioonall Baandwwidtths , FFBW) (指指信号带带宽B 与中心心频率ff c 之比,即B/ f c) 大于00. 225 或或25 %,它它通常是是通过对对具有很很陡上升升和下降降时间的的冲激脉脉冲进行行直接调调制,从从而获得得具有千千兆赫兹兹(GHHz) 量级带带宽的调调制信号号,因

4、而而又称为为“基带带信号”或或“无载载波信号号”。它它的带宽宽很宽,频谱常常从直流流延伸到到GHzz 量级级。该信信号具有有高分辨辨率、高高处理增增益、低低窃获、信信息含量量大和能能探测隐隐蔽目标标等优点点,因而而得到广广泛应用用。 TM-UUWB 通信系系统是一一种崭新新的通信信系统,它能在在传输媒媒介中以以低功率率、类似似噪声的的信号传传输数据据、话音音甚至图图像。由由于采用用TM-UWBB 技术术发射的的无线信信号跨越越很宽的的无线频频谱,而而功率谱谱密度又又很低,与背景景“噪声声”差不不多,因因而不会会对工作作于同一一频段的的其它无无线设备备造成干干扰。 传输波形形的选取取 一般而言言

5、,应用用TM-UWBB 技术术的通信信系统发发射的不不是正弦弦波信号号,而是是脉冲间间隔严格格受控的的高斯单单周超短短时脉冲冲,一般般工作脉脉宽为00. 221. 5nns ,重复周周期为22511 0000nss。超短短时单周周脉冲决决定了信信号的带带宽很宽宽,这种种系统常常采用时时间(脉脉冲位置置) 调调制来携携带信息息和进行行信道编编码。TTM-UUWB 通信系系统接收收机直接接将收到到的射频频信号转转换成基基带数字字或模拟拟输出信信号,只只用一级级前端交交叉相关关器即可可把电磁磁脉冲序序列转换换为基带带信号,不用传传统通信信设备中中的中频频级,大大大地降降低了通通信系统统设备的的复杂性

6、性。一个个比特信信息通常常被扩展展到多个个单周超超短时脉脉冲,接接收机相相关地综综合适当当的脉冲冲数目来来恢复被被发送的的信息。 高斯单周周超短时时脉冲 在TM-UWBB 射频频技术中中最基本本和最重重要的任任务就是是首先要要获得实实际应用用中可实实现的高高斯单周周脉冲。图图1 显显示了一一个典型型高斯单单周超短短时脉冲冲(中心心频率为为2GHHz)的的时域波波形和频频域特性性曲线。 高斯单周周脉冲的的时域和和频域数数学模型型可分别别表示为为 式中,AA 为脉脉冲峰值值幅度,是一一个时间间延迟长长度,此此处等于于脉冲持持续时间间, tt 为时时间, f 为为频率,由此可可推出中中心频率率f 0

7、0 = 1/,半功功率带宽宽Wb = ff 0 1116 %这样可可得到脉脉冲宽度度为0. 5nns 的的高斯单单周脉冲冲,其中中心频率率为2GGHz ,半功功率带宽宽约为22GHzz。 单周脉冲冲序列 TM-UUWB 系统在在实际通通信中使使用的是是单周脉脉冲的长长序列,而不是是单个单单周脉冲冲。数据据调制和和信道编编码等都都是通过过改变脉脉冲序列列的时间间间隔来来实现的的。图22 显示示了单周周脉冲串串的时域域和频域域特性。由由于时域域信号规规则的重重复周期期性引起起频谱的的离散化化,从而而出现了了强烈的的能量尖尖峰,这这些尖峰峰将会对对传统的的无线通通信设备备和信号号造成干干扰,这这是不

8、期期望出现现的。 由于十分分规则的的时域脉脉冲序列列将不会会携带任任何有用用的信息息,同时时改变时时域脉冲冲序列的的规则周周期性还还可降低低频谱中中出现的的能量尖尖峰,因因此在信信息调制制和信道道编码中中常常采采用时间间调制(TM)技术或或称为脉脉冲位置置调制(Pullse Possitiion Moddulaatioon ,PPMM)技术术。TM-UUWB 信号处处理 信息调制制 为了传输输信息,在TMM-UWWB 通通信系统统中,常常采用脉脉冲位置置调制PPPM技技术(每每个脉冲冲出现位位置超前前或落后后于标准准时刻一一个特定定的时间间来表示示一个特特定的信信息,即即超前表表示信息息“0”

9、,落后表表示信息息“1”) 来调调制单周周脉冲序序列串,这将有有利于最最优匹配配技术的的使用。TTM-UUWB 通信系系统接收收机使用用交叉相相关器(Corrrellatoor)便便很容易易将淹没没在噪声声中的信信号检测测出来。图图 3显显示了PPPM示示意图。 调制前的的原始平平均周期期是PRRIavvg ,它和调调制量的的数值都都很小(如1000nss 和1100pps) ,这样样调制后后在接收收端需要要用匹配配滤波技技术才能能正确接接收。可可以看出出,调制制后降低低了频谱谱的尖峰峰幅度,但由于于调制的的时间偏偏移量不不够大也也不够杂杂乱,因因此频谱谱仍不够够十分平平滑。 信道编码码 对一

10、个相相对长时时间帧内内的脉冲冲序列串串用伪随随机噪声声码(即即PN 序列码码) 按按脉冲位位置进行行编码调调制可实实现信道道编码。在在信道编编码中采采用PNN 序列列码可以以给TMM-UWWB 通通信系统统带来许许多优越越特性,诸如可可解决TTM-UUWB 通信系系统中的的多用户户共享信信道、可可具有较较强的保保密性和和抗干扰扰性等问问题。此此外在时时域中使使脉冲串串具有随随机变化化的时间间偏移量量还可以以进一步步平滑信信号的频频谱。 图4 显显示了伪伪随机时时间间隔隔调制编编码后的的脉冲序序列的时时域波形形和频域域特性。信信号频谱谱已经接接近白噪噪声频谱谱,功率率小了许许多,这这都是伪伪随机

11、编编码产生生的效果果。适当当地选择择PN 序列码码组,保保证组内内各个码码字相互互正交或或接近正正交,则则可实现现码分多多址(CCDMAA) 。对对时域脉脉冲串的的时间偏偏移量有有时大到到几个nns ,但实际际中占空空比仍控控制在小小于1 %的情情况下,每秒重重复140MMppss ( 每秒脉脉冲个数数) 。 在无线通通信中的的应用 TM-UUWB 技术是是一种使使用1GGHz 以上带带宽的最最先进的的无线通通信技术术,它能能实现高高速的数数据传输输,最大大数据传传输速度度可达到到几十MMbpss几百百Mbpps。现现有的通通信系统统,一般般情况下下耗电量量要达到到几百mmW几几W,而而TM-

12、UWBB 系统统则可以以大幅度度减至现现有系统统的1/ 100011/ 11 0000 ,即耗电电量仅有有几十W。 TM-UUWB 技术也也是一种种可以将将微弱无无线电脉脉冲信号号分散在在宽阔频频带中进进行传送送的无线线通信技技术, 与Blluettootth、IIEEEE8022. 111b、IIEEEE8022. 111a 等现有有的无线线通信技技术相比比,受干干扰的影影响很小小,因此此可获得得与室内内有线通通信一样样的优异异性能。这这种性能能非常适适用于摄摄像机、笔笔记本电电脑、DDVD 单放机机以及数数码相机机等家用用产品之之间的短短距离无无线通信信。TMM-UWWB 极极有可能能作为

13、家家电设备备和便携携式终端端的无线线通信技技术而得得到广泛泛利用。作作为室内内通信用用途,美美国联邦邦通信委委员会(FCCC) 已已经将33. 11GHzz100. 66GHzz频带向向UWBB 通信信开发。IIEEEE8022 委员员会也将将UWBB 作为为PANN(Peersoonall Arrea Nettworrk) 基础技技术的候候选对象象来进行行研究和和探讨。 TM-UUWB 收发信信机特点点 图5 显显示了一一个TMM-UWWB 无无线通信信系统收收发信机机的结构构框图。与与传统的的无线通通信系统统收发信信机结构构相比,TM-UWBB 无线线通信系系统收发发信机的的结构相相对简单

14、单,发射射机和接接收机都都没有本本振、功功放、PPLL(锁相环环) 、VVCO(压控振振荡器) 、混混频器等等。 相应地,能在TTM-UUWB 无线通通信系统统中使用用的合适适技术是是相关接接收,关关键部件件被称为为相关器器(coorreelattor) 。相相关器用用准备好好的模板板波形乘乘以接收收到的射射频信号号,再积积分就得得到一个个直流输输出电压压。相乘乘和积分分只发生生在脉冲冲持续时时间内,处理过过程一般般在不到到1nss 的时时间内完完成。模模板波形形匹配时时,相关关器的输输出量度度了接收收到的单单周脉冲冲和模板板波形的的相对时时间位置置差,因因此可以以说相关关器实质质上是改改进了

15、的的延迟探探测器。 TM-UUWB 系统性性能分析析 在TM-UWBB 信号号占用的的频带范范围内,所有其其他的信信号对TTM-UUWB 系统来来说都是是干扰信信号,然然而对工工作在无无线环境境中,拥拥有相同同频带空空间的传传统无线线通信系系统,和和TM-UWBB 无线线通信系系统可以以做到互互不干扰扰,这主主要依靠靠TM-UWBB 系统统综合运运用伪随随机编码码、随机机时间调调制以及及相关解解调技术术等。 常用处理理增益来来衡量TTM-UUWB 无线通通信系统统接收机机的抗噪噪声能力力,通常常近似定定义为信信号的RRF 带带宽与信信号的信信息带宽宽之比(再化成成分贝) 。TTM-UUWB 无

16、线通通信系统统一般具具有较大大的处理理增益。一一个具有有8kHHz 信信息带宽宽、1. 255MHzz 信道道带宽的的CDMMA 扩扩频通信信系统其其处理增增益为1156 (即222dBB) ,而一个个TM-UWBB 通信信系统用用2GHHz 信信道带宽宽来传输输相同的的8kHHz 带带宽的信信息,其其得到的的处理增增益为2250 0000(544dB) 。 存在于蜂蜂窝无线线移动通通信中的的瑞利衰衰落或多多径衰落落是一种种“连续续波”现现象,因因而当连连续时间间正弦波波信号在在室内传传播时多多径干扰扰现象就就不可避避免。由由于受到到建筑物物内部和和周围多多径现象象的干扰扰,使传传统连续续波无

17、线线电信号号的传输输特性变变得较差差,只有有通过提提高发射射功率或或采用更更好的信信号处理理技术来来减小多多径干扰扰的影响响。而TTM-UUWB 通信技技术本身身就特别别适合室室内使用用,由于于采用RRakee 接收收机技术术因而具具有抗多多径衰落落的固有有鲁棒性性。 结束语 TM-UUWB 技术具具有巨大大的发展展潜力,它深刻刻地冲击击着传统统的定频频通信概概念。即即使是现现在得到到广泛应应用的扩扩频通信信仍然需需要占据据一定的的固定带带宽,这这是 因因为在扩扩频之前前信息要要调制到到一个固固定的载载频上,而不是是像TMM-UWWB 技技术用持持续时间间为nss 级的的单周脉脉冲。在在国FCCC于220022 年22 月44 日正正式通过过认可UUWB 技术可可应用于于民用通通信环境境的最终终规定后后,有相相当的机机构正在在致力于于UWBB 技术术用于短短距离无无线数据据通信领领域的研研究。