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超寬帶無線通信技術(shù)( 二 )

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(5)適合于便攜型應(yīng)用
傳統(tǒng)的UWB技術(shù)使用基帶傳輸，無需進行射頻調(diào)制和解調(diào)，由此帶來的好處是設(shè)備的功耗小，成本低，靈活性高，適合于便攜型無線應(yīng)用 。
歸根溯源，從頻域上來看，UWB的諸多優(yōu)點來自于其使用了上吉赫茲的傳輸帶寬，遠遠高于現(xiàn)有的GSM、IS-95、3G等通信系統(tǒng) 。因此，UWB的技術(shù)實現(xiàn)細節(jié)與傳統(tǒng)的窄帶通信方式有很大差別 。
2 UWB的實現(xiàn)
2.1 脈沖無線電
脈沖無線電形象地說明了UWB直接發(fā)射窄脈沖進行通信的特點 。將傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)與脈沖無線電的收發(fā)機進行對比，可以看出兩種技術(shù)在實現(xiàn)方式上的明顯差別 。窄帶系統(tǒng)一般采用正弦載波調(diào)制實現(xiàn)頻譜搬移，信道上傳輸?shù)氖巧漕l已調(diào)信號，接收機需要經(jīng)過逐級下變頻之后再進行解調(diào)，以恢復原始信息；脈沖無線電則是直接將經(jīng)過頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發(fā)射出去，信道上傳輸?shù)氖腔鶐盘?，接收機主要是一個相關(guān)檢測器，結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)簡單得多 。
為了使天線把信號能量有效地輻射出去，必須對所用脈沖的頻譜特性提出一定的要求(即不含直流分量，低頻分量少，信號能量主要集中在射頻部分) 。因此，脈沖無線電采用高斯函數(shù)的各階導數(shù)作為發(fā)射脈沖波形，通過選擇脈沖寬度和階數(shù)獲得不同的帶寬及中心頻率位置 。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，高斯各階導的10 dB帶寬大致可以近似為脈沖寬度倒數(shù)的兩倍 。因此當脈沖寬度低于1 ns時，就能獲得超過2 GHz的帶寬 。中心頻率的位置會隨著求導次數(shù)的增加而逐漸上移 。
與實際傳輸速率所對應(yīng)的符號周期相比，這種納秒級乃至亞納秒級的脈沖寬度往往小了幾個數(shù)量級，因此脈沖無線電傳輸?shù)氖且环N低占空比的信號 。利用這一特點，系統(tǒng)中經(jīng)常使用多個脈沖來傳遞一個符號，從而獲得附加處理增益 。例如假定傳輸速率為10 Mb/s，脈沖寬度為0.5 ns，脈沖重復頻率(PRF)為100 Mp/s，則一個符號可以擴散到10個脈沖上重復發(fā)送，附加處理增益將為10 dB，再考慮到20倍的占空比增益，系統(tǒng)獲得的總處理增益將達到13 dB 10 dB=23 dB 。這種處理方式在實現(xiàn)上帶來的好處是在保持系統(tǒng)脈沖寬度和脈沖重復頻率不變的情況下，通過改變附加處理增益可以靈活地調(diào)整傳輸速率的高低，實現(xiàn)可變速率 。
鑒于系統(tǒng)對功率有效性的要求比較高，脈沖無線電的調(diào)制方式一般采用二進制的脈沖相位調(diào)制(PPM)或二進制相移鍵控(BPSK) 。在多址接入方式上，有跳時擴頻(TH-SS)和直接序列擴頻(DS-SS)兩種方式可選 。典型的組合方案是TH-PPM和DS-BPSK 。相比較而言，TH-SS的優(yōu)勢在于它對遠近效應(yīng)的敏感程度沒有DS-SS那么高，因為只有當不同用戶的信號脈沖正好在位置上出現(xiàn)重疊時遠近效應(yīng)才會體現(xiàn)出來，從而降低了對功率控制的要求 。這也許是早期的UWB系統(tǒng)在信號占空比很低的條件下選用了TH-SS的重要原因[2] 。不過，隨著對傳輸速率的要求越來越高，信號占空比勢必要大大增加，TH-SS的優(yōu)勢已不明顯，因此DS-SS方案現(xiàn)在重新受到研究人員的重視 。
信號的功率譜密度特性也是決定發(fā)送方案的一個重要因素 。理想的UWB信號應(yīng)該近似白噪聲，即功率譜密度(PSD)應(yīng)該為平坦的且幅度越低越好，這樣才不會對現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)造成明顯的干擾 。周期性窄脈沖的PSD由離散譜線構(gòu)成，加上PPM調(diào)制之后，功率譜得到一定的平滑，不過更強的平滑作用是通過偽隨機跳時碼實現(xiàn)的，而且平滑特性的好壞與偽隨機碼的選擇密切相關(guān)[3] 。假如采用BPSK調(diào)制，由于信號均值為零，功率譜中不含離散譜線，完全由高斯脈沖的頻譜決定，其平坦度與白噪聲仍有很大差距，也要通過偽隨機序列進行平滑 。因此，近來的一個研究熱點就是如何通過選擇調(diào)制和多址接入方式的組合及設(shè)計理想的偽隨機序列來獲得更好的功率譜密度特性[1] 。

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