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UWB在室内高速无线传输中的应用研究

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  • 日期: 2013-09-20
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标签: UWB在室内高速无线传输中的应用研究

针对室内高速无线传输环境,介绍了超宽带传输新技术。研究了UWB应用于室内无线传输时信号波形设计、调制方式、多址技术、信道特性与系统构成等方面的特点及存在的问题。通过分析比较:采用高斯信号波形,进行脉冲位置调制方式及跳时技术,UWB能够在误码率、系统实现等方面取得较好的性能。关 键 词 超宽带; 通信; 无线; 传输; 脉冲随着无线通信技术飞速发展,给人们日常生活带来极大的便利,同时,人们对无线通信也提出了更高的要求,要求其能够提供更高的传输速率和传输质量。特别是近年来无线因特网、无线局域网、无线个人区域网等概念的提出,要求能够在室内环境下无线数据传输速率达到100 Mbps,以构建个人化的信息网络系统。在室内环境下实现如此高的无线传输速率, 超宽带(Ultra WideBand, UWB)技术是一个非常有竞争力的方式。它起源于20世纪60年代,原来主要应用于雷达、定位等系统。由于其独有的特性,特别是室内短距离无线多址通信方面,超宽带通信技术近年来受到学术界和产业界的广泛研究和关注。尤其是美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)在2002年2月开放了3.1~10.6 GHz频段进行UWB短距离通信之后,加快了UWB技术在室内高速无线通信的研究和应用。UWB具有频谱宽、功耗低、成本低、传输速率高等特点,被列为未来通信的十大技术之一[1]。1 UWB技术1.1 UWB技术的优点UWB传输技术,也称脉冲传输技术,通过对非常窄(往往小于1 ns)的脉冲信号进行调制获得非常宽的带宽来传输数据。FCC关于UWB的定义为[2]()20HLcfff−>% (或者总带宽 > 500 MHz)式中 fH , fL分别为功率较峰值功率下降10 dB时对应的高端频率和低端频率,而不是通常所定义的3 dB带宽,fc为载波频率或中心频率。根据Shannon信道容限公式 )1(log02BNPBC+= (1)式中 B为信道带宽,N0为高斯白噪声功率谱密度,P为信号功率。由式(1)得知,一是通过增加信号功率P的方式,增加信道容量,另一是通过增大传输带宽来实现。UWB技术就是通过后者来获得非常高的传输速率。另外,采用UWB技术进行无线传输,具有如下优点:1) 低功耗。由于传输带宽很宽,所以即使发射功率很低,也能够做到高速传输;2) 保密性好。由于能量分布在非常宽的频带上,功率低,使其具有低截获概率;3) 抗多径衰落。由于UWB通信采用窄脉冲信号,通常多径信号在时间上可分辨,不会出现多径信号之间相互抵消中的情况,另外还可以采用Rake接收等方式合并多个路径信号,来提高信号输出质量;4) 较低的系统复杂性和成本。通常采用无载波传输,UWB系统几乎可以做成全数字化;5) 对现有窄带通信系统有很低的干扰。不过,UWB通信系统由于带宽很宽,如果在室外无线环境中传输,信道条件复杂,另外随着传输距离的增大,就会要求增大发射功率,这样也会对现有通信系统(包括现有的全球定位系统GPS)产生一定的干扰[3],所以UWB通信主要用于室内无线传输。1.2 UWB通信系统常用波形及功率要求在UWB通信系统中,窄脉冲信号的产生非常关键,一般可以用光导开关来完成,另外窄脉冲信号的波形对通信系统性能有重要影响,常用的窄脉冲信号波形有高斯脉冲、一阶高斯微分和二阶高斯微分,其信号波形分别为式中 Ep为脉冲能量, τ为脉冲宽度,Tc为时移量。典型波形及其功率频谱如图1、图2所示,图中脉冲能量Ep为1,时移量Tc为0.5 ns,脉冲宽度τ为0.2 ns。通过改变脉冲宽度τ来获得不同带宽的信号。其他脉冲形状还有正弦脉冲、Manchester脉冲、方波等,二阶高斯微分信号在AWGN信道的误码率性能较好。不过,无论采用何种脉冲信号传递数据信息,其信号的能量辐射必须满足FCC相关规定的要求,在3.1 GHz~10.6 GHz频带的功率谱密度满足−41 dBm/MHz,以减少对现有其他系统的干扰。FCC对室内UWB通信的能量辐射要求如图3所示。1.3 UWB通信系统调制及多址方式在现有的UWB系统中,常用的调制方式主要有PPM、双极性信号(如BPSK)、脉冲幅度调制、通断键控、正交调制以及这些调制方式的结合方式[4]。

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