超宽带通信系统研究概述【文献综述】.doc

1、 毕业论文文献综述 电子信息工程 超宽带 通信系统 研究概述 摘要： 本文概述了超宽带通信系统的定义及应用背景，详细介绍了超宽带通信系统传输速率高、功耗低、保密性好、安全性高的特点，并对超宽带通信系统和传统通信系统进行了比较，最后展望了超宽带通信系统的未来应用。 关键词： 超宽带通信 系统 ； 低功耗 ； 超宽带 1 引言 超宽带无线通信的历史渊源可以追溯到一百年前意大利人马可尼采用火花隙脉冲实现越洋无线电报的时代。火花隙无线电延用了几十年，直到 1924年由于其过高的发射功率对新出现的窄带系统有很大干扰而停止使用。现代意义上的 超宽带无线电通信，出现于 20世纪 60年代，又称为冲激无线电技

2、术。当时的主要研究者是美国天主教大学的 HnariuthSperry Rand 公司的 Ross和 Robins以及美国空军，他们称当时的系统为基带无线电 1-3。 LLNL和 LANL等实验室也对脉冲的传输、接收和天线技术做了初步探索 。 20世纪 60年代对时域电磁学的研究进一步促进了超宽带技术的发展。 超宽带技术在商用领域的应用极其广泛 。 IEEE 制定了高速无线个人网（ WPAN）国际标准 IEEE 802.15.3a 和低速无线个人网国际标准 IEEE802.15.4 a。 IEEE 802.15.3 a 标准的主要应用场景是高速多媒体家电网络 ， 工作距离通常在 1 10 米范围

3、内，传输速率为几十 Mbps 到几百 Mbps。 IEEE802.15.4 a 标准的主要应用场景包括抢险救援、城市巷战时的单兵侦察、军事搜查营救、跟踪监控消防人员紧急呼救、个人安全医疗健康监控、智能家庭和仓储管理等方面，工作距离通常在几十到几百米范围内，传输速率为 1 Kbps 到 1 Mbps。各大公司投入巨资展开了深入的应用研究工作 4。 Time Domain 在 1998 年研制成功全双工 2GHz 宽带无 线传输样机系统，该样机支持 5Mbps 码速率，通讯距离 20m，平均功率仅 2W； Fatansma 公司于 2001 年成功开发出速率 60Mbps 的无线网络设备，将无线网

4、络技术推向一个新的阶段；飞思卡尔公司已实现 220Mbps 的无线传输速率，并正在向更高数据率发展 5。 2. 超宽带通信系统定义 宽带 (UWB)技术是近年发展很快的一种无线通信新技术，根据美国联邦通信委员会的定义，超宽带是指信号的 -10dB相对带宽超过 20或绝对带宽超过 500MHz。超宽带技术 UWB是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而是利用 纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。 UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信 6。按照 FCC 的规定，从 3.1GHz 到 10.6GHz 之间的 7.5GHz 的带宽频率为

5、 UWB所使用的频率范围。 3. 超宽带通信系统特点 超宽带通信系统的主要特点有： (1)数据传输速率高。民用商品中，一般要求 UWB 信号的传输范围为 10m 以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达 500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。 UWB以非常宽的频率带宽 来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传。 (2)功耗低。 UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在 0. 20ns 1.

6、 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百 W几十 mW。民用的 UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的 1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的 1/ 20 左右。军用的UWB电台耗电 也很低。因此， UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性 7。 (3)保密性好。 UWB 保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低。用传统的接收机无法接收 8-9。 (4)安全性高。作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于 UWB信号一般把信号

7、能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统， UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下， UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检 测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难 10。 4. 超宽带通信系统与传统通信系统比较 由于 UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此 UWB系统与传统的通信系统在频谱、实现结构、工程造价等很多方面都是不同的。 (1)UWB 系统带宽更宽。 从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）小于 1%，相对带宽在 1%到 25%之间的被称为宽

8、带，相对带宽大于 25%，而且中心频率大于 500MHz 的被称为超宽带。 (2) 时域调制 方式不同。从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而 UWB 是利用起、落点的时域脉冲 （ 几十纳秒 ） 直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围 11。 (3)UWB 系统结构的实现比较简单 ： 当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波 ， 载波的频率和功率在一定范围内变化 ， 从而利用载波的状态变化来传输信息 。 而 UWB则不使用载波 ，它通过发送纳秒级脉冲

9、来传输数据信号 。 UWB发射器直接用脉冲 小型激励天线 ， 不需要传统收发器所需要的上变频 ， 从而不需要 使 用放大器与混频器 ， 因此 ， UWB允许采用非常低廉的宽带发射器 。同时在接收端 ， UWB接收机也有别于传统的接收机 ， 不需要中频处理 ， 因此 UWB系统结构的实现比较简单 。 (4)UWB 系统多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉 冲

10、宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达 10 30 dB 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到 5 dB。 (5)UWB 系统定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而 GPS 定位系统只能工作在 GPS 定位卫星的可视范围之内；与 GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定 位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器更为便宜

11、12。 (6)UWB系统工程简单造价便宜：在工程实现上， UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低 13。 5 总结 超宽带无线通信系统采用了持续时间非常短的脉冲信号作为信号的载体中 ， 这既带来了常规窄带通信系统不具备的优点 ， 也带来了系统设计的独特要求 14。 超宽带技术的采用对于解决当今在通信领域中的容量与有限的频谱资源 分配等问题提供了一条有效的途径。在业界的推动下 ， UWB技术将日臻成熟 ， 目前 ， 已经有一些公司推出了 UWB芯片和相关产品 。 可以预料 UWB技术将

12、在未来高速信息网络中发挥重要的作用 。它 虽然经历近十多年的快速发展 ， 但是它在基础理论和应用方面还存在一些值得深入研究的问题 。 从最初的模拟信号到数字信号的转换 ， 到基本脉冲波形的设计 ， 到发射信号中调制解调方式的设计 、 多址码的设计等存在需要深入研究的问题 需要我们今后去研究发现。 参考文献 1 Guerino Giancola 著 . 葛利嘉等译 . 超宽带无线电基础 M .北京 :电子工业出版社 ,2005,5. 2 L. Yang , G. B. Giannakis. Ultra - wideband communications : anidea whose time h

13、as come J . IEEE Signal Processing Magazine ,2004 ,6,21(6) :26 - 54. 3 K. Siwiak ,D. McKeown . Ultra - Wideband Radio Technology M .England :John Wiley &Sons Ltd ,2004,1. 4 M. Z. Win , R. A. Scholtz. Impulse radio : how it works J .IEEE Communications Letters ,1998 ,8,2(2) :36 - 38. 5 M. Z.Win ,R. A

14、. Scholtz. Ultra - wide bandwidth time hopping spread - spectrum impulse radio for wireless multiple access communicationsJ . IEEE Transactions on Communica- tions , 2000 ,6,48(4) :679 - 691. 6 王德强 ,李长青 ,乐光新 . 超宽带无线通信技术 (1)J . 中兴通信技术 ,2005 ,9,11 (4) :75-78. 7 王勇 ,于大鹏 .一种用于 uwb通信的正弦调制高斯脉冲 J .无线电通信技术

15、, 2005, 5,31( 1) : 9- 11. 8 王道平 ,吴先良 ,况晓静 .新型超宽带带 通滤波器的综合与设计 J.安徽大学学报 (自然科学版 ),2010,1,34(1):5962. 9 肖尚辉 , 江毅 . 超宽带通信信号的波形选取与设计 A.第九届全国青年通信学术会议论文集 C.重庆 ,2004,10.134-138. 10 胡琳 ,王洪玉 .基于最大似然准则的超宽带分簇信道估计 J.通信技术 ,2009,9， 42(8):37-39. 11 林志远 ,魏平 . 一种新的 UWB 通信脉冲设计 J . 通信学报 ,2006 ,9,27 (7) :123-126. 12 宋华 ,李 禹 .超宽带穿墙探测雷达的运动目标检测技术 J .电讯技术 , 2004,1,（ 6） : 133137. 13 杨峰 ,胡剑浩 ,李少谦 .超宽带信号的一种带通采样与重建方法 J.系统工程与电子技术 ,2010,4,32(4):687-690. 14 王治国 , 费元春 , 李熹 .穿墙雷达中的动目标定位新方法 J.电子技术应用 , 2006, 1,(6):911.