UWB无线通信技术原理、实现方案及技术应用

脉冲无线电技术

• n脉冲无线电（Impulse Radio）是早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。

（1）常用UWB基带窄脉冲波形

• 基带窄脉冲形式是UWB通信最早采用的信号形式，一般来说它的工作脉宽是纳秒级的。

• 功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。因此，典型的UWB脉冲是高斯双叶脉冲（Gaussian Doublet），这种脉冲因为生成容易而被经常使用。

• 单周期高斯脉冲对应的时域和频域的数学模型可以表示为：

• UWB技术常用的脉冲调制方式包括脉位调制（PPM）、脉幅调制（PAM）和二相调制（BPSK）。

（2）UWB脉冲调制方式

• 脉位调制（PPM）

通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。

• 脉幅调制（PAM）：

通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。 通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，即OOK（On-off Keying）。

• 二相调制（BPSK）：

BPSK通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于PPM的3dB增益。

• 几种调制方式的比较

PAM、OOK和PPM共同的优点：

可以通过非相干检测恢复信息。

PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。

PAM、OOK和PPM共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，而且会降低功率的利用率。

BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。

• 多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现各用户之间通信的技术。

• 实际的多址技术有：跳频FH（Frequency Hopping），直扩DS（Direct Squence）。

• 直扩采用伪随机码进行扩频，跳频是用码序列构成跳频指令来控制频率合成器输出信号的频率。

• 多址与调制方式相结合，可以得到3种典型的超宽带脉冲无线电系统：

         TH-PPM

         TH-PAM

         DS-BPSK。

UWB技术方案

多带OFDM（MB-OFDM）UWB技术

• 在2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案MB-OFDM（MultiBand OFDM）。

• 2005年3月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于MB-OFDM方案的ECMA-368和ECMA-369标准，于2007年通过ISO认证，成为第一个UWB的国际标准。

• OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），正交频分复用  

是一种MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)技术，其主要思想是，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。

• MB-OFDM

将频段分成多个528MHz的子频带，每个子频带采用OFDM方式，数据在每个子带上传输。

ECMA-368协议

• ECMA-368协议规定了用于高速短距离无线网络的UWB系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为3.1～10.6GHz，最高速率可以达到480Mbit/s。

（1）帧结构

ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（PLCP ）前导、PLCP头和物理层服务数据单元（PSDU ）三部分组成的PLCP协议数据单元（PPDU ）。

PLCP（PhysicalLayer Convergence Protocol：物理层汇聚协议）

PSDU（PHYService Data Unit，物理层服务数据单元）

PPDU（PLCPProtocol Data Unit，PLCP协议数据单元）

• nPLCP前导有标准和突发两种类型。nPLCP前导的结构分为同步序列和信道估计序列两段。

• 同步序列长度:标准类型为24个OFDM符号，突发类型为12  个OFDM符号;

• 信道估计序列长度:

两种类型均为6个OFDM符号。

• OFDM符号是指在发送端数据比特经过一些列变化后，将要通过射频发射出去的模拟波形。

（2）编码和调制

• PPDU的数据经过编码调制过程后形成OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。其中PLCP前导是时域信号，不用经过编码和调制直接形成OFDM信号，PLCP头与PSDU部分形成OFDM符号的过程如图所示：

  

• 双载波调制（DCM）

它把4个交织后的比特同时映射到两个16进制（16点）的符号中，接下来把两个十六进制的符号映射到间隔50个子载波的两个子载波中。

（3）子带划分

• 在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为528MHz的子带，这14个频带又分为5组，其中前4组内各含有3个子带，第5组内含有2个子带。

• 实际方案中，先期仅采用3.168～4.752GHz的3个子带，在每个子频带上，信息采用128点IFFT/FFT的OFDM调制。IFFT将信号从频域转换为时域，FFT将信号从时域转换为频域。

• 时频码（Time-Frequency Code，TFC）  

MB-OFDM 定义了7组时频码，其中包括4组跳频与3组定频模式，跳频模式可使两个未经协调的微微网（piconet）之间的干扰减小

• 图中列出了7组周期为6个符号时隙的时频码，每种TFC中的1，2，3表示子带序号。

无载波脉冲方案

无载波脉冲位置调制UWB通信系统

• 无载波脉冲方案是UWB通信的传统方式，也是目前文献中介绍得最多的方式。

• 无载波脉冲方案中，常采用跳时(TH)和直接序列扩频(DSSS，direct-sequence spread spectrum)的多址方案。

• 无载波脉冲方案中，收发信机结构简单，实现成本低。但频谱利用率不高。

单载波DS-CDMA信号频谱

单载波DS-CDMAUWB 系统的部分参数

MB-TFI-OFDM方案

• MB-TFI-OFDM（多带-时频交织Time Frequency Interleave-OFDM ）系统中，将可用的频段分为多个子频带，每个子频带带宽大于500MHz。每个子频带的信号为一个OFDM 信号，它由许多个正交的子载波信号合成。

• MB-TFI-OFDM方案在频谱利用方面有很高的灵活性。

• MB-TFI-OFDM可以与FDMA、CDMA、TDMA等多址方式相结合，进行灵活多样的多址方案的设计。  

典型MB-TFI-OFDMUWB 系统的部分参数

• UWB应用在个人无线通信中，可以解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以实现信息的快速交换、处理、存储等，其应用场合包括办公室、家庭。例如：家庭多媒体应用，多媒体会议等。

UWB在家庭自动化、资产跟踪、工业控制、医疗监护、安全与风险控制等领域具有广泛的应用前景。

UWB在个人无线通信中的应用