摘要：从超宽带UWB技能进行了介绍和剖析，并对其调制方法和近期提出的新式高效脉形调制PSM（Pulse Shape ModulaTIon）做出了开端的理论讨论。
超宽带（Ultra Wide Band）作为一种新式的无线通讯技能与传统的通讯方法比较有着很大的差异。因为它不需运用载波电路，而是经过发送纳秒级脉冲传输数据，因而该技能具有发射和接纳电路简略、功耗低、对现存通讯体系影响小、传输速率高的长处，此外它还具有多径分辩才干强、穿透力强、隐蔽性好、体系容量大、定位精度高级优势。依据FCC的规则，从3.1GHz～10.6GHz之间的7.5GHz带宽频率都将作为UWB通讯设备所运用。但出于对现存无线体系影响的考虑，UWB的发射功率被约束在1mW/MHz以下。
UWB是一种可认为无线局域网LAN、个人域网PAN的接口卡和接入技能带来低功耗、高带宽并且相对简略的无线通讯技能。它处理了困扰传统无线技能多年的严重难题，开发了一个具有对信道式微特性不灵敏、发射信号功率普密度低、不易被截获、复杂度不高级很多长处的传输技能。该技能特别适用于室内等密布多径场所的高速无线接入和军事通讯运用中。
图1
1 根本概念
超宽带（UWB）又被称为脉冲无线电（Impulse Radio）,详细界说为相对带宽（信号带宽与中心频率的比）大于25%的信号，即：
Bf=B/fc=(fh-fl)/[(fh+fl)/2]>25% (1)
或许是带宽超越1.5GHz。实践上UWB信号是一种持续时刻极短、带宽很宽的短时脉冲。它的首要方法是超短基带脉冲，宽度一般在0.1～20ns，脉冲间隔为2～5000ns，精度可控，频谱为50MHz～10GHz，频带大于100%中心频率，典型点空比为0.1%。
传统的UWB体系运用一种被称为“单周期（monocycle）脉形”的脉冲。一般情况下，经过随道二极管或许水银开关发生。在计算机仿真顶用高斯脉冲来近似替代它。因为天线对脉冲的影响不同，所以能够假定发送脉冲为：
而接纳端收到的信号为：
tc是脉冲的时移，2tau为脉冲的宽度。图1给出了发射脉冲和接纳脉冲的时域脉形。
2 UWB的功用特色
超宽带有别于其它现存的一些通讯技能，其最底子的差异在于无需载波，大大下降了发射和接纳设备的复杂性，从底子上下降了通讯的本钱。
UWB的长处能够概括为以下八个方面：
（1）无需载波，发送和接纳设备简略。因为UWB信号是一些超短时的脉冲，其频率很高，所以它不象传统的基带信号那样需求将其调制到某个发射频率上才干在信道中传输。因而，必定会使发射机和接纳机的结构简略化。
图2
（2）功耗低。因为UWB信号无需载波，作业在频谱的电子噪声波段，所以它只需求很低的电源功率。一般UWB体系只需求50～70mW的电源，而这仅仅移动电话的百分之一，蓝牙技能的非常之一。
（3）传输速率高。极宽的带宽使UWB具有很高的传输速率，一般情况下，其最大数据传输速度能够到达几百Mbps～1Gbps。美国英特尔公司于2002年4月在“IDF2002 Spring Japan”上对该技能进行了演示，在数米的间隔内传输速率可达100Mbps。
（4）隐蔽性好，安全性高。因为UWB信号的带宽很宽，且发射功率很低，这必定使该项通讯技能具有低截获才干LPD（Low Probability of DetecTIon）的长处。别的超宽带还选用了跳时TH（TIme Hopping）扩频技能，接纳端必须在知道发射端扩频码的条件下才干解调出发送的数据信息。
（5）多径分辩才干强。从时域视点看，超宽带体系选用脉冲宽度为几纳秒的窄信号，因而具有很高的时刻分辩力，相应的多径分辩率小于几十厘米；从频域的视点剖析，因为UWB信号的带宽极宽，所以信号在传输过程中呈现频率挑选性式微呈现是必定的。但是正是因为极宽的带宽，多径式微只在某些频点处呈现，从全体上考虑，式微掉的能量仅仅信号总能量很小的部分，所以该技能在抗多径方面仍具有鲁棒性。
（6）体系容量大。香农公式给出
C=Blog2(1+S/N) (4)
能够看出，带宽添加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技能的理论机理。
（7）高精度的间隔分辩力。因为超宽带定位设备的时刻颤动小于20ps，假如选用GPS相同的作业原理和算法，相应的间隔不确定性小于1cm。而在实践运用中，超宽带雷达体系运用的超窄脉冲信号，其间隔分辩率小于30cm。
（8）穿透才干强。在具有相同带宽的无线信号中，超宽带的频率最低，因而，它在具有大容量和高间隔分辩率的一起相对于毫米波信号具有更强的穿透才干。
3 UWB信号的调制方法
UWB的调制方法有许多，以脉冲调制PPM（Pulse PosiTIon Modulation）为例作为一个举例剖析。
首要界说一个单周期脉形：
s(k)代表信号kth,w(t)为传输的单周期脉冲。
将其移至每一帧的开端：
Tf代表脉冲重复周期，j表明第j个单脉冲。
参加伪随机跳时码：
最终参加调制数据：
其间，d(k)是信息数据，δ为时移。为了满意多用户的需求，进步通讯的安全性和对体系功率谱密度PSD（Power Spectral Density）的考虑，引进了跳时码，下面就从功率谱密度的视点来剖析这个问题。
假定选用图1（a）给出的高斯单脉冲作为发送信号，且仅仅一串周期性的脉冲序列，因为时域信号的周期性导致其频域呈现了激烈的能量类峰，这些类峰将对现存传统的无线信号形成搅扰。因而需求采纳某种办法将其滑润。假如选用PPM调制对脉冲的方位做出调整，能够看到：因为调制的置乱作用，频域的尖峰得到了必定的操控，但此刻仍比较显着。为了进一步下降类峰的起伏，引进跳时码，这样发送信号的功率谱就会得到进一步的滑润，简直近似于背景噪声，这也正是UWB体系能与现存无线体系并存的原因之一。图2给出了上述不同信号的PSD图和引进跳时码后的时域波形。
除PPM外，UWB信号还能够选用脉幅调制PAM（Pulse Amplitude Modulation），开要害OOK（On-Off Key）和二相移键控BPSK（Bi-Phase Shift Key）等。在接纳端，单脉冲信号能够经过相关技能完成牢靠接纳。实践运用中常运用相关器（correlator），它用准备好的模板波形乘以接纳到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相关器输出的是接纳到的单周期脉冲和模板波形的相对时刻方位差，从输出中寻觅时刻方位差为0的即为要接纳的信号。
为了寻求更高功率的信息传输，近来人们提出了一种新式脉冲调制方法——脉形调制PSM（Pulse Shape Modulation）。PSM便是对脉冲的形状进行调制然后完成信息的载荷，因而脉冲形状的挑选是非常重要的。它的提出得益于人们对hermite多项式的研讨。因为hermite多项式的数学表达式与高斯单脉冲很挨近，并且跟着阶数的改变，波形的持续时刻不会有很大的改变，因而人们便想到了用hermite多项式数的改变发生形状各异的脉冲，完成多元化的调制。为了寻求正交的波形，需对hermite多项式进行批改，即：
经过改动之后，便能够得到互相正交的各阶hermite多项式了。这时能够在发送端一起发送n个不同形状的单脉冲，正交性使其互不搅扰，接纳端用相关接纳技能即可把每一个信号分离出来。
图3给出了改进型hermite多项式时域波形。与此一起还能够经过树立simulink电路得到想要的各阶hermite多项式脉冲。如图4给出了树立电路和仿真波形。在simulink电路中，Hermite多项式的阶数由脉冲阶数单元操控，示波器1、2给出相应阶数和相应阶数减1阶的hermite脉形。
传输功率的进步带来体系功用的下降，这是许多体系所不能容忍的，因而需求进行编码。首要在形域选用BCH（7，4）对信号编码，这样一来传输速率是单脉冲的4倍，而误码功用则与单脉冲根本相同，随后在时域对信息帧进行BCH（31，11）编码，使功用进一步进步，最终还能够在时域和形域联合编码，误码功用会得到大起伏的改进，而传输功率依然高于单脉冲体系。功用曲线如图5所示。
4 运用远景和开展方向
凭仗本身的很多优势，超宽带技能具有宽广的运用远景，UWB首要在美国军方和政府部分得到了实质性重视，并敏捷运用于美国军队的无线电台组网（Adhoc）和高精度雷达检测体系中。2002年2月FCC允许UWB技能进入民用范畴，条件是：“在发送功率低于美国放射噪音规则值-41.3dBm/MHz（换算成功率则为1mW/MHz）的条件下，可将3.1G～10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像体系、轿车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通讯”。虽然该技能在运用中有如此多的约束，但它仍遭到宽广电信开发商的喜爱。Time Domain和Multispectral Solutions等公司现已向IEEE-802.15委员会提出了选用超宽带技能的方案，很多公司的研讨部分甚至校园也都将该技能的研讨提到了日程中来。许多现已老练的技能纷繁与UWB进行结合，如UWB-OFDM、UWB-Ad hoc、UWB-Wavelet、UWB-Neural network等，有的公司甚至现已使用这些技能出产出了实践的民用产品。
图4
笔者把超宽带技能的运用概括为短间隔无线通讯、雷达勘探和准确定位三个最首要的方面。其间在短间隔无线通讯中可用于密文传送、音/视频流传输、射频标签辨认以及无中心自纺织网络（Adhoc）的物理层等范畴；雷达方面首要用作防撞雷达检测、精细测高学、穿墙成像和探地雷达体系；准确定位则可用于资源盯梢和全球定位体系GPS（Global Position System）。由此可见，UWB技能的背面蕴藏着巨大的商机。
当然，超宽带技能若要真实用于人们的日常日子，还有许多极具挑战性的课题，这也是超宽带技能近来甚至往后很长一段时刻内研讨和开展的方向。
（1）树立时域内的超宽带无线电发射器的模型，从时域视点规划天线的传输函数；
（2）研讨超宽带信号发生和根本功用的优化；
（3）研讨低电平赶宽带无线电信号调集而千万的搅扰，有用平衡功率和通讯规模的联系；
（4）超宽带跳时码的研讨；
（5）研讨移动Adhoc网络协议和路由协议，将超宽带技能运用于分布式的网络结构、盲捕获和自装备功用中；研讨适用于超宽带类似于“蓝牙”体系的组网协议；
（6）研讨根据超宽带无线电传输技能的无线IP协议；
（7）研讨超宽带无线电的测验技能，包含传输信道的测验、估量、信道模型等。
现在科学界正掀起一般UWB的革新浪潮，UWB技能已成为未来最有开展远景的十大通讯技能之一。我国相同也非常重视这项革新性技能的研讨，并于2001年9月初发布的“十五”863方案通讯技能主题研讨项目中，把超宽带无线通讯要害技能及其共存与兼容技能作为无线通讯共性技能与立异技能的研讨内容，鼓舞国内学者加强这方面的研制作业。
超宽带技能开创出无线通讯中一个簇新的范畴，具有非常宽广的市场远景。或许假以时日，UWB将作为无线互连规范的干流呈现在人们面前，让我们拭目而待。
