超寬帶通信系統(tǒng)研究概述【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　超寬帶通信系統(tǒng)研究概述</p><p>　　摘要：本文概述了超寬帶通信系統(tǒng)的定義及應(yīng)用背景，詳細(xì)介紹了超寬帶通信系統(tǒng)傳輸速率高、功耗低、保密性好、安全性高的特點(diǎn)，并對(duì)超寬帶通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)通信系統(tǒng)進(jìn)行

2、了比較，最后展望了超寬帶通信系統(tǒng)的未來應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超寬帶通信系統(tǒng)；低功耗；超寬帶</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　超寬帶無線通信的歷史淵源可以追溯到一百年前意大利人馬可尼采用火花隙脈沖實(shí)現(xiàn)越洋無線電報(bào)的時(shí)代?；鸹ㄏ稛o線電延用了幾十年，直到1924年由于其過高的發(fā)射功率對(duì)新出現(xiàn)的窄帶系統(tǒng)有

3、很大干擾而停止使用?，F(xiàn)代意義上的超寬帶無線電通信，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，又稱為沖激無線電技術(shù)。當(dāng)時(shí)的主要研究者是美國(guó)天主教大學(xué)的Hnariuth?Sperry Rand　公司的Ross和Robins以及美國(guó)空軍，他們稱當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)為基帶無線電[1-3]。LLNL和LANL等實(shí)驗(yàn)室也對(duì)脈沖的傳輸、接收和天線技術(shù)做了初步探索。20世紀(jì)60年代對(duì)時(shí)域電磁學(xué)的研究進(jìn)一步促進(jìn)了超寬帶技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　超寬帶

4、技術(shù)在商用領(lǐng)域的應(yīng)用極其廣泛。IEEE制定了高速無線個(gè)人網(wǎng)（WPAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.3a和低速無線個(gè)人網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4 a。IEEE 802.15.3 a標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用場(chǎng)景是高速多媒體家電網(wǎng)絡(luò)，工作距離通常在1－10米范圍內(nèi)，傳輸速率為幾十Mbps到幾百M(fèi)bps。IEEE802.15.4 a標(biāo)準(zhǔn)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括搶險(xiǎn)救援、城市巷戰(zhàn)時(shí)的單兵偵察、軍事搜查／營(yíng)救、跟蹤／監(jiān)控消防人員／緊急呼救、個(gè)人安全／醫(yī)

5、療健康監(jiān)控、智能家庭和倉(cāng)儲(chǔ)管理等方面，工作距離通常在幾十到幾百米范圍內(nèi)，傳輸速率為1 Kbps到1 Mbps。各大公司投入巨資展開了深入的應(yīng)用研究工作[4]。Time Domain在1998年研制成功全雙工2GHz寬帶無線傳輸樣機(jī)系統(tǒng)，該樣機(jī)支持5Mbps碼速率，通訊距離20m，平均功率僅2μW；Fatansma公司于2001年成功開發(fā)出速率60Mbps的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推向一個(gè)新的階段；飛思卡爾公司已實(shí)現(xiàn)220Mbps的無

6、線傳輸速率，并正在向更高數(shù)據(jù)率發(fā)展[5]。</p><p>　　2. 超寬帶通信系統(tǒng)定義</p><p>　　寬帶(UWB)技術(shù)是近年發(fā)展很快的一種無線通信新技術(shù)，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的定義，超寬帶是指信號(hào)的-10dB相對(duì)帶寬超過20％或絕對(duì)帶寬超過500MHz。超寬帶技術(shù)UWB是一種無線載波通信技術(shù)，即不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。U

7、WB是利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)射無線信號(hào)的技術(shù)，適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信[6]。按照FCC的規(guī)定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。</p><p>　　3. 超寬帶通信系統(tǒng)特點(diǎn)</p><p>　　超寬帶通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率高。民用商品中，一般要求UWB信號(hào)的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸

8、速率可達(dá)500Mbit/ s，是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測(cè)率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳。(2)功耗低。UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在

9、高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動(dòng)電話所需功率的1/ 100 左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB電臺(tái)耗電也很低。因此，UWB設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對(duì)于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性[7]。(3)保密性好。 UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低。用傳統(tǒng)的接</p>

10、<p>　　4. 超寬帶通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)比較</p><p>　　由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)在頻譜、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、工程造價(jià)等很多方面都是不同的。</p><p>　　(1)UWB系統(tǒng)帶寬更寬。從頻域來看，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對(duì)帶寬（信號(hào)帶寬與中心頻率之比）小于1%，相對(duì)帶寬在1%到25%之間的

11、被稱為寬帶，相對(duì)帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。</p><p>　　(2) 時(shí)域調(diào)制方式不同。從時(shí)域上講，超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，而UWB是利用起、落點(diǎn)的時(shí)域脈沖（幾十納秒）直接實(shí)現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個(gè)非常寬的頻帶上進(jìn)行，而且以這一過程中所持續(xù)的時(shí)間，來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍[11]。</p>

12、<p>　　(3)UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單：當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級(jí)脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵(lì)天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而不需要使用放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時(shí)在接收端，UWB接收機(jī)也有別于傳統(tǒng)的接收機(jī)，不需要中頻處理，因此

13、UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。</p><p>　　(4)UWB系統(tǒng)多徑分辨能力強(qiáng)：由于常規(guī)無線通信的射頻信號(hào)大多為連續(xù)信號(hào)或其持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于多徑傳播時(shí)間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號(hào)在時(shí)間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時(shí)間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長(zhǎng)度應(yīng)小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號(hào)在時(shí)間上不重疊，很容易分離出多

14、徑分量以充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。大量的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～ 30 dB 的多徑環(huán)境，對(duì)超寬帶無線電信號(hào)的衰落最多不到5 dB。</p><p>　　(5)UWB系統(tǒng)定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點(diǎn)。超寬帶無線電具有極強(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之

15、內(nèi)；與GPS 提供絕對(duì)地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)，此外，超寬帶無線電定位器更為便宜[12]。</p><p>　　(6)UWB系統(tǒng)工程簡(jiǎn)單造價(jià)便宜：在工程實(shí)現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡(jiǎn)單得多，可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對(duì)脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個(gè)芯片上，設(shè)備的成本將很低[13]。</p><p><b&

16、gt;　　5 總結(jié)</b></p><p>　　超寬帶無線通信系統(tǒng)采用了持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖信號(hào)作為信號(hào)的載體中，這既帶來了常規(guī)窄帶通信系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn)，也帶來了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的獨(dú)特要求[14]。超寬帶技術(shù)的采用對(duì)于解決當(dāng)今在通信領(lǐng)域中的容量與有限的頻譜資源分配等問題提供了一條有效的途徑。在業(yè)界的推動(dòng)下，UWB技術(shù)將日臻成熟，目前，已經(jīng)有一些公司推出了UWB芯片和相關(guān)產(chǎn)品?？梢灶A(yù)料UWB技術(shù)將在未來高速信息

17、網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用。它雖然經(jīng)歷近十多年的快速發(fā)展，但是它在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面還存在一些值得深入研究的問題。從最初的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，到基本脈沖波形的設(shè)計(jì)，到發(fā)射信號(hào)中調(diào)制解調(diào)方式的設(shè)計(jì)、多址碼的設(shè)計(jì)等存在需要深入研究的問題需要我們今后去研究發(fā)現(xiàn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Guerino Giancola 著.

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