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1、调制解调研讨课论文超宽带无线通信调制解调技术超宽带无线通信调制解调技术研究 摘 要：随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。超宽带（UWB）技术的出现，实现了短距离内超宽带、高速的数据传输。其调制方式及多址技术的特点使得它具有其它无线通信技术无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。本文主要介绍了UWB的技术特点，调制解调方式,最后对UWB的应用前景进行了分析与展望。 关键词： UWB；无线；调制解调;引言课题研究背景及意义无线通信技术的飞速发展，给人们日常生活带来极大地便利，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
2、输质量。近年来，无线局域网、无线因特网、无线个人区域网等概念的提出，要求能够在室内环境条件下无线数据传输速率达到100Mbps，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，超宽带技术将是一个非常有竞争力的方式。超宽带（UWB）技术，也称冲击无线电技术，是近几年在国际上兴起的一种革命性的无线通信技术，与其他无线通信技术相比有很大不同：不需要使用载波，而是依靠持续的、时间非常短的基带脉冲信号(通常情况下)传输数据，因而占用的频带非常宽，通常在几GHz量级。UWB技术与下列名词是同义的：极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和雷达信号。UWB脉冲通信由于其优良独特的技术特性，
3、越来越受到通信学术界和产业界的重视，并且也为社会各界所关注，将会在小范围和室内大容量高速率无线多媒体通信、雷达、精密定位、穿墙透地探测、成像和测量等领域获得日益广泛的应用。超宽带无线电是对基于正弦载波的常规无线电的一次突破。几十年来，无线通信都是以正弦载波为信息载体，而超宽带无线通信则以纳秒级的窄脉冲作为信息载体。其信号产生、信道特性、调制解调、信号同步和实际应用等方面都与常规无线通信有很大的差别；在信号隐蔽性、系统处理增益、多径分辨能力、数据传输速率、体积和成本等方面，具有独特的优势。因此，建立和完善超宽带无线通信的理论基础，解决其关键技术（调制解调技术），对无线通信的发展具有重要的科学意义
4、和现实意义。超宽带无线通信技术概述1、超宽带无线通信技术的产生与发展 超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。此后，超宽带这个术语才被沿用下来。 其中，为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。绝对带宽BWAbsolute=fH-f
5、L,相对带宽BWFractional=2 fH-fLfH+fL为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz10.6 GHz。为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被U
6、WB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带(IR-UWB)系统、基于直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用(OFDM)的UWB系统等。在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。当前，UWB技术已成为短距离、高速无线连接最具竞争力的物理层技术。IEEE已经将UWB技
7、术纳入其IEEE802系列无线标准，正在加紧制订基于UWB技术的高速无线个域网(WPAN)标准IEEE802.15.3a和低速无线个域网标准IEEE802.15.4a。以Intel领衔的无线USB促进组织制订的基于UWB的W-USB2.0标准即将出台。无线1394联盟也在抓紧制订基于UWB技术的无线标准。可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。 2、UWB的技术特点 (1)传输速率高，空间容量大 根据山农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为： C=Bl
8、og21+SNR.(1)其中，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7 GHz带宽，即使信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可达到1 Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE 802.11.a高出12个数量级。 (2)适合短距离通信 按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1G
9、Hz10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr (d )。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数 C(d)=Blog21+SNRr(d) (2)另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在。
10、因此，UWB系统特别适合于短距离通信。 (3)具有良好的共存性和保密性 由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。(4)多径分辨能力强，定位精度高由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB
11、信号高精度的测距、定位能力。对于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。 (5)体积小、功耗低传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级
12、或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点。UWB的调制原理1、UWB脉冲成形技术 任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息。对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为： st=Ing(t-T)(3) 其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g(t)为时域成形波形。通信系统
13、的工作频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g(t)的设计。 对于UWB通信系统，成形信号g(t)的带宽必须大于500MHz，且信号能量应集中于3.1 GHz10.6 GHz频段。早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2 GHz以下。FCC对UWB的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形方案必需进行调整。近年来，出现了许多行之有效的方法，如基于载波调制的成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等。1.1高斯单周脉冲高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉
14、冲波形均可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降。早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲，信号频率成分从直流延续到2GHz。按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。图1为典型的2ns高斯单周脉冲。图1典型高斯单脉冲 1.2载波调制的成形技术 原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求。因此，传统的用于有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。此时，超宽带信号设计转化为低通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频谱在频率轴上灵活地搬移。有载
15、波的成形脉冲可表示为： wt=p(t)cos2fct (0tTp)(4) 其中，p(t)为持续时间为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。若基带脉冲p(t)的频谱为P(f )，则最终成形脉冲的频谱为Wf=12 Pf+t+12Pf-t (5)可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p(t)，只要使p(t)的-10dB带宽大于250 MHz，即可满足UWB设计要求。通过调整载波频率fc可以使信号频谱在3.1 GHz10.6 GHz范围内灵活移动。若结合跳频(FH)技术，则可以方便地构成跳频多址(FHMA)系统。在许多IEEE 802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术。图2为典型的有载
16、波修正余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz。图2有载波修正余旋脉冲 1.3Hermite正交脉冲Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法。结合多进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速率。这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频谱方可满足FCC要求。 1.4PSWF正交脉冲PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进
17、行频谱般移。因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度。2、UWB调制技术调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性，同时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。通信的最终目的是在一定的距离内传递信息。虽然基带数字信号可以在传输距离相对较近的情况下直接传送，但如果要远距离传输时，特别是在无线或光纤信道上传输时，则必须经过调制将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。为了使数字信号在有限带宽的高频信道中传输，必须对数字信号进行载波调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK
18、）。它们分别对应于用载波（正弦波）的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看成是模拟线性调制和角度调制的特殊情况。2.1脉位调制脉位调制（PPM）是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM（MPPM）。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态一一对应。根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM（OPPM）。在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。PPM的优点在
19、于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。2.2脉幅调制脉幅调制（PAM）是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM（MPAM）。UWB系统常用的PAM有两种方式：开关键控（OOK）和二进制相移键控（BPSK）。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。与2PPM相比，在辐射功率相同的前提下，BPSK可以获得更高的传输
20、可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。2.3波形调制波形调制（PWSK）是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。在这种调制方式中，采用M个相互正交的等能量脉冲波形携带数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据符号对应。在接收端，利用M个并行的相关器进行信号接收，利用最大似然检测完成数据恢复。由于各种脉冲能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率。在脉冲宽度相同的情况下，可以达到比MPPM更高的符号传输速率。2.4正交多载波调制传统意义上的UWB系统均采用窄脉冲携带信息。FCC对UWB的新定义拓广了UWB的技术手段。原理上讲，-10dB带宽大于500MHz的任何信号形式均可称作UW
21、B。在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调采用快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换（FFT/IFFT）实现。总结与展望本文首先介绍了超宽带无线通信的发展及其技术特点，然后，重点介绍了广受关注的几种超宽带无线通信调制方式，脉冲位置调制、脉冲幅度调制等，讨论了它们的调制原理及特点。 超宽带无线通信的研究正方兴未艾，本论文涉及的超宽带无线调制解调系统越来越收到重视；同时，UWB技术的应用前景非常诱人，如在高速无线个域网、无线以太接口链路、智能无线局域网、户外对等网络以及传感、定位和识别网络等众多领域有着广泛的应用，尤其是在数字家庭影院方面的应用，随着更多应用的出现，
22、未来超宽带无线系统的研究应关注以下动向： 1.速率在400Mbps以上的超高数据速率超宽带系统设计。随着人们对传输速率的要求越来越高，超宽带技术必将因为其独特的优势而受到越来越多的重视。2.超宽带无线个域网/传感网的MAC层协议、资源管理；UWB设备Ad hoc组网协议；以及相应的具有QoS保证的上层路由、传输等通信协议。3.超宽带技术在高精度定位、透视及检测、雷达、医学乃至军事上的应用。4.天线系统、射频电路、接收处理电路及其芯片技术。超宽带技术对宽带天线、射频电路、接收机的信号检测处理、信道估计、定时同步电路等提出了特别高的要求。相关的芯片技术是关键和研究重点。5.各种先进信号处理技术的应
23、用研究，如高效编码调制技术、多用户/盲多用户检测算法、MIMO与天线阵列；等等。随着超宽带技术标准化工作的进展，特别是越来越多的超宽带技术应用市场之门正在向世人敞开，超宽带技术及其应用必将迎来研究和发展的新高潮！参考文献1王德强,李长青,乐光新.超宽带（UWB）无线通信技术详解EB/OL.2葛利嘉,曾凡鑫,刘郁林,岳光荣. 超宽带无线通信M. 国防工业出版社, 2005.3皱卫霞,赵传华,周正.UWB 脉冲的特征分析J.无线电工程报，2005,第35 卷,第9 期.4李耀民，周正无线超宽带调制方式现状与展望通信技术报，2003年10期5王金龙.无线超宽带通信原理与应用M.北京:人民邮电出版社,2005.