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关键词:超宽带脉冲通信信号应用
超宽带技术是一种新的无线通信技术。通过直接调制具有陡峭上升和下降时间的脉冲，信号具有GHz的带宽。超宽带(UWB)技术解决了困扰传统无线技术多年的主要传播问题。它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获能力低、系统复杂度低、定位精度达几厘米等优点。
1超宽带信号及其特性
联邦通信委员会(FCC)规定:
部分带宽称为UWB信号。其中，部分带宽是在-10dB的信号功率谱密度下测得的值。图1显示了UWB信号和窄宽信号之间的功率谱密度的比较；图2示出了UWB信号格式。
典型的脉冲位置调制(PPM) UWB信号形式[1]，[2]为:
Str(k)(t)表示第k个用户的传输信号，它是大量具有不同时移的单周期脉冲的总和。W(t)表示发射的单周期波形，它可以是单周期高斯脉冲或其一阶和二阶差分脉冲，从发射机时钟的零点时间(t(k)=0)开始。第j个脉冲的开始时间是。仔细分析每个时移分量:
(1)时移相同的脉冲序列:形式上的脉冲代表时间步长为Tf的单周期脉冲，占空比极低。帧长度或脉冲重复时间Tf(帧时间)的典型值是单周期脉冲宽度的100到1000倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列很容易导致随机碰撞。
(2)伪随机跳时:为了减少多址接入中的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个符号都是整数，并且满足。这样跳时码给每个脉冲加了一个时移，第j个单周期脉冲的附加时移是秒。
因为读出单周期脉冲相关器的输出需要一定的时间，所以NhTc/Tf应该严格小于1。但是，如果NhTc太小，多用户接入时发生碰撞的概率还是会很大。相反，如果NhTc足够大，跳时码设计合理，多用户干扰可以近似为AWGN(加性高斯白噪声(AWGN)信号。
因为跳时码是周期为Np的周期序列，所以也是周期为Tp=NpTf的Np周期序列。跳时码的另一个作用是使UWB信号的功率谱密度更平坦。
(3)数据调制:第k个用户发送的数据序列{di (k)}是二进制数据流。每个符号传输ns个单周期脉冲，这增加了信号的处理增益。
在这种调制模式下，一个符号(或多个符号)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制符号速率Rs为:
显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点:信号持续时间很短，为纳秒和亚纳秒脉冲，信号占空比极低(1% ~ 0.1%)，因此具有良好的多径抗扰性；频谱相当宽，达到GHz量级，功率谱密度低，所以UWB信号对其他系统干扰小，抗截获能力强；UWB系统的处理增益很高，其总处理增益PC为:
例如，当一个二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，它的处理增益很高。
此外，UWB信号是极窄的脉冲序列，因此具有非常强的突防能力，可以分辨墙后的隐藏物体或移动物体，可以实现雷达、定位和通信的结合，适用于军事战术通信。
超宽带信号发射机和接收机的基本结构
2.1发射器和相关接收器型号
与传统的无线收发器结构相比，超宽带收发器的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接调制射频脉冲，然后脉冲再经过可编程延时器件进一步延时，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器乘以本地模板波形，积分后通过采样保持电路送到基带信号处理电路。可编程延时由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码发生器控制，根据相应的延时产生本地模板波形，再乘以接收信号。整个收发机几乎全部由数字电路组成，便于降低成本和小型化。
2.2瑞克接收机模型
由于UWB信号需要进行时域分析，多用于室内密集多径(多径可达30)，各径信号能量很小，很难估计各信道，因此对UWB信号进行Rake接收是可能的。Rake接收机对能量较小的多径信号进行能量合并后，可以提高信噪比和系统性能。
3 UWB与其他无线个域网技术的比较
由于其各种优势，超宽带技术已经成为无线个人区域网(WPAN)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线取代传统的有线电缆，以低价格、低功耗实现10m范围内个人信息终端的智能互联，形成个性化的信息网络。它最常见的应用是连接计算机、打印机、无绳电话、PDA和信息设备。目前实现WPAN的技术主要有五种:IEEE 802.11b (win)、HORRF、IrDA、蓝牙和UWB。由此可见，UWB技术的优势是显而易见的，主要缺点是传输距离受到发射功率低的限制。也就是说，在10m m范围内，UWB可以发挥几百Mbps的传输性能，IEEE802.11b+0B或家用射频无线PAN的性能对于远距离应用来说会强于UWB。UWB不会和IEEE802.11b+0b以及家用射频直接竞争，因为UWB更多的是在室内使用，距离大概在10m左右。其实把UWB看成蓝牙技术的替代品可能更合适，因为后者的传输速率远不如前者，蓝牙技术的协议也更复杂。
4国内外的研究与发展
4.1国外研究现状
军事:早在1965，美国就建立了UWB的技术基础。在接下来的二十年里，超宽带技术在美国主要用于军事应用，其研究机构仅限于与军事相关的企业、研究机构和团体。目前，美国国防部正在开发数十种超宽带系统，包括战场防窃听网络。
民用:由于UWB技术的优势，在无线通信方面有很大的潜力。近年来，国外对UWB信号应用的研究是热点，主要应用于通信(如家庭和个人网络、高速公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)。)、雷达(如车辆和飞机的碰撞/故障规避、入侵检测和探地雷达等。)和精准定位(如资产追踪和人员定位等。).索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒-克莱斯勒等高科技公司都参与了UWB技术的开发，将各种高数据传输速率的消费电子设备连接起来，满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功耗和高速数据传输的要求。
国际学术界对超宽带无线通信的研究越来越深入。2002年5月20日至23日，IEEE召开了一次会议，专门讨论超宽带技术及其应用。2002年2月14日，美国联邦通信委员会(FCC)正式通过了将UWB技术应用于民用的提案，定义了三种UWB系统:成像系统、通信与测量系统和车载雷达系统，并分别规定了三种系统的EIRP(全向有效辐射功率)。然而，超宽带技术的协议和标准尚未确定。目前只有美国允许使用民用UWB设备。欧洲在讨论UWB的进一步使用，看美国的UWB标准。
4.2国内研究现状
在2001 9月初发布的“十五”863通信技术研究项目中，将超宽带无线通信的关键技术及其* * *存储和兼容技术作为无线通信* * *技术和创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强该领域的研发。而国内对超宽带技术的深入研究仅限于雷达，对超宽带通信系统的研究尚未形成规模。
参考文献:，王，，阚春荣，徐。