通信与网络中的UWB通信基本原理
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2020-11-14
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通信与网络中的通信与网络中的UWB通信基本原理通信基本原理
无论是早期的基带脉冲方式，还是最近提出的载波调制方式，UWB技术的基本特点是采用共享的方式使用极宽
（数GHz）的频谱，从而可以提供很高的数据速率（最高可达1Gb／s以上）。所谓超宽带，根据FCC的定义，
是指信号的一10dB相对带宽大于0.2，或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500MHz。这里相对带宽定义为
式中，为fH和fL分别为系统的高端和低端频点（按－1OdB计算）。根据FCC的规定，室内UWB通信的实际使用
频谱范围为3.1～10.66Hz，并在这一范围内，有效各向同性发射功率（effectlve isotropic radiated
power，EIRP）不超过－41.3dBm
无论是早期的基带脉冲方式，还是最近提出的载波调制方式，UWB技术的基本特点是采用共享的方式使用极宽（数
GHz）的频谱，从而可以提供很高的数据速率（最高可达1Gb／s以上）。所谓超宽带，根据FCC的定义，是指信号的一10dB
相对带宽大于0.2，或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500MHz。这里相对带宽定义为
式中，为fH和fL分别为系统的高端和低端频点（按－1OdB计算）。根据FCC的规定，室内UWB通信的实际使用频谱范围
为3.1～10.66Hz，并在这一范围内，有效各向同性发射功率（effectlve isotropic radiated power，EIRP）不超过－41.3dBm
／MHz。
在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相
同的信息。对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典的单脉冲调制技术包括脉冲幅度调制
（PAM）、冲位置调制（PPM）、二相调制（BPM）和开关键控（OOK）。
UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，一般工作脉宽0.1～1.5ns（1ns＝
10-9s），重复周期为12～1000ns。超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序
列转换成基带信号省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设各复杂性。典型的UWB系统采用高斯脉冲作为传输信号
的载体，其脉冲信号的表达式为
信号占据极宽的频带，一般在数吉赫兹左右。时域波形与微分高斯脉冲波形相似，其频谱中心频率为脉冲长度的倒数，半
功率带宽约为中心频率的1.16倍。实际应用中，脉冲的波形还有其他很多种，如一阶高斯微分和二阶高斯微分、升余弦脉冲以
及升余弦包络等脉冲。实际通信中使用一长串的脉冲，可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间来表示
一个特定的信息。
为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量大小不一，同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信
道，即实现通信系统的多址，可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码，特别是采用伪随机序列编码。接收
端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。
为了降低脉冲的幅度或提高抗干扰性能，往往采用多个脉冲传递相同的信息，调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内
部单个脉冲的调制，称为扩谱（spreadspectrum），常采用的方式有跳时扩谱（TH-SS）－PPM和直接序列扩谱（DS－
SS）－BPM；第二步为每组脉冲作为整体被调制。每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。把第一步和第
二步组合起来可得到TH SS PPM、DS－SS PPM、TH-SS PAM、DS－SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。
多脉冲调制不仅通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使
用的55序列之间的正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用55序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。
UWB系统采用相关接收技术，关键部仵称为相关器（correlator）。相关器用准各好的模板波形乘以接收到的射频信号，
再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内，间歇期则没有。处理过程一般在不到Ins的时间内完
成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到单周期脉冲和模板波形的相对时
间位置差。
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