超宽带(UWB)无线通信技术介绍

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一、超宽带无线通信技术(UVB)简要介绍
研究团队：李唐 刘亚峰
二、对超宽带(UVB)无线通信技术的概述 作者：王德强 李长青 乐光新
【详细解析了该技术的核心原理及应用前景

一. 超宽带无线通信技术(UVB)简介
** | UWB (Ultra Wide Band)是一种通过极低功率实现短距离快速数据传输的无线通信技术。这种最初由军方使用的 technically 但现在由于2002年2月美国联邦通信委员会(FCC)宣布其民用化后广受关注的一项技术拥有多项显著的技术优势，在多个领域得到了广泛应用，并显著提升了通信性能、可靠性和稳定性。

概述：超宽带技术UWB属于无线通信领域的重要组成部分。它并非依赖传统的正弦波载波而是基于微秒级甚至纳米级的非正弦脉冲进行数据传输。因此其覆盖频谱极为广泛。该技术通过发射微秒或纳米级宽度的脉冲实现无线信号传输特别适用于高速、短距离内的无线通信需求。按照FCC的规定从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz带宽频率为UWB所使用的频率范围

在频域特性上进行分析可以看出，在频域特性上进行分析可以看出

UWB(Ultra Wide Band,超宽带)主要技术特点
作为一种独特的无线通信技术方案, UWB在无线网络领域展现出显著的技术优势,特别适用于提升无线局域网和个人局域网中的接口卡与接入技术性能。该技术不仅实现了极低的能量消耗,还能够提供巨大的频谱带宽,同时具备实现简单的特点。更重要的是,它对信道衰落具有良好的容忍度,并且能够在极低的发射功率谱密度下运行,有效降低信号被截获的可能性,同时系统设计较为简单,却能提供厘米级的精确定位能力。此外,UWB在多个方面展现出多项显著的技术优势:对信道衰落具有良好的容忍度;发射信号功率谱密度极低;被信号截获的可能性极小;系统设计较为简单;同时具备厘米级的精确定位能力等优点

1 抗干扰性能强

UWB系统基于跳时扩频技术实现较大的增益优势，在发射阶段将微弱的无线电脉冲信号均匀分布于宽广的频段中，并且其输出功率甚至低于常规设备所产生的噪声水平。接收阶段能够有效提取信号能量，并在此过程中产生额外的扩频增益。特别是在相同码速条件下与IEEE 802.1la、IEEE 802.1lb以及蓝牙技术相比，UWB系统展现出更强的抗干扰能力。

2 传输速率高

超宽带技术（Ultra Wide Band）的传输速率可达到几十Mbit/s到几百Mbit/s。相比蓝牙而言具有显著优势，并在性能上同样超越了IEEE 802.1la和IEEE 802.1lb标准。

3 带宽极宽

UWB所使用的频段通常超过1 GHz，在数 GHz范围内运行。具有较大的容量的超宽带系统不仅能够与现有的窄带通信系统共存而不产生相互干扰，并且其设计初衷就是在当今频谱资源愈发紧张的趋势下寻求突破性的解决方案。该技术提供了大量未曾被充分利用的时分复用无线电技术方案。

4 消耗电能小

一般情况下，在通信过程中，无线通信系统需要持续不断地发射载波以满足信息传输的需求。相比之下，在UWB系统中没有使用载波这一机制。相反地，在UWB中直接以二进制形式（即0和1）发送信号，并且仅在必要时发射短暂脉冲电磁波。

5 保密性好

UWB保密性体现在两个方面：其一是基于跳频技术的实现机制，在特定条件下能够识别并解码信号；其二是通过降低发射功率谱密度来增强信号的安全性。传统类型的接收装置无法有效捕获这种微弱信号。

6 发送功率非常小

UWB系统具有极低的发射功率。基于极低发射功率的通信设备仍能实现有效的通信。极低的发射功率能够显著延长系统的供电时间。此外, 其产生的电磁波对人体的影响较小。这样一来, UWB的应用范围就更为广泛了。

UWB应用前景

UWB技术在系统架构上具有较高的简洁性，在信号发射端实现了极低功率谱密度的特点，在通信质量方面表现出对信道衰落具有较强的鲁棒性的同时还具备较低的信号截获能力以及较高的定位精度等显著优势；这种技术特别适合于室内复杂多径环境下的高速无线接入需求；特别是在视频消费娱乐领域的无线个人局域网（WPAN）方面展现出显著的优势；此外它还能够轻松构建高效的室内 wireless局域网络（WLAN）或 personal wireless网络（WPAN）。现有如802.11b和蓝牙标准的速度水平尚显不足；尽管54 Mb/s速率虽然能够处理视频数据但成本过高难以承受；相比之下UWB技术则以其优异的传输性能在10米范围内表现优异可达高达110 Mb/s的数据传输速率

超宽带系统集无线通信与定位功能于一身，在智能交通系统中使用非常便利，并可提供高性能与低成本的技术方案以满足车辆防碰车、电子驾驶证、实时测速等功能需求。UWB技术在短距离高精度雷达成像方面表现突出，在军事领域用于精确打击，在公安系统实施紧急救援通信，在消防领域实现入侵检测，在医疗设备中实现精准定位，在救援行动中提供穿透障碍物的能力，在科研领域辅助空间探测技术等方面均展现出独特优势。UWB技术还可广泛应用于传感器网络及智能化环境监测中，在日常生活环境中发挥着重要作用

看来要决定UWB未来发展道路的各种因素包括多种无线方案的技术进步、价格水平、用户接受程度以及市场接受度等多个方面。

二. 超宽频无线通信技术综述
由李唐、刘亚峰两位学者撰写的《超宽频无线通信技术》一文发表于《天津通信技术》期刊。该文章最初发表于天极传媒网络平台。

1 引言 超宽带(UWB) 的出现与下列名词相联系，即脉冲、无载波、基带、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号，在此，以UWB来统一表示。上世纪60年代已经出现 了有关UWB的发射机和接收机的设计技术，同时UWB在通信和雷达中也得到了应用。此后，UWB技术不断得到发展，到70年代，有关UWB在通信和雷达应 用中的全部体系概念都已经建立起来，但对UWB这个名称的真正引入还是在上世纪80年代。后来，到了90年代，因设备制造技术的进步，出现了第一个UWB商用系统，目前所做的工作都是对这一系统的具体实现，使得UWB的基本构成和具体细节及实现方法等都取得了一定的进展，进一步促进了UWB的实用化进程。 用于军事雷达和灾害救援搜索等方面的UWB无线系统在国外早已得到实用，如今，由于UWB无线通信所具有的独特的性能和近年来微电子技术及器件 水平的不断提高，UWB在低费用的中短距离无线通信应用中越来越具有吸引力，尤其是满足日益增长的有线上网是研究短距离无线技术的一大驱动力。UWB技术 是一种低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力(LPI/D)低，定位精度高等 优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。目前国外公司正在进一步研究将UWB技术应用于高速无线通信领域的潜在优势和所要解决的问题。本文首 先介绍UWB中的主要技术，最后归纳了它的性能特点及其局限性。 2 UWB系统的关键技术 UWB的名称来源于可在非常宽的带宽，即超宽带的带宽上传输信号。所谓超宽带的带宽，按美国联邦通信委员会(FCC)的定义，即是：比中心频率高25%或者是大于1.5 GHz的 带宽。举个例子来说，对于一个中心频率在4 GHz的信号将跨越从3.5 GHz(或更低)至4.5 GHz(或更高)的范围才能称得上是一个UWB信号，如图1所示。UWB无线系统的关键技术主要包括：产生脉冲信号串(发送源)的方法，脉冲串的调制方 法，适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。

2.1 UWB脉冲信号的产生 从根本上说, 构成研究UWB技术的基础前提是从理论上实现极短脉冲宽度(ns级)信号源。这一基本要求有两个关键特征:一是激励信号必须呈现出陡峭前沿的短脉冲形态;二是信号频谱需覆盖从直流(DC)延伸至微波频段。当前实现这一目标的方法主要分为两类:(1) 光电法, 其原理是通过光导开关导通瞬间急剧上升的部分捕获所需脉冲信号;由于激光脉冲可具备极陡前缘, 因此可获得介于皮秒到飞秒量级(PS ns)的时间宽度;此外, 光导开关采用集成化工艺制造, 能够保证高度一致的性能, 因此成为极具发展潜力的技术方案。(2) 电子法, 其基本原理是利用半导体PN结反向偏置达到雪崩击穿状态, 并在开关动作瞬间采集急剧上升的部分作为电脉冲信号;这种方法目前应用最为广泛;但存在以下局限性:首先, 以电脉冲作为触发源会导致前缘宽度较大, 这使得触发控制精度受到影响, 尤其是在对精确时间控制要求较高的场合难以满足需求;其次, 受晶体管工作电压受限于其耐压特性限制, 此类方法一般只能产生几十伏至上百伏范围内的电脉冲信号;然而 pulse width仍可达到亚纳秒量级(nS)。图2展示了典型的UWB时间域与频域波形

如图2所示，在实际通信系统中通常采用高斯单周期脉冲作为冲激脉冲信号源。这种脉冲信号具有时宽达到纳秒级的特点，并且其频谱覆盖范围较广。在实际应用中往往采用一系列这样的脉冲信号进行传输，在时域上由于这些信号呈现周期性重复特性会导致频谱发生离散化现象。这种频谱特性会对传统无线电设备造成干扰并影响信号质量因此必须采取相应的信号调节措施以减少这种干扰的影响效果。

2.1 信息的调制 脉冲位置调制（PPM）与脉冲幅度调制（PAM）是超宽带无线电通信系统中主要采用的两种调制技术方案。其中PPM又被称为时间调制（TM）其基本原理是通过将每个脉冲出现的位置前移或后延至特定的标准时刻来实现对特定信息编码的方式接收端则利用匹配滤波电路并通过交叉相关器在达到零相差的时候准确检测出所需的调制信息否则将无法正确解码导致接收错误这一技术特性使得PPM在实际应用中具有较高的可靠性与有效性。

而PAM则是通过受控于信息符号的变化来调节脉冲幅度的一种调制方式具体而言即利用不同幅度的脉冲来表示不同的数字或模拟信息这一方法能够有效提高系统的传输效率并增强抗噪声能力

在UWB系统中采用跳时脉冲位置调制（TMPAM）技术对长序列脉冲进行编码调制时每个用户的下一数据块将在时间轴上呈现出随机分布的特点这使得其频域中的功率分布变得更加平坦从而使得UWB信号在整个射频范围内呈现出类似于背景噪声的特点这正是UWB系统得以实现高效多用户通信的基础条件

一种典型的由伪随机序列控制的跳时信号波形如图3所示该结构通过将大量短小而宽 bandwidth 的脉冲按一定的时间间隔排列从而实现了对信道资源的有效共享并显著提升了系统的吞吐量与抗干扰能力

发射机在由伪随机序列确定的时间帧上发送一个单周期脉冲，通常单周期脉冲信号的100倍 为随机出现的脉冲持续时间，其位置由PN码来确定。伪随机序列控制的跳时扩频与一般的扩频波形(直接序列扩频或跳频扩频)不同，UWB波形的扩频带宽是直 接产生的，即单个比特未经扩频序列由PN码调制，本质上是时域的概念。 2.3 天线 能够有效辐射时域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。作为UWB天线，应该保证能够达到这样的要求： (1)天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去和不引起脉冲特性的改变或下降。 (2)天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致。 对于时域短脉冲辐射技术，国内外早期均采用双锥天线及其演变的V-锥天线和扇形偶极子天线。因这几种天线均存在着馈电难，辐射效率低，收发耦合 强和无法测量时域目标特性等缺陷，只能用于单收发。随着微波集成电路的发展，利用集成电路方式进行馈电，所研制出的超宽带平面槽天线，能够产生对称波束和 利用平衡超宽带馈电，因而具有超宽带的特性。又由于利用光刻技术所做的天线对较高频率没有限制，因而可以将毫米亚毫米波段应用于集成接收机。 2.4 收发机 与传统的无线收发信机的结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，但可以得到相同的性能。例如传统的无线收发信机大多采用超外差式结构，而UWB收发信机采用零差结构就可得到相同的性能，实现起来也十分简单，无需本振、功放、压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、混频器等环节，如图4所示。

一个显著的优点是UWB系统采用了当前主流的数字信号处理技术中的软件无线电方案。该系统通过集成不同的调制方式，在接收端能够有效降低信息速率并扩大覆盖范围。具体而言，在接收端利用天线捕获信号能量后进行放大，并结合匹配滤波与相关接收机实现信息恢复；通过高增益门限电路将原始信息重新恢复出来。值得注意的是当距离增加时UWB系统能够采用脉冲编码的方式发送同一信息比特从而提升信噪比这在一定程度上依赖于软件控制来动态调节数据速率功耗与距离的关系这种灵活性正是未来受限移动计算所必需的关键特性

基于以上分析可以概括出UWB无线通信的主要优点有以下几方面： (1)从工程角度来看UWB系统相较于其他无线技术具有显著简化优势其可以在一块成本低廉的芯片中集成所有功能与蜂窝移动电话及民用波段设备相比UWB仅需毫瓦级的发送功率相当于现有无线系统的十分之一至百分之一因此其制造成本与售价远低于现有系统。(2)在UWB系统中多径问题并非主要挑战由于其 GHz级带宽对应 ns级分辨率使得多径信号能够在时间维度上得以分离同时结合RAKE接收机与时间分集技术能够充分释放发射信号的能量因此在一定程度上缓解了现有窄带系统的性能限制

另一方面UVB还具备较高的穿透力ns级高速脉冲使其能够穿透墙壁与其他物体类似于雷达功能因此除了通信领域外还可在定位车辆防撞测距以及透视等功能实现且这些功能均可集成在同一设备中

三. 超宽带（UWB）无线通信技术详解

作者：王德强 李长青 乐光新 近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。 许多世界著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的研究、开发和标准化工作之中。为了使读者对UWB技术有所了解，本讲座将分3期对UWB技术进行介绍：第1期讲述UWB的产生与发展、技术特点、信号成形及调制与多址技术，第2期对UWB信道、系统方案及接收机关键技术进行介绍，第3期介绍UWB的应用前景及标准化情况。 1 UWB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，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。图1给出了带宽计算示意图。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。 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 GHz～10.6 GHz。为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB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.。图2示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。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 根据仙农(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=B×log2(1+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500MHz～7.5GHz。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1～2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，3.1GHz～10.6GHz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)=B×log2[1+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。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。 3 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： s(t)=∑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 GHz～10.6 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。 3.1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3为典型的2ns高斯单周脉冲。

3.2 载波调制与成形技术 从理论上讲，在保证信号-10dB带宽超过500MHz的前提下，则可满足UWB系统的基本要求。由此可知，在现有技术背景下

观察到基带调制信号的时间域特性与其经过幅度调制后的复包络线特性之间存在严格的对应关系

3.3Hermite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。 3.4PSWF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。 4 UWB调制与多址技术 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。对于多址技术解决多个用户共享信道的问题，合理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多用户容量。在UWB系统中采用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于OFDM的正交多载波调制。多址技术包括：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址、波分多址等。系统设计中，可以对调制方式与多址方式进行合理的组合。 4.1UWB调制技术 (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。在OPPM中，通常以脉冲宽度为间隔确定脉位。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统的复杂度和功率限制，实际应用中，常用的调制方式为2PPM或2OPPM。 PPM的优点在于：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。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。 (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可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。 (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。在符号速率相同的情况下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于这种调制方式需要较多的成形滤波器和相关器，其实现复杂度较高。因此，在实际系统中较少使用，目前仅限于理论研究。 (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UWB。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。由于具有频谱利用率高、抗多径能力强、便于DSP实现等优点，OFDM技术已经广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、WLAN等无线网络中，且被作为B3G/4G蜂窝网的主流技术。 4.2UWB多址技术 (1)跳时多址 跳时多址(THMA)是最早应用于UWB通信系统的多址技术，它可以方便地与PPM调制、BPSK调制相结合形成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控系统方案。这种多址技术利用了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期(Tf，又称帧周期)划分成Nh个持续时间为Tc的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在Nh个码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采用PPM调制或BPSK调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。 由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了多用户干扰。将跳时技术与PPM结合可以有效地抑制PPM信号中的离散谱线，达到平滑信号频谱的作用。由于每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必然产生多用户干扰。因此，如何选择跳时序列是非常重要的问题。 (2)直扩-码分多址 直扩-码分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移动蜂窝系统中广泛采用的多址方式，这种多址方式同样可以应用于UWB系统。在这种多址方式中，每个用户使用一个专用的伪随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即使用户信号间发生冲突，解扩后互干扰也会很小。但由于用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系统中需要进行功率控制。在UWB系统中，DS-CDMA通常与BPSK结合。 (3)跳频多址 跳频多址(FHMA)是结合多个频分子信道使用的一种多址方式，每个用户利用专用的随机跳频码控制射频频率合成器，以一定的跳频图案周期性地在若干个子信道上传输数据，数据调制在基带完成。若用户跳频码之间无冲突或冲突概率极小，则多用户信号之间在频域正交，可以很好地消除用户间干扰。原理上讲，子信道数量越多则容纳的用户数量越大，但这是以牺牲设备复杂度和功耗为代价的。在UWB系统中，将3.1GHz～10.6GHz频段分成若干个带宽大于500MHz的子信道，根据用户数量和设备复杂度要求选择一定数量的子信道和跳频码解决多址问题。FHMA通常与多带脉冲调制或OFDM相结合，调制方式采用BPSK或正交移相键控(QPSK)。 (4)PWDMA PWDMA是结合Hermite等正交多脉冲提出的一种波分多址方式。每个用户分别使用一种或几种特定的成形脉冲，调制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用户使用的脉冲波形之间相互正交，在同步传输的情况下，即使多用户信号间相互冲突也不会产生互干扰。通常正交波形之间的异步互相关不为零，因此在异步通信的情况下用户间将产生互干扰。目前，PWDMA仅限于理论研究，尚未进入实用阶段。

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