1.2 超宽带通信基本概念及实现方式

1.2.1 超宽带通信基本概念

超宽带通信指的是带宽比非常高的无线电通信。UWB的定义最早来自UWB雷达系统，主要以发射极短的脉冲波形为基础，其核心是冲激无线电技术。2002年，FCC颁布了UWB的频谱规划，指出超宽带无线通信可使用的频率范围为3.1～10.6GHz，并规定在−10\B处的绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的信号为UWB信号。由此定义可知，超宽带是从频谱带宽的角度进行定义的，有绝对带宽和相对带宽两个指标。为了更好地理解这一概念，下面将进行简要说明。

绝对带宽是指上下限频率fH和fL之间的差值fH−fL，为能量带宽。当fH和fL分别为信号功率比最大功率下降10\ B时所对应的上频率边界和下频率边界时，UWB带宽定义为相对于最高辐射衰减10\ B后确定的频率范围，称为10\ B带宽。UWB带宽定义如图1-2所示。

相对带宽是指能量带宽与上、下限频率的均值之比。相对带宽可表

示为

其中，B为绝对带宽，fc为中心频率。

香农信道容量公式为

其中，P为信号功率，N0为高斯白噪声功率。

由式（1-2）可知，可以通过增加信号功率P或增加带宽来增大通信信道容量。综上可知，由于超宽带技术对于信号功率P有着严格的限制，因此只能通过增加带宽来获得高传输速率。

特别说明的是，FCC规定了UWB系统在非授权频段（3.1～10.6GHz）的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围，这是基于与现有通信系统频谱共享的思想，以提高频谱利用率缓解频谱资源紧张的问题。为了使UWB系统和其他系统之间不产生干扰，并尽量降低它们之间的互扰，UWB信号的有效各向同性发射功率（Effective Isotropy Radiated Power,EIRP）被严格地限制为不超过−41.3\Bm/MHz。室内UWB的具体通信频谱范围和功率限制如图1-3所示。

根据FCC规范制定的常见设备的功率极限值如表1-1所示。

根据我国工业和信息化部的规范，UWB发射信号的等效全向辐射功率谱密度限值和UWB无线电发射设备窄带杂散辐射限值如表1-2和表1-3所示。

1.2.2 超宽带通信实现方式

超宽带是从频谱带宽的角度定义无线电信号的，没有指明相应的实现方式，因此有多种实现方式。迄今为止，超宽带无线电通信按实现方式可分为脉冲超宽带（Impulse Radio UWB,IR-UWB）和多频带超宽带（Multi-Band UWB,MB-UWB）。早期的IR-UWB系统采用高斯单周脉冲等无载波脉冲作为载体，信息是调制在窄脉冲上进行传递的。在FCC规定了民用超宽带系统功率辐射限制后，IR-UWB得到了进一步的发展，除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生信号的频谱，还要使用伪随机序列对数据进行编码。FCC公布的UWB定义并没有限制信号一定要用IR产生，因此其他非冲激脉冲方案也是可取的。为了提高频谱利用率，系统可以采用多带调制，这就提供了一个将传统无线电通信系统理论与UWB系统的优势相结合的机会。下面首先介绍脉冲调制方式。

（1）单脉冲调制

基本的数据信息调制方式有脉冲位置调制（Pulse Position Modulation,PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）、开关键控（On-Off Keying,OOK）、二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying,BPSK）、数字脉冲间隔调制（Digital Pulse Interval Modulation,DPIM）、脉冲阶梯调制（Pulse Skipping Modulation,PSM）、多维双正交键控（Multiple Biorthogonal Orthogonal Keying,M-BOK）等[32]。

PPM是一种改变脉冲时间的调制方式，这种方式在传统连续波调制中是没有的。以二进制PPM为例，当调制信息为“0”时，脉冲位置不变，脉冲间隔是脉冲重复周期；当调制信息为“1”时，脉冲出现一个远小于脉冲重复周期的偏移。PPM信号波形如图1-4所示，其中Tm为脉冲持续时间，Ts为脉冲重复周期。

PPM的优点是信号的正交性很好，很适合多址和多进制调制。它的缺点是在AWGN信道下的误码率不能达到最优，信号间的欧氏距离比较小。此外，PPM的符号间干扰（Inter Symbol Interference,ISI）比较严重，容易受到多径效应的干扰，为了减小ISI，数据传输速率受到限制。

PAM是一种把信息调制在脉冲幅度上的方式，脉冲的幅度随调制信息的变化而变化，而脉冲位置保持不变，脉冲间隔仍是Ts。PA M信号波形如图1-5所示。

PAM的优点在于物理实现简单，只需要一个匹配滤波器和一个脉冲发生器，同时可以方便地采用多进制调制，便于改变数据速率。在接收端，PAM可以使用非相干解调。但是PAM的缺点也很明显，除了误码率性能不是最好之外，它不适于在室内密集多径传输环境中传输，因为超宽带脉冲可能会受到信道衰落的影响。

OOK调制信号波形如图1-6所示。OOK是PAM的一种特例，当调制信息为“1”时，发射一个脉冲信号；当调制信息为“0”时，不发送脉冲信号。这种调制方式的系统结构非常简单，仅用一个射频开关就可以实现，适用于低复杂度的超宽带系统。但是当信号中出现连续的“0”时，系统会在相对较长的时间内不发射信号，接收端很容易丢失同步。

与传统窄带通信类似，超宽带通信中也有二进制相移键控（BPSK），也称为二进制极性调制（BPM），它同样可以看成是PAM的一种特殊情况，当调制信息为“1”时，发射一个正极性的脉冲信号；当调制信息为“0”时，发射一个负极性的脉冲信号，调制信号波形如图1-7所示。

接收端可以采用匹配滤波器进行接收，相比于OOK调制，BPSK调制以牺牲系统复杂度为代价，在误码率性能上有3\B的改善。发射端需要产生正负两个脉冲，如果两个脉冲达不到一致，将影响匹配滤波器的解调效果，若由于两个脉冲的不同步导致脉冲间隙的改变，将会对信号频谱和接收端同步带来不利的影响。

DPIM与PPM类似，都是通过改变脉冲的位置来传输信息的，不同的是PPM改变的是脉冲在一个周期内的绝对位置，DPIM则通过改变相邻脉冲间的间隔来调制信息，脉冲周期在DPIM中是随数字信号变化的。DPIM的传输速率较高且同步相对简单，只需要时隙同步，而不需要符号间同步。

PSM通过改变脉冲波形来传输信息，通常采用正交的不同脉冲来实现调制，所以PSM可以使用多进制调制方式。通过给不同用户分配不同的脉冲波形可以实现多址通信，但是通信过程中脉冲波形的改变对PSM性能的影响很大，要求发射和接收电路具有良好的线性特性。在相同条件下，PSM的误码率与OOK调制相同。

M-BOK是一种正交调制方式，与PSM类似，但不同的是，它采用的是多个脉冲组成的正交脉冲串来调制数据，而不是单个脉冲。由于采用正交脉冲串编码，M-BOK调制具有和编码类似的增益。

（2）多脉冲调制

IR-UWB无线系统为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，同时扩展多用户应用，通常不再只对单个脉冲进行调制，而是采用多个脉冲传递相同的信息[33]。多脉冲调制过程分两步进行。第一步将每组脉冲内部的单个脉冲进行调制，也称为扩谱（Spread Spectrum,SS）。通常采用脉冲位置调制或脉冲极性调制，把采用脉冲位置调制的方式称为跳时扩谱（Time Hopping Spraed Spectrum,TH-SS）；把采用脉冲极性调制的方式称为直接序列扩谱（Direct Sequence Spread Spectrum,DS-SS）。第二步对每组脉冲进行整体调制，通常可以采用PAM、PPM或BPSK调制，也称为信息调制。因此可以得到TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPSK和DS-SS BPSK等多脉冲调制技术。下面以TH-PPM UWB和DS-BPSK UWB为例介绍多脉冲调制的系统结构。

TH-PPM UWB系统结构如图1-8所示。TH-PPM信号中所有脉冲都具有相同的极性，数据信息由脉冲的位置携带。在发射端，扩谱序列和信息序列共同决定调制符号的跳时输出，经脉冲发生器后进入多径无线信道。假设接收端已经同步，模板发生器在扩谱序列的控制下，产生本地匹配波形与接收信号经相关器相关后，通过积分器和比较器恢复出解调数据。TH-PPM UWB系统通过扩谱码来提供所需要的多址能力，不同用户使用不同的扩谱码，在时间上避免了不同用户间的干扰，减小了多用户接入时信号间的冲突。在UWB技术研究初期，多使用TH-PPM方式，随着研究的深入，由于TH-PPM接收机对定时同步的要求非常高，目前工程应用中多采用DS-BPSK调制方式。

DS-BPSK UWB系统通过扩谱序列来控制发射脉冲的极性，从而携带信息，系统结构如图1-9所示。与TH-PPM UWB系统直接引入扩谱序列不同，DS-BPSK UWB系统中扩谱序列是通过乘法器引入的。不同的用户分配相互正交的扩谱码序列，利用扩谱序列间的正交性来削弱不同用户信号间的干扰，实现多址通信。

在直接序列超宽带系统中，接收端的抗干扰能力取决于多址扩谱码间互相关性的好坏，当不同用户信号到达接收端幅度相差较大时，码元间的互相关性就会变得很差，抗干扰能力下降，因此DS系统对远近效应的敏感度高于TH系统。实验结果表明，TH系统的抗远近效应的能力要优于DS系统，随着干扰用户的增加，TH系统的优势更加明显。但是随着数据传输速率的不断提高，信号的占空比不断增大，在这种情况下TH的优势已不再明显。

（3）多频带调制

多频带OFDM UWB基于传统的正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM），与前面提到的脉冲调制方式的原理不同，它是一种载波调制技术[34]。根据FCC公布的UWB定义，带宽超过500MHz的信号都是UWB信号，因此，可以将超宽带频谱范围（3.1～10.6GHz）划分成若干个最小带宽为500MHz的频带，通过多个正交的子载波信号累加成一个UWB信号。用户的数据可以在相邻时间区间内的不同子带上传输，从而使系统在不使用陷波滤波器的情况下，也可以避免特定频带上的非人为干扰。图1-10为MB-OFDM信号结构。与经典OFDM系统不同的是，超宽带OFDM方案对系统参数（如符号与循环前缀的长度、子载波间隔等）进行了较大改动，在保留了超宽带信号的无载波调制特性的同时，也克服了由窄脉冲带来的A/D转换困难，降低了对同步器件的要求，在很大程度上提高了系统性能。

OFDM-UWB的标准化进程较慢，特别是在实现MAC层或更高层协议认证方面存在很大的难度，这是因为该方案的硬件复杂度较高且需要处理大量的额外数据，例如在发射端频率需要进行快速的转换等。本书主要的研究对象为IR-UWB，以后章节不再涉及对MB-OFDM技术的讨论。