現(xiàn)代寬帶通信技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、現(xiàn)代寬帶通信技術(shù)的研究和應(yīng)用毛月內(nèi)容摘要：伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，寬帶通信技術(shù)，已經(jīng)漸漸成為一門重要的通信技術(shù), 它對(duì)人們的生活影響非常之大。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)無線通信的傳輸 效果要求越來越高。超寬帶技術(shù)的出現(xiàn)，無疑解決了這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)了短距離、高速傳 輸。脈沖超寬帶傳輸技術(shù)是i種無載波通信技術(shù)，具有高數(shù)據(jù)率傳輸、室內(nèi)多徑分辨能 力強(qiáng)、精確的定位特性、功耗低、保密性高等優(yōu)勢。本文將詳細(xì)分析超寬帶通信技術(shù)的 特點(diǎn)及研究情況，同時(shí)介紹了現(xiàn)代超寬帶通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：超寬帶通信技術(shù)研究應(yīng)用1 刖吞隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，尤其是寬帶通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各國城市化、工業(yè)化、信息 化進(jìn)程正在

2、加快。與此同吋，網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化、智能化所達(dá)到的水平，已經(jīng)或正在改變 著人們的主產(chǎn)和生活方式?，F(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)能夠蓬勃發(fā)展得益于它的便捷靈活等特 點(diǎn)，第三代及增強(qiáng)型第三代移動(dòng)通信技術(shù)概念普及范圍越來越廣，短距離寬帶無線接入 技術(shù)更是口益突出?，F(xiàn)代通信技術(shù)中最受關(guān)注的短距離高速通信技術(shù)就是超寬帶脈沖通 信技術(shù)，是一種新型的無線通信技術(shù)。目前，這種無線通信技術(shù)已經(jīng)被美國聯(lián)邦通信委 員會(huì)（fee）采納，允許超寬帶技術(shù)和產(chǎn)品參與商業(yè)化動(dòng)作，并且頒布了超寬帶占用帶 寬的相關(guān)條件。ieee802. 15. 3a標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)將超寬帶技術(shù)選為其實(shí)現(xiàn)無線個(gè)域網(wǎng)中物理層 的基本技術(shù),此外，最近提出的ieee802. 1

3、5. 3a標(biāo)準(zhǔn)中也包括了超寬帶的物理層方案。 與此同時(shí)，歐洲和亞洲的諸多國家（包括我國）也在積極地展開研究和指定各口的標(biāo)準(zhǔn), 期槊形成獨(dú)立自主的超寬帶技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。1超寬帶通信技術(shù)的概述及特點(diǎn)超寬帶無線通信能夠提供高速率、低功耗及低成本的短距離無線鏈路，并冃rti t uwm 是對(duì)現(xiàn)在已被山用的頻率資源的重用，因而可以緩解目前日趨緊張的頻率資源需求江wm 也非常適合室內(nèi)密集多徑傳播環(huán)境下的高速無線傳播。1.1超寬帶通信系統(tǒng)的概述超寬帶通信技術(shù)是現(xiàn)代被廣泛且深入研究的一種新型無線通信技術(shù)，不僅僅是因?yàn)?它與其余的通信系統(tǒng)同時(shí)享有頻段，且占有極寬帶寬，同時(shí)還給研究兼容、干擾的等領(lǐng) 域引起挑戰(zhàn)，更是

4、因?yàn)樗鼡韮拥凸摹⒌拖M(fèi)、高數(shù)據(jù)率等特點(diǎn)?，F(xiàn)在超寬帶通信技術(shù) 包括ds-cdma方案、mb-ofdm方案（多頻帶ofdm）、脈沖超寬帶方案三種。超寬帶通信 技術(shù)脈沖長度比包括以3g為代表的寬帶cdma技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)有無線通信技術(shù)的帶寬都 大，一般都在亞納秒量級(jí)?，F(xiàn)在超寬帶基于專利和現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)朵等關(guān)系，其主要方案是 ds-cdma 和 mb-ofdmo1.2超寬帶通信系統(tǒng)的特點(diǎn)超寬帶系統(tǒng)對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)有許多明顯的優(yōu)勢，具體如下：（1）輻射譜密度低超寬帶通信系統(tǒng)使用很低的功率譜密度發(fā)射信號(hào)，功率譜密度與窄帶系統(tǒng)接收端的 背景噪聲電平持平。因此，超寬帶系統(tǒng)對(duì)窄帶系統(tǒng)的干擾小，能與其他通信系統(tǒng)共享頻

5、譜資源。此外，低的輻射譜密度使得信號(hào)的隱蔽性特別強(qiáng)，被截獲和檢測的概率低，保證了通信的安全性。（2）傳輸速率高信道容量隨帶寬是線性增加，而隨信號(hào)功率是呈對(duì)數(shù)增加。對(duì)于脈沖uwb無線系統(tǒng) 來說，帶寬非常寬，可能比現(xiàn)存系統(tǒng)的帶寬寬很多，因此系統(tǒng)能夠在很低的發(fā)射功率下 工作。這也意味著uwb系統(tǒng)能以相對(duì)低的傳輸功率實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率傳輸。（3）多徑分辨能力強(qiáng)多徑衰落是無線通信的一大障礙，這在密集建筑物環(huán)境屮（如室內(nèi)）尤為明顯。在無 線通信系統(tǒng)中，信道情況比較復(fù)雜，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在許多障礙物。發(fā)射信號(hào)經(jīng) 過多次反射、散射、繞射后經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接收端。由于經(jīng)過不同路徑的信號(hào)其幅 度的衰減和吋間的延遲

6、都是不同的，所以在接收端這些信號(hào)的疊加會(huì)引起信號(hào)的衰落， 窄帶系統(tǒng)尤為嚴(yán)重。在超寬帶系統(tǒng)中，承載數(shù)拯信息的是持續(xù)時(shí)間在納秒級(jí)的時(shí)間離散 窄脈沖，經(jīng)多徑反射的延時(shí)信號(hào)與直達(dá)信號(hào)在時(shí)間上是可以分離的。因此，超寬帶信號(hào) 具有很強(qiáng)的分辨多徑衰落能力。（4）低截獲和檢測概率超寬帶系統(tǒng)對(duì)檢測和截獲具有先天的免疫能力。正是由于這種低發(fā)射功率，竊聽者 必須非常靠近發(fā)射機(jī)（人約lm）才能檢測到發(fā)射信息。此外，超寬帶脈沖對(duì)每一對(duì)發(fā)射 機(jī)/接收機(jī)而言，在時(shí)域用唯一的碼進(jìn)行調(diào)制。非常窄的脈沖進(jìn)行時(shí)域的調(diào)制增加了超 寬帶通信的安全性，因?yàn)槿舨恢赖竭_(dá)的時(shí)刻來檢測皮秒級(jí)的脈沖幾近于不可能。因此, 超寬帶系統(tǒng)使得獲得高度的

7、安全、低截獲和檢測概率（lpi/d）的通信能得到保證，這 些對(duì)于軍事通信而言是很重要的。（5）超強(qiáng)的穿透特性與窄帶技術(shù)不同，超寬帶系統(tǒng)能夠冇效地穿透不同的材料。在范圍寬廣的超寬帶頻 譜中所包含的低頻成分為長波，它使得超寬帶信號(hào)能夠穿透多種材料，包括墻。該特性 使得超寬帶信號(hào)適用于穿透墻的通信系統(tǒng)以及穿透地的雷達(dá)。然而僅當(dāng)其頻譜包含有無 線頻譜的低頻部分時(shí)，超寬帶信號(hào)的材料穿透能力才有用。（6）體積小、功耗低超寬帶技術(shù)不需要載波，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（信息）直接調(diào)制在持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)的窄脈沖 上，超寬帶信號(hào)的輻射功率極低，大大簡化了發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)。接收機(jī)的結(jié)構(gòu)也比較簡單， 與傳統(tǒng)載波通信系統(tǒng)相比，不需要頻率合

8、成器、混頻器等復(fù)雜的射頻屯路模塊。因此， 脈沖超寬帶系統(tǒng)的功耗和成本較低。（7）保密性高相比于現(xiàn)冇的無線通信系統(tǒng)，uwb無線通信系統(tǒng)發(fā)射的無線信號(hào)具冇更寬的信號(hào)帶 寬，更低的功率譜密度，與背景噪聲差不多，因而可以隱藏在噪聲背景之屮，這使得uwb 信號(hào)被截獲和被檢測的概率非常低。（8）抗干擾性能好uwm采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，是系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無線電脈 沖信號(hào)分散在極寬的頻帶屮，輸岀功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能 量還原出來，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。在同等碼速條件下jwm系統(tǒng)比teee802. 11a. 802. lib和藍(lán)牙具有更強(qiáng)的干擾特性。另一方面，uw

9、m采用跳時(shí)序列，能夠抗多徑衰落。其每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在 反射波到達(dá)z前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成，因此，反射波與直射波重疊并導(dǎo)致信 號(hào)衰落的幾率非常小。（9）發(fā)射功率小uwm可以用小丁 lmw的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長了電池的持續(xù) 工作吋間。而r由于發(fā)射功率小，其電磁波輻射對(duì)人體的影響和對(duì)其他無線系統(tǒng)的干擾 都很小。2超寬帶通信技術(shù)的研究超寬帶通信技術(shù)是一種為使信號(hào)具冇ghz量級(jí)而對(duì)具極陡上升和下降時(shí)間沖激脈沖 進(jìn)行直接調(diào)制的寬帶。超寬帶通信技術(shù)因?yàn)榫哂邢到y(tǒng)復(fù)雜度低、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、 能夠提供厘米級(jí)定位精度、被截獲能力低和對(duì)信道衰落不敏感等特點(diǎn)。2.1超寬帶通信系

10、統(tǒng)的電磁兼容性研究超寬帶系統(tǒng)之所以要和其他很多無線通信系統(tǒng)的頻段相重疊，是因?yàn)樗枰褂煤?寬的頻帶，理論上超寬帶系統(tǒng)因?yàn)榘l(fā)射功率譜密度非常z低，完全能夠與其他系統(tǒng)共存, 但如果要在實(shí)際屮應(yīng)用操作，在很多方面述需要大量實(shí)驗(yàn)證明。例如超寬帶系統(tǒng)工作機(jī) 制方面述有很多不清楚；超寬帶系統(tǒng)設(shè)備在工作時(shí)對(duì)其z外的無線系統(tǒng)形成一定干擾， 這些干擾都很難準(zhǔn)確估計(jì)計(jì)算出來。目前超寬帶系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)主耍以研究超寬帶系 統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有電磁環(huán)境的影響。研究電磁兼容性時(shí)，要聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)干擾測試結(jié)果和設(shè)備進(jìn)行系 統(tǒng)的評(píng)估。超寬帶技術(shù)方案與td-scdma、gsm1800、wcdma、gsm900. pi1s系統(tǒng)等3g系 統(tǒng)間的

11、互相干擾問題成為其研究的重中之重，以確定我國自行研發(fā)的超寬帶在不同頻段 內(nèi)發(fā)射功率的限制水準(zhǔn)。2.2超寬帶通信系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)超寬帶通信傳輸信息是通過發(fā)射和接受擁冇皮秒量級(jí)的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，以每秒 鐘幾十兆的速度發(fā)射和接受脈寬小于1xs的窄脈沖信號(hào)。信息調(diào)制到精確定吋的脈沖串 是通過脈沖鍵控調(diào)制（00k）或者脈沖位置調(diào)制（ppm）方式。超寬帶通信系統(tǒng)包括控件、 延時(shí)器、相關(guān)器、脈沖源、超寬帶天線等附件。發(fā)射信號(hào)時(shí)是通過延時(shí)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精 確的延時(shí)，用輸出的觸發(fā)信號(hào)去觸發(fā)脈沖源，觸發(fā)后的脈沖源將產(chǎn)生具有一定脈寬和功 率的極窄脈沖信號(hào)，在產(chǎn)生的脈沖功率滿足限定值時(shí)，將直接觸發(fā)超寬帶天線將信號(hào)發(fā) 射

12、出去。接受信號(hào)時(shí)，信號(hào)隨著天線輸入到相關(guān)器的輸入端，相關(guān)器會(huì)把接受到的信號(hào) 和來自被觸發(fā)產(chǎn)生的脈沖模塊進(jìn)行模擬相關(guān)處理，輸擊后的直流電壓信號(hào)通過a/d轉(zhuǎn)換 之后傳送到數(shù)字基帶進(jìn)行判決和數(shù)字的相關(guān)處理。3超寬帶通信技術(shù)的應(yīng)用超寬帶技術(shù)在無線電領(lǐng)域具有很好的特性，它可以在保持本身特性的情況下以不同 的方式工作，因?yàn)槌瑢拵Ъ夹g(shù)有如此的多樣性，所以幾乎可以以任何方式使用超寬帶技 術(shù)。它的應(yīng)用集中在以下兒個(gè)方面：通信和傳感器；定位和追蹤；雷達(dá)；3.1通信和傳感器3. 1. 1通信通信是人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，而使用超寬帶技術(shù)可以加強(qiáng)并豐富通信的功能，使 z更為有效。通信的應(yīng)用領(lǐng)域可以分為兩部分：低速率系統(tǒng)

13、和高速率系統(tǒng)。這兩種方式 都要求低功耗、高性能，這正是超寬帶系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢。(1) 低速率系統(tǒng)低速率設(shè)備在我們身邊無處不在，它們通常由電纜或線纜連接。我們利用這些設(shè)備 向電腦輸入數(shù)據(jù)或從電腦獲得數(shù)據(jù)，檢測房屋入侵者，利用這樣的設(shè)備我們還可以實(shí)現(xiàn) 很多其他功能。低速率數(shù)據(jù)設(shè)備也可以采用無線方式，但現(xiàn)在市場上的解決方案受到許 多限制。例如來口其他設(shè)備的數(shù)據(jù)干擾、功耗等問題。(2) 高速率系統(tǒng)在擴(kuò)展可用寬帶的同時(shí)，各種應(yīng)用也會(huì)同時(shí)發(fā)展。其中移動(dòng)通信已經(jīng)刺激了帶寬分 配靈活性的需求，這也暗示了無線技術(shù)在今后的主流地位。超寬帶技術(shù)最早的應(yīng)用使得 市場需求轉(zhuǎn)向高速數(shù)據(jù)傳輸?，F(xiàn)在，對(duì)多媒體無線技術(shù)的需求已

14、經(jīng)啟動(dòng)了無線標(biāo)準(zhǔn)的建 立。超寬帶技術(shù)可以滿足這些應(yīng)用的需求，而且已經(jīng)給它分配了相應(yīng)的頻譜段。像機(jī)場、 購物屮心、住宅區(qū)等熱點(diǎn)地區(qū)，多媒體應(yīng)用的密度較高，這里需要的是大帶寬，而非口 前的窄帶連續(xù)被系統(tǒng)。在這些地方應(yīng)用大帶寬的umb “蜂窩”系統(tǒng)，既解決了問題，又 不降低整個(gè)系統(tǒng)的特性，這促使了超寬帶解決方案的深入發(fā)展。3. 1.2傳感器超寬帶技術(shù)在傳感器方面也有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在傳感器的應(yīng)用很多，它們可以保護(hù)你 的房子、汽車及其他財(cái)產(chǎn)。現(xiàn)代安保系統(tǒng)的安裝既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，這是因?yàn)閷?dǎo)線很貴。通 常都把傳感器安裝在家里最容易被看到的入口處。如果釆用無線方案，成木和維護(hù)費(fèi)用 將會(huì)大幅下降，而且系統(tǒng)的覆蓋范圍可

15、被擴(kuò)大，運(yùn)行也會(huì)更可靠。超寬帶技術(shù)可以用在 傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線連接鏈路上，而且超寬帶信號(hào)本身也可用作傳感器。它可以在特定區(qū) 域形成監(jiān)控區(qū)，并且這些區(qū)域的大小口j以變化。傳感器在醫(yī)療方面可以檢測心率、體溫和其他生命指標(biāo)。當(dāng)一個(gè)病人需要大規(guī)模的 醫(yī)療監(jiān)視時(shí)，他就會(huì)被各種導(dǎo)線包圍，而使用超寬帶技術(shù)可以無需導(dǎo)線傳遞信息，且它 也能監(jiān)視病人的呼吸、心跳，甚至還可以進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像。3. 2定位與跟蹤像gps那樣的大范圍定位和跟蹤己經(jīng)改變了我們出行的方式。較小范圍的定位和跟 蹤可以改變我們的組織方式和跟蹤物體。這些應(yīng)用可以提高貨物的安全性，幫助我們找 到車鑰匙，其至可以找到從大人身邊走開的孩子。3. 2. 1定

16、位今天，我們有了可以實(shí)現(xiàn)全球精確定位的技術(shù)，這在以前是不可能的。從前的指南 針和地圖被現(xiàn)在的gps取代。更進(jìn)一步運(yùn)用這個(gè)概念，可以把它運(yùn)用在室內(nèi)。雖然超寬 帶技術(shù)對(duì)于室外定位來說不是一個(gè)好的方案，因?yàn)樗阉鞣秶^小，但它可以解決小范圍 的定位問題。在一個(gè)無線路標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，超寬帶定位器可以沿著軌跡放置以表明路線。它 可以在不同的情況下用來搜救人員，例如在火災(zāi)中尋找消防員，尋找滑雪受傷者以及在 偏僻地方受傷的徒步旅行者或在商場、游樂園走失的小孩。3. 2. 2跟蹤使用先進(jìn)的跟蹤設(shè)備，我們不僅可以知道物體的具體位置而且能精確跟蹤它的移 動(dòng)。例如，存儲(chǔ)在倉庫中的貨物可以實(shí)現(xiàn)從到達(dá)到離開的全程跟蹤，甚至可以

17、跟蹤到它 的最終口的地。跟蹤貨物可以顯著的提高貨物存儲(chǔ)、發(fā)送和服務(wù)的流水線作業(yè)水平，加 強(qiáng)貨物管理。3.3雷達(dá)采用超寬帶信號(hào)可以大幅度降低高清晰度雷達(dá)的成本，同時(shí)，uwb技術(shù)的應(yīng)用使雷 達(dá)具有了許多新功能。使用超寬帶技術(shù)的新型應(yīng)用雷達(dá)冇汽車?yán)走_(dá)、智能氣囊以及公共 安全屮的精確測量和透視應(yīng)用?；诟呔_的雷達(dá)增強(qiáng)安全系統(tǒng)已經(jīng)具備了探測被保護(hù) 區(qū)域物體運(yùn)動(dòng)的能力，它由軟件設(shè)置，可以檢測穿過設(shè)防邊界的物體運(yùn)動(dòng)。透墻檢測物體運(yùn)動(dòng)的功能現(xiàn)在己經(jīng)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備每秒發(fā)出上百萬個(gè)超寬帶脈沖，這 種脈沖可以穿透大多數(shù)建筑材料，例如混凝土、瓷磚磚塊、木材等。這種設(shè)備可以用于 軍隊(duì)和法律強(qiáng)制執(zhí)行隊(duì)伍，對(duì)他們來說，在一次戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)前詳細(xì)地了解室內(nèi)情況是很有 用的。4結(jié)束語目前超寬帶技術(shù)還是研發(fā)階段，理論上的研究還有待提高，但發(fā)展應(yīng)用前景十分廣 闊。隨社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步，電子設(shè)備也越