隨著各種無線通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，可利用的頻譜資源日趨飽和，使超寬帶技術(shù)引起了人們的廣泛重視。2002 年2月FCC 對超寬帶使用發(fā)布無許可證使用后，超寬帶技術(shù)迅速成為國際無線通信領(lǐng)域研究開發(fā)的一個熱點，并被視為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一[1~3]。
　　所謂超寬帶，根據(jù)FCC的定義，是指信號的-10dB相對帶寬大于0.2，或絕對帶寬不小于500MHz。其中相對帶寬是指
　　f_frac=2(f_H-f_L)/(f_H+f_L)?????????????? (1)
　　這里f_H、 f_L分別對應(yīng)上限和下限頻率。為了不影響頻譜范圍內(nèi)的其它通信系統(tǒng)，超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率受到了嚴格的限制。在室內(nèi)通信的3.1GHz~10.6GHz頻段內(nèi)，信號功率嚴格規(guī)定要低于0.56mW，對應(yīng)41.3dBm/MHz，如圖1。

　　UWB 無線通信的歷史可以追溯到1942年Rosa提交的隨機脈沖系統(tǒng)的專利，從其出現(xiàn)到二十世紀90年代之前，UWB 技術(shù)主要采用其最初的脈沖形式。早期的UWB系統(tǒng)利用頻帶極寬的超短脈沖進行通信，通常又稱為基帶、無載波或脈沖系統(tǒng)。近年來，開始用于民用高速無線通信領(lǐng)域，并有了較大的發(fā)展和變化，產(chǎn)生了載波調(diào)制的直接序列碼分多址和多載波正交頻分復(fù)用等多種實現(xiàn)方式。
　　窄帶與寬帶系統(tǒng)相比，超寬帶的特點是：
　　(1) 共享頻譜。UWB不是獨占新的頻譜，而是與其它系統(tǒng)共享頻譜，在7500MHz的大帶寬內(nèi)，通過嚴格限制發(fā)射功率, 從而避免了對其它系統(tǒng)的干擾。這樣的頻譜使用方式, 在頻譜資源日益稀缺的今天具有重要意義。
　　(2) 速率高、成本低、功耗低。UWB 通信采用沖擊脈沖形式,因為是基帶傳輸，系統(tǒng)相對簡單；而低占空比 使系統(tǒng)功耗很低；UWB 極寬的頻譜, 使UWB 系統(tǒng)傳輸速率可達1Gbps以上，在目前的無線通信技術(shù)中，只有UWB技術(shù)可以滿足構(gòu)建無線多媒體家域網(wǎng)的要求。
　　(3) 信號衰減較小, 穿透力強。采用基帶窄脈沖形式的UWB 信號,具有適當波形的UWB脈沖具有較強的定向性, 衰減很慢。另外, 由于基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量, 所以在室內(nèi)傳播時可順利地穿過墻壁等一般的障礙物。
　　(4) 低偵聽率。UWB信號的功率譜密度非常低，信號難以被檢測到，再加上采用的跳頻、直接序列擴頻等多址接入技術(shù)，使非授權(quán)者很難截獲傳輸信息，因而安全性非常好。
　　(5) 抗多徑" title="多徑">多徑能力強。由于沖擊脈沖持續(xù)時間" title="持續(xù)時間">持續(xù)時間極短，而占空比很大，這一傳輸方式具有良好的多徑分辨性，使Rake接收容易實現(xiàn)。
1無載波方案
　　無載波脈沖方案為UWB通信的傳統(tǒng)方式，信息由沖擊脈沖攜帶，單脈沖的寬度極窄，一般在亞納秒級，且占空比相當小, 為1%，甚至為0.1%，具有極強的多徑信道分辨能力，使無線室內(nèi)通信環(huán)境中，密集多徑信道的分離和處理成為可能。
1.1 波形設(shè)計
　　盡管無載波超寬帶的平均功率相當?shù)?，但考慮到其極低的占空比，峰值功率有可能很大，因此，需要對傳輸波形進行優(yōu)化設(shè)計。波形選擇通常有方波、高斯形等，其中高斯形脈沖類似于單周正弦波, 頻譜結(jié)構(gòu)中直流及接近直流的頻譜成分較弱,有利于極窄脈沖信號的傳輸, 接收端易于相關(guān)檢測與識別,使用較多。在無載波脈沖UWB通信中，收發(fā)端的天線對輸入信號分別有一次微分效應(yīng)，這一點將直接影響接收模板的信號設(shè)計。
　　典型情況下，經(jīng)過收發(fā)天線和信道傳播，接收部分收到的脈沖信號為單周高斯脈沖，接收天線處的輸出信號的時域波形如圖2所示，函數(shù)形式為^[1]：
　　
　　其中,σ為脈沖的有效持續(xù)時間長度，超寬帶通信中的發(fā)射信號s(t)對于捕獲部分而言，將等效為：
　　
　　其中，T_f為脈沖發(fā)射間隔時間，又稱一幀的持續(xù)時間。

1.2 信號調(diào)制
　　UWB中的每一比特信息由Nf個脈沖調(diào)制實現(xiàn)傳輸。信息調(diào)制方式有脈沖幅度調(diào)制(PAM)、脈沖位置調(diào)制(PPM)、二相鍵控(BPSK)、開關(guān)鍵控(OOK)等；而信道調(diào)制使用跳時方式(TH)或直接序列擴頻(DS)進行多址接入。近來有文獻探討脈沖形狀調(diào)制(PSM)進行多址接入。
　　以TH－PPM為例，分析超寬帶信號的信號調(diào)制特點，其第k個用戶的等效發(fā)射脈沖序列為:
　　
　　為避免信息碼間干擾，規(guī)定c₀=c_N-1=0，N_p＞N_f。發(fā)射數(shù)據(jù)為二元數(shù)據(jù)信息(0,1)，當發(fā)送比特1時，每個脈沖的實際發(fā)射時間比標稱時間晚δ；發(fā)送比特0時，每個脈沖的實際發(fā)射時間比標稱時間早δ。δ為脈位調(diào)制步長，一般取脈沖寬度T_p的1/4。對應(yīng)(0,1)，d取(1,-1)，第j個脈沖的開始時刻改變?yōu)閖T_f+c_j^(k)T_c+δd_[j/Ns]，[x]為x的數(shù)據(jù)取整。這一調(diào)制方式下，每一符號持續(xù)時間為T_s=N_sT_f，信息傳送速率為R_s=1/T_s=1/N_sT_f。因信息數(shù)據(jù)隨機分布，傳輸信號功率譜進一步被平滑。
　　當多址接入系統(tǒng)中存在N_u個發(fā)射用戶時，接收到的信號形式為^[1]:
　　
　　A_k、τ_k分別表示用戶到達接收機時的幅度衰減量和時延量。
1.3 信道建模
　　與窄帶不同，7500MHz帶寬決定了UWB技術(shù)具有極高的時間分辨率，使得不同路徑到達的信號能夠分集接收，從而超寬帶對衰落效應(yīng)并不敏感。建立盡可能準確的信道模型，直接關(guān)系著信號準確接收的實現(xiàn)程度。
　　廣泛認可的室內(nèi)多徑傳播信道模型是S－V模型。該模型認為^[4]，信道在一次連續(xù)發(fā)射脈沖過程中保持不變，多徑信號以簇集方式傳播，簇信號的形成與環(huán)境建筑物結(jié)構(gòu)相關(guān)，簇內(nèi)徑信號與收發(fā)器鄰近物體相關(guān)。而且，接收信號相位獨立，均勻分布，簇信號和簇內(nèi)徑信號到達服從Poisson過程，參數(shù)分別為Λ和λ，信號幅度對應(yīng)簇信號和簇內(nèi)徑信號的延遲按指數(shù)衰減，兩者的衰減參照系數(shù)分別為常數(shù)?祝和γ。
　　如果以T_l(l=0,1,2,…)標記簇信號的到達時間，以τ_k,l(k=0,1,2,…)標記第l簇內(nèi)以第0條徑時刻為起點第k條徑的到達時間。這樣，T_l和τ_k,l的概率密度函數(shù)為：
　　
　　這里，β_k,l標記各徑的增益系數(shù)，服從瑞利分布，均值為：
　　
1.4 同步算法
　　UWB的同步也分作兩步，分別是捕獲和跟蹤。前者指估計相位與實際相位相差較大，如一幀時間或者指估計相位與實際相位相差幾個脈沖持續(xù)時間，這里主要關(guān)注其中的捕獲。
　　脈沖信號經(jīng)過信道，到達接收部分，接收裝置必須良好同步才能保證信號的正確接收。與直擴的捕獲相比，UWB的同步要困難許多。這是因為，脈沖持續(xù)時間為納秒量級，簡單使用匹配濾波器顯然根本不可能進行捕獲；而使用滑動相關(guān)，由于搜索位置的極大，需要難以忍受的漫長搜索時間。多徑效應(yīng)、信號低功率、跳時的運用等將進一步加劇UWB無線通信的同步難度，因此，需要采取精致的捕獲算法。
　　當前，已有一些捕獲算法的探索，如不考慮噪聲時的比特反轉(zhuǎn)法、不考慮多徑下的編碼法、循環(huán)平穩(wěn)下的盲定時器、輔助數(shù)據(jù)下的極大似然法，以及使用信號自身進行相關(guān)的“臟模板”法。另外，還有使用優(yōu)化測試數(shù)法、同時發(fā)射參考信號法。這些捕獲算法均只適用于某種特定條件，需要進一步研究魯棒性良好的同步算法。
　　作為一種有趣的捕獲算法，比特反轉(zhuǎn)法利用了信號的多徑成簇到達性，所求延時τo以密集形式分布在一定區(qū)域，應(yīng)用某種跳轉(zhuǎn)方式是可行的。本文使用比特反轉(zhuǎn)法(bit reverse method)，這一算法的策略是對待測單元進行2的次冪編碼，如有32位待測單元，在傳統(tǒng)滑動相關(guān)的搜索次序是0，1，2，…，14，15；而使用比特反轉(zhuǎn)法，由0000，0001，0010，0011，…，1110，1111這樣的次序，比特反轉(zhuǎn)后，次序為0000，1000，0100，1100，…，0111，1111。使用這一算法，將極大地減小脈沖對齊的搜索時間。
　　運用傳統(tǒng)線性滑動相關(guān)法，對探測區(qū)域N進行順次滑動探測，有平均探測次數(shù)^[5]：
　　
　　這里N為待測位置數(shù)，J為終止探測的位置總數(shù)。使用比特反轉(zhuǎn)法搜索對齊位置的平均時間有:
　　
　　以這一思想為基礎(chǔ)，筆者提出了一種基于協(xié)議的超寬帶捕獲算法。即在同步開始階段，使用比特反轉(zhuǎn)法對均勻發(fā)射脈沖迅速實現(xiàn)對齊，接收端進入跳時，等待發(fā)射端跳時調(diào)制，由再次探測到導頻" title="導頻">導頻信號與模板信號的相關(guān)積累超過門限，接收端進入捕獲證實階段。
　　受“臟模板”法^[2]的啟發(fā)，提出了基于臟模板的捕獲算法。即在發(fā)射偽隨機導頻碼，通過對導頻碼的捕獲確認實現(xiàn)信息發(fā)送前的同步，而在信息發(fā)送過程中，利用信息自身的平穩(wěn)性和相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果來監(jiān)督發(fā)送過程的同步。具體而言，如果信號滿足對k∈[0,K-1]，有s(k)=-s(k+2),即發(fā)送信號為{1,1,-1,-1，…},{1,-1,-1,1，…}，{-1，1,1,-1,…},或者{-1，-1,1,1,…}。就可以構(gòu)造滿足這一特性的偽隨機信號來做導頻信號，對這樣的導頻序列如果同步算法能夠獲得這樣的解調(diào)結(jié)果，捕獲過程就進入捕獲確認環(huán)節(jié)。
　　這樣，對室內(nèi)信道下的UWB信號捕獲，提供了一種性能良好的同步算法。所采用方案使用幀速率的采樣率，降低了同步時所需采樣率的要求。
2 調(diào)制載波方案
　　早期的無載波脈沖UWB通信系統(tǒng)，直接利用基帶簡單脈沖波形進行通信，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，收發(fā)信機結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)成本低。但在FCC關(guān)于UWB通信功率譜的規(guī)定下，頻譜利用率不高,可以通過脈沖波形優(yōu)化設(shè)計加以改善。而另一條途徑就是采用載波調(diào)制的方式，將UWB 信號搬移到合適的頻段進行傳輸,從而可以更加靈活、高效地利用頻譜資源。
　　目前,有兩個候選方案: Intel、TI等公司支持的頻分復(fù)用(OFDM-UWB)方案和Motoroal、X tremeSpectrum等公司支持的單載波直接序列-碼分多址(DSC-UWB) 方案，它們都采用了調(diào)制載波的信號形式。
2.1單載波方案(DSC－UWB)
　　這一方案的基本思想是同時使用整個7500MHz。
　　如圖3^[6]所示的一種單載波UWB方案有兩個可用頻段：低頻段和高頻段，UWB信號可以通過對載波的調(diào)制，在這兩個頻段之一傳輸，或在這兩個頻段同時傳輸。為了避免與UNII頻段系統(tǒng)的干擾，兩個頻段之間的部分沒有利用。該方案與傳統(tǒng)的通信有很多相似之處，同時具有UWB的特點和優(yōu)點。
　　多徑效應(yīng)相關(guān)的時延將導致符號間干擾，這一特性是單載波方案需要解決的關(guān)鍵問題。要克服多徑衰落干擾影響，信道所傳輸?shù)淖罴研盘栃问揭矐?yīng)是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號形式，而PN 序列周期愈長，接收端同步所需時間必然加長，因此在信號設(shè)計時應(yīng)當合理選擇。另外，單載波方案傳輸帶寬大，對應(yīng)接收部分需要快速轉(zhuǎn)換電路。
2.2 多載波方案(OFDM－UWB)
　　這一方案的基本思想是多個波段分時使用，波段之和為7500MHz。
　　在OFDM系統(tǒng)中，將可用的頻段分為多個子帶，每個子帶帶寬大于500MHz，由多個正交的子載波信號“堆積”成一個UWB信號。
　　圖4^[6]為一種采用時頻交織技術(shù)的UWB通信系統(tǒng)發(fā)送端框圖。與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)比較，符號長度、子載波間隔、循環(huán)前綴長度等具體參數(shù)有較大差別。