1、超宽带技术基础
2002年2月14日美国联邦通信委员会(FCC)通过了将3.1~10.6 GHz之间的频带分配给民用的法规,从而拉开了企业界和研发机构竞相研发超宽带(UWB)的序幕。按照FCC定义,只要信号在-10 dB处的绝对带宽大于0.5 GHz或相对带宽大于20%,并且中心频率大于500 MHz,那么这种信号就是UWB信号。UWB直接对陡峭的时间脉冲进行调制,使信号具有吉赫兹级的带宽;因为时间脉冲持续的很短(大约10~100 ps),大大降低了发射信号所需的功率,所以UWB信号具有很低的功率谱密度。
UWB通过发射非常短的时间脉冲来传送数据,这使得它具有功率低、传输速率高、系统容量大、不易产生干扰、隐蔽性好、精确定位、设备简单、成本低等优点。不足之处是,由于UWB使用很宽的带宽与很多其他的无线通信系统频段重叠,虽然理论上系统的发射功率很低,不会产生严重的干扰,但是,在实际应用中还需要验证系统的兼容性问题。
产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB技术的前提条件,目前产生窄脉冲信号有两类方法:光电法和电子法。光电法的基本原理是利用光导开关的瞬间导通特性来获得
具有陡峭上升沿的脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽度可达到皮秒量级。电子法则利用了微波双极性
晶体管雪崩特性,使晶体管在雪崩导通瞬间电流迅速增长,从而获得具有陡峭前沿的波形,成形后得到极短脉冲。实际UWB通信中脉冲多采用单周期高斯函数,典型单周期高斯函数的宽度在0.1~1.5 ns,重复周期为25~1000 ns,具有很宽的频谱。实际通信时还要利用数据信息和伪随机码对窄脉冲序列进行编码调制,改变脉冲的时间间隔,从而改善由脉冲周期重复引起的频谱尖峰,使信号满足UWB要求。
调制技术是UWB系统的核心技术之一,UWB通信常用一组脉冲序列表示一位二进制信息,调制分为组内调制和组间调制。组内调制称为扩谱,组间调制称为信息调制。组内一般选择PPM和BPM,分别叫做跳时扩谱(DH-SS)和直接序列扩谱(DS-SS)。组间可以选择PPM、BPM、PAM,这样就有DH-SS_PPM、DS-SS_PPM、DH-SS_PAM、DS-SS_PAM、DH-SS_BPM、DS-SS_BPM等几种调制方式。目前较成熟并常用的调制方式主要有跳时脉冲位置调制(TH-PPM)、跳时脉冲幅度调制(TH-PAM)和直接序列扩频(DS-UWB)调制。
多址技术研究的目的是如何合理分配和利用给定的频谱资源来获得最大系统容量、提高频谱利用率,如何选择信号结构来实现多用户传输而使多址干扰最小、结构最简单。在UWB系统中多址接入方式与调制方式有密切联系,若系统采用PPM调制,多采用跳时多址(THMA)实现多用户接入。THMA利用伪随机码和时间来标志用户,资源分配由时间和码结合产生,因此TH-PPM既属于时分多址又属于码分多址;同样,在DS-UWB系统中每个用户被分配一个不同的码字,发送的信息比特经过伪随机码扩频后再由BPSK调制,用户信道资源仅靠码字来区分,因此DS-UWB的多址接入方式为码分多址(CDMA),或写作DS-CDMA。UWB经过不断的发展,有的学者把混沌理论应用到UWB多址接入领域,从而形成了许多新的多址接入方式。目前常见的多址形式主要有:跳时脉冲位置调制(TH-PPM)、直接序列扩频(DS-UWB)调制、伪混沌跳时(PCTH)调制、混沌序列扩频(CSSS)调制、DS-BPSK/TH混合多址、DS-BPSK/Fixed TH混合多址、正交波形波分多址等。
2、最新发展
UWB技术的两大主导力量Wi-Media(MB-OFDM)和DS-UWB经历了多年的较量和努力一直无法彼此妥协,2006年IEEE 802.15.3a工作组被迫解散致使UWB标准制定工作经历大约4年的争论后无果而终。此前,WiMedia联盟为推进MB-OFDM方案成为统一的国际行业标准于2005年开始与ECMA/ISO展开合作,于2006年6月推出ECMA-368标准定义分散式系统的PHY和MAC层,同时又提出规定MAC-PHY接口的ECMA-369标准供ISO讨论。随后WiMedia标准被WUSB有关组织、W1394有关组织和蓝牙特别兴趣组等采纳,具备了广泛应用和融入市场的有利条件。在2006年全球WiMedia(超宽带)高峰会议上,WiMedia成员公司也带来了他们取得的最新成果,展示了一些基于WiMedia超宽带通用无线电平台的产品,并现场演示了各种超宽带设备之间的互联互通性能,包括USB HUB监控器、高清晰电视(HDTV)、流媒体、文档打印、TV传送、磁盘备份、数码文件下载、MP3传输等。日本YEDATA公司于2006年9月宣布成功开发出UWB产品