多脈沖調(diào)制? - UWB無線通信及其關(guān)鍵技術(shù)

　　(2)多脈沖調(diào)制

　　實際上，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，在UWB脈沖無線系統(tǒng)中，往往采用多個脈沖傳遞相同的信息，這就是多脈沖調(diào)制的基本思想。

　　當(dāng)采用多脈沖調(diào)制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內(nèi)部單個脈沖的調(diào)制；第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖通常采用PPM或BPM調(diào)制；在第二步中，每組脈沖作為整體通常可以采用PAM、PPM或BPM調(diào)制。一般把第一步稱為擴(kuò)譜，而把第二步稱為信息調(diào)制。因而在第一步中，把PPM稱為跳時擴(kuò)譜(TH-SS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置；把BPM稱為直接序列擴(kuò)譜(DS-SS)，即每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調(diào)節(jié)每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。這樣，把第一步和第二步組合起來不難得到以下多脈沖調(diào)制技術(shù)：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。

　　多脈沖調(diào)制不僅可以通過提高脈沖重復(fù)頻率來降低單個脈沖的幅度或發(fā)射功率，更重要的是，多脈沖調(diào)制可以利用不同用戶使用的SS序列之間的正交性或準(zhǔn)正交性實現(xiàn)多用戶干擾抑制，也可以利用SS序列的偽隨機(jī)性實現(xiàn)窄帶干擾抑制。

　　在多脈沖調(diào)制中，利用不同SS序列之間的正交性，還可以通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率，這樣的技術(shù)通常被稱為碼分復(fù)用(CDMA)技術(shù)。在2004年的國際信號處理會議上提出了一種特殊的CDM系統(tǒng)？？無載波的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)(CL-UWB/OFDM)。這種多脈沖調(diào)制技術(shù)可以有效地抑制多路數(shù)據(jù)之間的干擾和窄帶干擾。

　　3.2.2多址方式

　　在UWB系統(tǒng)中，多址接入方式與調(diào)制方式有密切聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)采用PPM調(diào)制方式時，多址接入方式多采用跳時多址；若系統(tǒng)采用BPSK方式，多址接入方式通常有兩種：直序方式和跳時方式。基于上述兩種基本的多址方式，許多其他多址方式陸續(xù)被提出，主要包括以下幾種。

　　(1)偽混沌跳時多址方式(PCTH)

　　PCTH根據(jù)調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機(jī)序列和調(diào)制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時刻，使信號的頻譜發(fā)生變化。PCTH調(diào)制不僅能減少對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且更不易被檢測到。

　　(2)DS-BPSK/TH混合多址方式

　　此方式在跳時(TH)的基礎(chǔ)之上，通過直接序列擴(kuò)頻碼進(jìn)一步減少多址干擾，其多址性能優(yōu)于TH-PPM，與DS-BPSK相當(dāng)，但在實現(xiàn)同步和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)方面，具有一定的優(yōu)勢。

　　(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式

　　此方式的特點是：打破TH-PPM多址方式中采用隨機(jī)跳時碼的常規(guī)思路，利用具有特殊結(jié)構(gòu)的固定跳時碼，減少不同用戶脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發(fā)生時，利用直接序列擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼的特性，也可以進(jìn)一步削弱多址干擾。

　　此外，由于UWB脈沖信號具有極低的占空比，其頻譜能夠達(dá)到GHz的數(shù)量級，因而UWB在時域中具有其他調(diào)制方式所不具有的特性。當(dāng)多個用戶的UWB信號被設(shè)計成不同的具有正交波形時，根據(jù)多個UWB用戶時域發(fā)送波形的正交性，以區(qū)分用戶，實現(xiàn)多址，這被稱之為波分多址技術(shù)。

　　3.3天線的設(shè)計

　　能夠有效輻射時域短脈沖的天線是UWB研究的另一個重要方面。UWB天線應(yīng)該達(dá)到以下要求：一是輸入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超寬頻帶不變特性。即要求天線的輸入阻抗和相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號的有效發(fā)射和接收。

　　對于時域短脈沖輻射技術(shù)，早期采用雙錐天線、V-錐天線、扇形偶極子天線，這幾種天線存在饋電難、輻射效率低、收發(fā)耦合強(qiáng)、無法測量時域目標(biāo)的特性，只能用作單收發(fā)用途。隨著微波集成電路的發(fā)展，研制出了UWB平面槽天線，它的特點是能產(chǎn)生對稱波束、可平衡UWB饋電、具有UWB特性。由于利用光刻技術(shù)，可以制成毫米、亞毫米波段的集成天線。

　　3.4收發(fā)機(jī)的設(shè)計

　　與傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，如圖2所示。傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機(jī)大多采用超外差式結(jié)構(gòu)；UWB收發(fā)信機(jī)采用零差結(jié)構(gòu)，在接收端，天線收集的信號經(jīng)放大后通過匹配濾波或相關(guān)接收機(jī)處理，再經(jīng)高增益門限電路恢復(fù)原來信息?，F(xiàn)代數(shù)字無線技術(shù)常采用數(shù)字信號處理芯片(DSP)的軟件無線電來產(chǎn)生不同的調(diào)制方式，這些系統(tǒng)可逐步降低信息速率以在更大的范圍內(nèi)連接用戶。UWB的一大優(yōu)點是，即使最簡單的收發(fā)信機(jī)也可采用這一數(shù)字技術(shù)。

　　4、UWB面臨的挑戰(zhàn)

　　雖然UWB技術(shù)有其特有的優(yōu)點，但是它的廣泛應(yīng)用仍然還面臨很多挑戰(zhàn)，還有許多技術(shù)問題需要研究解決：

　　(1)需要更好地理解UWB傳播信道的特點，建立信道模型，解決多經(jīng)傳播等問題；

　　(2)前向糾錯編碼的設(shè)計、低復(fù)雜度的信道補(bǔ)償算法、快速捕獲和同步方法、容量分析；

　　(3)需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號的生成、處理等技術(shù)；

　　(4)高速脈沖收發(fā)電路的設(shè)計與實現(xiàn)，如高精度的匹配濾波、UWB天線、板上微控制器噪聲的處理等；

　　(5)研究新的調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；

　　(6)多址方案的研究和設(shè)計，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；

　　(7)接收時每個脈沖位置的檢測精度；

　　(8)研究它與GPS等其他無線通信技術(shù)的干擾問題；

　　(9)在定位應(yīng)用中還需要研究位置測定技術(shù)等。

　　5、結(jié)束語