關(guān)于超寬帶技術(shù)調(diào)研

1、   關(guān)于超寬帶技術(shù)調(diào)研 目錄一、前言1二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀4三、超寬帶技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)7四、總結(jié)8參考文獻(xiàn)11一、前言1.1 超寬帶無(wú)線通信技術(shù)超寬帶(UWB)技術(shù)為擁擠的無(wú)線電頻譜帶來(lái)了新的應(yīng)用理念,其創(chuàng)新的使用模式和用有線鏈接無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品特性正在吸引著全球的目光。這種短距離的傳輸技術(shù)具有耗電量低、安全性高、高速傳輸、不易產(chǎn)生干擾、低成本的芯片結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn),更重要的是他可以幫助家庭和辦公室中的各種信息設(shè)備擺脫有線的束縛而實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。目前,許多國(guó)家正在致力于超寬帶技術(shù)的研究開(kāi)發(fā),盡管還沒(méi)有成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)消費(fèi)階段,但將推動(dòng)超寬帶與大部分消費(fèi)電子、移動(dòng)設(shè)備和個(gè)人電腦的

2、連接嵌入。UWB技術(shù)在1994年以前主要限于軍方使用,限制了UWB的軟件和硬件開(kāi)發(fā)。由于UWB使用許多專用頻段,美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)直到2001年才正式開(kāi)放UWB技術(shù)的廣泛研究,此后全球?qū)WB的研究進(jìn)入高速探討階段。隨著互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和無(wú)線通信的快速發(fā)展，人們對(duì)高速率、高質(zhì)量無(wú)線業(yè)務(wù)的需求日益迫切，然而，可用的頻譜資源卻日漸匱乏。這激發(fā)了人們對(duì)各種新技術(shù)的不斷探索，其中超寬帶（Ultra Wideband，UWB）為解決這一問(wèn)題提供了嶄新途徑。超寬帶技術(shù)適合于密集多徑環(huán)境下的高速率、低功耗、短距離無(wú)線接入場(chǎng)合，可作為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Netwo

3、rk，WPAN）、無(wú)線傳感器網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN等網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景。超寬帶技術(shù)的歷史可追溯到 1895 年意大利科學(xué)家馬可尼采用火花隙脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信，這被認(rèn)為是超寬帶技術(shù)的萌芽，之后，隨著窄帶載波無(wú)線通信的興起，使無(wú)載波的超寬帶技術(shù)陷入了較長(zhǎng)時(shí)間的沉寂。直到 20 世紀(jì) 60 年代，Ross 等人論證了超寬帶在雷達(dá)和通信方面應(yīng)用的可行性，才出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的超寬帶技術(shù)。超寬帶技術(shù)的理論體系則建立于 20 世紀(jì) 80 年代，最初受到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DefenseAdvanced Research Projec

4、tsAgency, DARPA）的高度關(guān)注，當(dāng)時(shí)該技術(shù)被稱為基帶、無(wú)載波、或沖激無(wú)線電（Impulse Radio，IR），直到 1989年美國(guó)國(guó)防部將其命名為超寬帶，并將它應(yīng)用于雷達(dá)、無(wú)線通信、成像和高精度定位系統(tǒng)。1993 年，Scholtz 等人提出了跳時(shí)多址脈沖無(wú)線電概念，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，奠定了將 IR 作為無(wú)線通信載體實(shí)現(xiàn)多址通信的理論基礎(chǔ)。為了促進(jìn)超寬帶技術(shù)的發(fā)展，2002 年 4 月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FederalCommunications Commission，F(xiàn)CC）通過(guò)了超寬帶無(wú)線設(shè)備在嚴(yán)格功率輻射限制下的商用規(guī)范，并重新對(duì)超寬帶進(jìn)行了定義。自此，超寬帶技術(shù)的

5、研究和應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展期，許多國(guó)家政府都大力支持該項(xiàng)技術(shù)，一些知名公司（如 Intel、AT&T、TI、IBM 和摩托羅拉等）以及大學(xué)科研機(jī)構(gòu)（如斯坦福大學(xué)、南加州大學(xué)等）都在該領(lǐng)域投入了大量的研究。我國(guó)也很重視這項(xiàng)有著巨大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，在 2001 年發(fā)布的“十五”國(guó)家863 計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，首次將“超寬帶無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無(wú)線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，積極推動(dòng)國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究工作。在 2008 年發(fā)布的“十一五”國(guó)家 863 計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域中，支持并開(kāi)展了“超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范”重點(diǎn)項(xiàng)目。擬通過(guò)該項(xiàng)目的支持，突破 U

6、WB 相關(guān)芯片設(shè)計(jì)和組網(wǎng)等一些關(guān)鍵技術(shù)，研制出基于自主芯片的試驗(yàn)與驗(yàn)證系統(tǒng)，推廣 UWB 技術(shù)的應(yīng)用范圍。在國(guó)家一些重大項(xiàng)目的持續(xù)資助下，我國(guó)在 UWB 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面已取得了一些重要進(jìn)展，具備了一定的芯片、軟件以及實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能力。1.2 超寬帶的概念超寬帶早期被稱為脈沖無(wú)線電（IR），即采用持續(xù)時(shí)間極短的基帶脈沖來(lái)傳送信息，是一種無(wú)載波通信方式，當(dāng)時(shí)主要被應(yīng)用于雷達(dá)、定位及測(cè)距等領(lǐng)域。直到 1989 年美國(guó)的 DARPA 首次使用超寬帶這一術(shù)語(yǔ)。為了推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，2002 年 4 月，美國(guó) FCC 發(fā)布了超寬帶無(wú)線通信的初步規(guī)范，將超寬帶信號(hào)定義為絕對(duì)帶寬大于 500MHz

7、 或相對(duì)帶寬大于 20%的信號(hào)，這里絕對(duì)帶寬是指10dB 帶寬，即信號(hào)功率譜密度的峰值衰減 10dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的上限頻率 fH和下限頻率 fL之差，而相對(duì)帶寬則定義為絕對(duì)帶寬與中心頻率之比。為了促進(jìn)超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)為了避免其對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾，F(xiàn)CC 一方面為超寬帶系統(tǒng)開(kāi)放了免授權(quán)的 3.110.6GHz 頻段。我國(guó)工業(yè)和信息化部的無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)則于 2008 年 12 月發(fā)布了“超寬帶（UWB）技術(shù)頻率使用規(guī)定”，規(guī)定中明確了超寬帶設(shè)備的發(fā)射信號(hào)帶寬至少為500MHz，同時(shí)分別給出了幾個(gè)頻段的超寬帶發(fā)射信號(hào)的 EIRP 限值，見(jiàn)表 1.1所示。表 1.1 我國(guó) UWB

8、無(wú)線電設(shè)備發(fā)射信號(hào)的 EIRP 限值頻率范圍(GHz)限值(dBm/MHz)檢波方式1.6GHz 以下-90有效值(RMS)1.63.6GHz-853.66.0GHz-706.09.0-419.010.6-7010.6GHz 以上-851.3 超寬帶的特點(diǎn)與其它無(wú)線通信技術(shù)相比，超寬帶技術(shù)的主要特點(diǎn)可概括如下。（1）高速率、大容量超寬帶信號(hào)的帶寬極寬，包含了高達(dá) 7.5GHz 的頻譜資源，根據(jù)香農(nóng)信道容量理論，即使在-10dB 左右的低 SNR 下，也可提供約 1Gbps 的通信容量，這使得超寬帶適合于高速率無(wú)線傳輸應(yīng)用。與其它短距離無(wú)線通信方式相比較，超寬帶系統(tǒng)的空間通信容量（即單位面積上的

9、傳輸速率）約為 1000 kbps/m，其分別是IEEE802.11b 和藍(lán)牙系統(tǒng)的空間通信容量的 1000 倍和 33 倍。（2）低成本、低功耗脈沖超寬帶無(wú)需采用正弦載波而直接進(jìn)行調(diào)制，因此，系統(tǒng)的射頻前端、模擬以及數(shù)字信號(hào)處理部分都相對(duì)較簡(jiǎn)單，很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度并且易于全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。此外，超寬帶脈沖的持續(xù)時(shí)間極短，一般在 0.20ns1.5ns 之間，占空比很低，約為 0.010.001，加之 FCC 對(duì)超寬帶信號(hào)的輻射功率的嚴(yán)格限制，低于-41.3dBm/MHz。這些因素使得超寬帶系統(tǒng)的功耗很低，僅為幾百 W 至幾十mW，約是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的二十分之一左右。因此，超寬帶設(shè)備在

10、成本和功耗上，相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)線設(shè)備有著很大的優(yōu)勢(shì)。超寬帶系統(tǒng)中接收技術(shù)研究（3）良好的多徑分辨率、高精度定位在時(shí)域上，超寬帶脈沖的極短持續(xù)時(shí)間和低占空比的特性使其具有極高的多徑分辨率和良好的時(shí)間解析力，一般帶寬超過(guò) 1GHz 的超寬帶系統(tǒng)，能分辨出時(shí)延小于 1ns 的多徑分量，這有利于 Rake 接收機(jī)收集較多路徑的能量，從而提高超寬帶系統(tǒng)的抗衰落能力。研究表明，對(duì)其它無(wú)線電信號(hào)多徑衰落達(dá) 1030dB 的傳播環(huán)境，對(duì)超寬帶無(wú)線電信號(hào)的衰落則不超過(guò) 5dB。超寬帶系統(tǒng)良好的時(shí)間解析力，也使其具有精確的測(cè)距與定位能力，定位精度可達(dá)厘米量級(jí)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出全球定位系統(tǒng)（Global Positionin

11、g System, GPS）和其它無(wú)線系統(tǒng)的定位精度。精確定位功能可用于人員三維定位跟蹤和精準(zhǔn)的存貨追蹤管理等領(lǐng)域。（4）高度安全性超寬帶信號(hào)的發(fā)射功率非常小，而帶寬卻極寬，因而其功率譜密度很低，信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲和其它無(wú)線電信號(hào)中，不易被一些偵測(cè)設(shè)備所截獲。此外，超寬帶系統(tǒng)中可采用跳時(shí)、跳頻、直接序列等擴(kuò)頻技術(shù)，這也進(jìn)一步提高了其安全保密性能。（5）共享頻譜資源美國(guó) FCC 規(guī)定的超寬帶系統(tǒng)的工作頻段為 3.110.6GHz，這與現(xiàn)有的大多數(shù)通信系統(tǒng)的工作頻段相重疊，為了避免對(duì)其它系統(tǒng)的干擾，F(xiàn)CC 同時(shí)對(duì)超寬帶信號(hào)的輻射功率提出了十分嚴(yán)格的限制（EIRP 不超過(guò)-41.3dBm/MHz），

12、這樣超寬帶可以與其它系統(tǒng)共享頻譜資源，這對(duì)于頻率資源日趨稀缺的今天尤其具有重要意義。（6）穿透能力強(qiáng)超寬帶基帶窄脈沖中含有較豐富的低頻分量，所以具有很強(qiáng)的穿透地表、墻壁以及其它物體的能力，可應(yīng)用于隔墻成像或探地雷達(dá)等領(lǐng)域2、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在有許多公司在進(jìn)行UWB技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作。美國(guó)XtremeSpectrun公司能夠提供在各種設(shè)備之間無(wú)線傳輸音頻、視頻的UWB芯片組,他采用雙相調(diào)制技術(shù)和IEEE 802.15.3 MAC協(xié)議,傳輸速率達(dá)到100 Mb/s。Intel在2000年成立了UWB研究實(shí)驗(yàn)室,其實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品在23年內(nèi)能達(dá)到100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。Intel

13、認(rèn)為UWB在短距離內(nèi)可以達(dá)到400500 Mb/s,因此Intel稱UWB為無(wú)線USB。Time Domain公司利用UWB PPM技術(shù),開(kāi)發(fā)了兩代PulsON芯片,第三代PulsON商用產(chǎn)品也即將問(wèn)世。2003年1月,Philips和GA簽訂了一個(gè)備忘錄,利用Philips在BiCOMS的優(yōu)勢(shì)和GA的UWB技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)速率達(dá)480 Mb/s的UWB芯片組,并支持IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)。Pulse Link公司在2003年第一季度推出了傳輸速率達(dá)400 Mb/s的UWB芯片組。新加坡的Cellonics公司開(kāi)發(fā)了基于非線性動(dòng)態(tài)理論的新技術(shù),他只需要使用一個(gè)電感器和一個(gè)二極管就可以實(shí)現(xiàn)

14、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器,不需要混頻器、振蕩器和鎖相環(huán)。該技術(shù)可以改善UWB接收器設(shè)計(jì)中的相關(guān)接收,而且簡(jiǎn)單、成本低,功耗也低。美國(guó)Discrete Time公司開(kāi)發(fā)了多頻段UWB技術(shù),他采用不同頻段發(fā)送信息而不是發(fā)射單個(gè)脈沖。與單頻段UWB相比,多頻段UWB系統(tǒng)的每頻段內(nèi)可以用較低的速率發(fā)送信息,這降低了UWB的成本,具有較好的自適應(yīng)性,可以與802.11a共存。目前有不少技術(shù)公司都對(duì)UWB技術(shù)加大了開(kāi)發(fā)力度。但由于之前UWB技術(shù)民用化的政策還沒(méi)有得到批準(zhǔn),許多UWB技術(shù)公司目前主要是通過(guò)向美國(guó)軍方出售UWB技術(shù)來(lái)維持生計(jì)。如Time Domain公司2002年在獲得了的軍方合同以后,其全年總銷售收入

15、達(dá)到了750萬(wàn)美元,比他在2001年所取得的500萬(wàn)美元的銷售額有所增長(zhǎng)。該公司最近已經(jīng)在開(kāi)始銷售他的第一批UWB芯片集產(chǎn)品。在FCC批準(zhǔn)了UWB技術(shù)民用市場(chǎng)之后,在硬件方面,美國(guó)Multispectral Solutions公司已經(jīng)達(dá)到了即將開(kāi)始提供UWB芯片組工業(yè)樣品的階段。在操作系統(tǒng)的支持方面,如果繼續(xù)使用現(xiàn)有的軟件,那么制造商的負(fù)擔(dān)也許并不大,這是因?yàn)閁WB只不過(guò)是相當(dāng)于接口最下層的物理層規(guī)格。比如,英特爾將UWB定位于/無(wú)線USB2.00。實(shí)際上,盡管還面臨著如何認(rèn)證與個(gè)人電腦連接的設(shè)備等無(wú)線技術(shù)所特有的問(wèn)題,但是只需提供用于控制終端產(chǎn)品的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,基本上就可以直接沿用上層程序。

16、與此同時(shí),飛利浦電子與美國(guó)通用原子公司(GeneralAtomics,GA)已經(jīng)開(kāi)始聯(lián)手進(jìn)行UWB芯片組的開(kāi)發(fā)工作了。飛利浦將接受GA的包括多頻帶技術(shù)/關(guān)鍵子頻帶0在內(nèi)的UWB相關(guān)技術(shù),使用面向RF的BiCMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)RF芯片。GA的關(guān)鍵子頻帶技術(shù)是將UWB的頻帶分割成15個(gè)子頻帶進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)。由此我們可以看到,未來(lái)UWB的市場(chǎng)前景還是十分廣闊的,UWB必將成為今后的主流無(wú)線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)在我們面前。早在1965年，美國(guó)就確立了UWB的技術(shù)基礎(chǔ)。在后來(lái)的二十年內(nèi)，UWB技術(shù)主要用于美國(guó)的軍事應(yīng)用，其研究機(jī)構(gòu)僅限于與軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)以及研究機(jī)關(guān)、團(tuán)體。美國(guó)國(guó)防部正開(kāi)發(fā)幾十種UWB系統(tǒng)，包括

17、戰(zhàn)場(chǎng)防竊聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)等。 民用方面：由于超寬帶技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)使其在無(wú)線通信方面具有很大的潛力，近幾年來(lái)國(guó)外對(duì)UWB信號(hào)應(yīng)用的研究比較熱門(mén)，主要用于通信(如家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，公路信息服務(wù)系統(tǒng)和無(wú)線音頻、數(shù)據(jù)和視頻分發(fā)等)、雷達(dá)(如車(chē)輛及航空器碰撞/故障避免，入侵檢測(cè)和探地雷達(dá)等)以及精確定位(如資產(chǎn)跟蹤、人員定位等)。索尼、時(shí)域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒克萊斯勒等高技術(shù)公司都已涉足UWB技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將各種消費(fèi)類電子設(shè)備以很高的數(shù)據(jù)傳輸率相連，以滿足消費(fèi)者對(duì)短距離無(wú)線通信小型化、低成本、低功率、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蟆?國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)超寬帶無(wú)線通信的研究也越來(lái)越深入。2002年5月2023日，IEEE舉辦了一期

18、會(huì)議，專門(mén)討論UWB技術(shù)及其應(yīng)用。2002年2月14日，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)正式通過(guò)了將UWB技術(shù)應(yīng)用于民用的議案，定義了三種UWB系統(tǒng)：成像系統(tǒng)、通信與測(cè)量系統(tǒng)、車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)，并對(duì)三種系統(tǒng)的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規(guī)定。但是，UWB技術(shù)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，只有美國(guó)允許民用UWB器件的使用；而歐洲正在討論UWB的進(jìn)一步使用情況，并觀望美國(guó)的UWB標(biāo)準(zhǔn)。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2001年9月初發(fā)布的“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，把超寬帶無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無(wú)線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)學(xué)者加強(qiáng)這方面的研發(fā)工作。但是國(guó)內(nèi)今天關(guān)于UWB

19、技術(shù)的深入研究?jī)H限于雷達(dá)方面，關(guān)于UWB通信系統(tǒng)的研究還沒(méi)有形成規(guī)模。在超寬帶領(lǐng)域，學(xué)者們已提出了眾多的接收機(jī)設(shè)計(jì)方案和算法，對(duì)不同接收機(jī)的評(píng)價(jià)主要從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和性能測(cè)度兩個(gè)方面考慮。實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度可包括接收機(jī)所需的系統(tǒng)參數(shù)（假定知識(shí)）和計(jì)算復(fù)雜度兩個(gè)方面，而性能測(cè)度最重要的指標(biāo)是誤碼率，對(duì)于多用戶檢測(cè)器，還要進(jìn)一步分析漸近多用戶有效性和抗遠(yuǎn)近能力等指標(biāo)，對(duì)于一些自適應(yīng)算法，還需考慮收斂速度、穩(wěn)健性等因素。最簡(jiǎn)單的超寬帶接收機(jī)是能量檢測(cè)器和匹配濾波器。能量檢測(cè)器是一種非相干接收機(jī)，其通過(guò)檢測(cè)接收信號(hào)能量，并將之與設(shè)定的門(mén)限相比較，從而判決出數(shù)據(jù)信息。能量檢測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要本地模板信號(hào)，其誤碼性

20、能與濾波器帶寬、積分時(shí)長(zhǎng)以及信道的多徑特點(diǎn)都有著密切的關(guān)系。匹配濾波器是一種基于相關(guān)處理的簡(jiǎn)單而最優(yōu)接收機(jī)，匹配濾波器將接收信號(hào)和發(fā)射脈沖模板進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，再對(duì)相關(guān)值進(jìn)行判決。匹配濾波接收機(jī)僅在加性高斯白噪聲（Additive WhiteGaussion Noise，AWGN）信道下才是最優(yōu)檢測(cè)，而在多徑信道下，能量檢測(cè)器和匹配濾波器這兩種接收機(jī)性能均不理想。考慮到超寬帶信道的特點(diǎn)，為了有效收集多徑能量，獲得分集增益，Rake 接收機(jī)被廣泛地應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中。Rake 接收機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由一組并行的相關(guān)器組成，每個(gè)相關(guān)器（Rake 接收機(jī)的支路）的模板具有不同的時(shí)延，分別對(duì)應(yīng)于不同的多徑分量，

21、接收信號(hào)首先通過(guò)相關(guān)器組的相關(guān)運(yùn)算提取出各多徑分量，再對(duì)多徑分量進(jìn)行合并處理。顯然，Rake 接收機(jī)的性能依賴于多徑分量的選擇方式和多徑信道的估計(jì)。當(dāng)選擇處理所有多徑分量時(shí)，即為完全 Rake（All Rake，ARake）接收機(jī)，ARake 接收機(jī)的支路數(shù)等于多徑分量數(shù)，其能最大限度地提高信噪比，但其復(fù)雜度隨支路數(shù)的增加而線性增長(zhǎng)。對(duì)于包含多達(dá)幾十甚至上百條多徑分量的超寬帶信道而言，受實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的限制，ARake 很難實(shí)際應(yīng)用，其通常作為傳統(tǒng) Rake 接收機(jī)理論研究的性能上限。為了降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，可考慮僅選取全部多徑中的 L（L 值小于總的多徑數(shù)）條路徑進(jìn)行處理。若選取的是最先到達(dá)的 L

22、條多徑分量，稱之為部分 Rake (Partial Rake，PRake)接收機(jī)，而若選取的是最強(qiáng)的 L 條多徑分量，則稱之為選擇性 Rake（Selective Rake，SRake）接收機(jī)。PRake 較之 SRake，由于無(wú)需對(duì)多徑進(jìn)行選擇，因此復(fù)雜度較低，但其誤碼性能不及 SRake。常用的估計(jì)算法有最大似然方法、子空間方法、隱藏訓(xùn)練序列方法、自適應(yīng)方法等。從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，超寬帶的典型應(yīng)用場(chǎng)景可能是 PDA、家電產(chǎn)品等用戶終端與室內(nèi)接入點(diǎn)（Access Point，AP）之間的通信。用戶終端的接收機(jī)往往是低成本的便攜設(shè)備，采用 Rake 接收技術(shù)會(huì)增加接收機(jī)的硬件復(fù)雜度，為了解決這

23、一問(wèn)題，可以將復(fù)雜的 Rake 接收處理過(guò)程從用戶終端側(cè)移到強(qiáng)大的接入點(diǎn)（AP）側(cè)，即預(yù) Rake 技術(shù)（Pre-Rake）。Pre-Rake技術(shù)是在發(fā)射側(cè)完成信道估計(jì)、分集合并以及均衡等信號(hào)處理過(guò)程，而在接收側(cè)只需簡(jiǎn)單的匹配濾波接收機(jī)就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。Pre-Rake 接收機(jī)的缺陷是：對(duì)于較長(zhǎng)的信道沖激響應(yīng)，接收側(cè)可能會(huì)出現(xiàn)高的誤碼平臺(tái)。為了克服這一點(diǎn)，當(dāng)超寬帶系統(tǒng)中存在多個(gè)用戶時(shí)，為了有效抑制 MUI，多用戶檢測(cè)（Multi-UserDetection，MUD）也被應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中，同一符號(hào)信息的多個(gè)幀采用 MMSE 合并；OMC 方案則先將不同幀的同一多徑分量采用等增益合并（Equa

24、l Gain Combining, EGC）得到該多徑分量的合并樣值，再將多徑分量樣值采用 MMSE 合并；而兩步 MMSE 合并方案是將不同幀和多徑分量的采樣值分成不同的組，對(duì)每組分別采用 MMSE 合并。這些次優(yōu)方案由于是分步實(shí)現(xiàn)的，所以大大降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。次優(yōu)多用戶檢測(cè)方案是性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的折衷，更接近于實(shí)際應(yīng)用，因此大部分研究都集中于此。考慮到所需較少先驗(yàn)知識(shí)等因素，一些盲 MUD 方案更被關(guān)注，其中最重要的是盲 MMSE 檢測(cè)器，其批處理實(shí)現(xiàn)主要包括直接矩陣求逆法（Direct Matrix Inversion, DMI）和子空間法（Subspace, SS），但因涉及到矩陣

25、求逆或特征值分解（Eigenvalue Decomposition, ED）等問(wèn)題，這兩種方法計(jì)算量均很大，且不能滿足實(shí)時(shí)性要求，另外，考慮到無(wú)線信道的動(dòng)態(tài)特性，盲自適應(yīng) MUD 方案便成為解決在線實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵，與兩種批處理方法對(duì)應(yīng)的常用自適應(yīng)算法分別是最小輸出能量（Minimum Output Energy, MOE）算法和緊縮近似投影子空間跟蹤（Projection Approximation Subspace Tracking withDeflation, PASTd）算法。然而，隨著檢測(cè)數(shù)據(jù)維數(shù)的增加，自適應(yīng)濾波器的長(zhǎng)度也相應(yīng)的增加，這導(dǎo)致了計(jì)算復(fù)雜度的增加及濾波器穩(wěn)健性的下降。為了

26、進(jìn)一步減小算法復(fù)雜度，降維自適應(yīng)濾波技術(shù)也受到人們的青睞，包括：主分量法（Principal Component, PC）、互譜法（Cross Spectral, CS）、輔助向量濾波（Auxiliary Vector filtering, AVF）和多級(jí)維納濾波器（Multi-Stage Wiener Filter, MSWF）等。其中 PC 法和 CS 法均需要通過(guò)特征值分解得到降維子空間，運(yùn)算量較大，相比較而言，MSWF 無(wú)需特征值分解，具有較低的計(jì)算復(fù)雜度和接近于滿秩 MMSE 接收機(jī)的性能，而 AVF 與 MSWF 因具有相同的降秩子空間，所以 AVF 等效于 MSWF，且兩者的計(jì)算

27、復(fù)雜度接近?；谝陨戏治?，本課題研究的主要工作是：考慮到超寬帶脈沖信號(hào)的特點(diǎn)并結(jié)合超寬帶室內(nèi)信道傳輸模型，設(shè)計(jì)適用于超寬帶系統(tǒng)的接收機(jī)。設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)兼顧了誤碼性能和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的要求。重點(diǎn)解決接收端的干擾抑制和信道估計(jì)問(wèn)題。對(duì)于 TH-UWB 和 DS-UWB 兩種系統(tǒng)模型，考慮多徑、多用戶情況，提出了盲 Rake 接收機(jī)、盲多用戶檢測(cè)接收機(jī)、盲自適應(yīng)恒模算法（Constant ModulusAlgorithm，CMA）接收機(jī)以及盲自適應(yīng)降秩接收機(jī)等三、超寬帶技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)國(guó)防部于1989年首先使用了"超寬帶"一詞。那時(shí)，超寬帶理論及技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近30年。自1994年以來(lái)

28、，美國(guó)大部分超寬帶技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作不再受到嚴(yán)格應(yīng)用類別的限制。由于商業(yè)需求日益增長(zhǎng)，超寬帶技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程得以大大加快。兩方面的進(jìn)展刺激了商業(yè)需求和商業(yè)活動(dòng)：1) 人們意識(shí)到超寬帶系統(tǒng)可以與其他使用高得多的頻譜密度的通信系統(tǒng)共存而不互相干擾；2) 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的報(bào)告及02-48規(guī)范。這份發(fā)表于2002年2月14日的報(bào)告及規(guī)范，定義了共存規(guī)則，其中定義了適用于各類超寬帶設(shè)備的發(fā)射指標(biāo)限制。這一法律框架刺激了專用超寬帶設(shè)備市場(chǎng)的誕生并從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度激發(fā)了人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的強(qiáng)烈興趣。 超寬帶的潛在應(yīng)用浩如煙海，包括無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)、近距離雷達(dá)系統(tǒng)(汽車(chē)感應(yīng)器、防撞

29、系統(tǒng)、智能高速公路應(yīng)用系統(tǒng)、液體水平感應(yīng)裝置)、穿透地面雷達(dá)系統(tǒng)，以及用于醫(yī)療監(jiān)控或體育訓(xùn)練感應(yīng)器的人體區(qū)域網(wǎng)。本文的重點(diǎn)放在超寬帶的連接應(yīng)用系統(tǒng)，尤其是無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)/無(wú)線局域網(wǎng)。眾所周知，由于美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)出于保密原因?qū)Τ瑢拵Ъ夹g(shù)做出了一些保守的限制，因而我們將重點(diǎn)放在了無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)范圍傳輸距離大約10米，數(shù)據(jù)傳輸速率從110Mbps至480Mbps。如此高的數(shù)據(jù)傳輸速率將很容易在用戶的起居室里實(shí)現(xiàn)數(shù)字消費(fèi)類娛樂(lè)設(shè)備的多媒體連接應(yīng)用(DVD、衛(wèi)星/電纜機(jī)頂盒、電視監(jiān)控器及環(huán)繞立體聲音頻處理設(shè)備)。顯而易見(jiàn)，數(shù)字相機(jī)、及MP3播放機(jī)都將從與電腦的無(wú)線連接技術(shù)中受益，從而為配備了

30、有線USB2.0或IEEE 1394技術(shù)的設(shè)備增添額外的價(jià)值，并有可能最終使有線連接成為歷史。我們還可以設(shè)想多房間應(yīng)用場(chǎng)景，盡管這將對(duì)現(xiàn)有的信號(hào)處理技術(shù)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐蟊３值桶l(fā)射功率的限制，將使信號(hào)在3-10GHz的頻率范圍內(nèi)穿透墻面變得非常困難。盡管處于對(duì)未來(lái)無(wú)法預(yù)測(cè)的時(shí)期，隨著越來(lái)越多的消費(fèi)者將超寬帶技術(shù)接納為家用多媒體連接產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程被看作是實(shí)現(xiàn)廣泛市場(chǎng)潛力的重要舉措。能夠與自身或相鄰的非協(xié)調(diào)超寬帶微微網(wǎng)絡(luò)共存也非常重要。盡管需要解決的問(wèn)題仍然很多，包括飛利浦公司在內(nèi)的眾多業(yè)界專家，都在潛心致力于尋找合適的方法整合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以合理的價(jià)格為最終用戶帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。四、總結(jié)4.

31、1 全文總結(jié)基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)在多媒體設(shè)備互連、家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面極大地提高了系統(tǒng)性能，這意味著UWB 將會(huì)在無(wú)線通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)之一。超寬帶是無(wú)線通信領(lǐng)域涌現(xiàn)出的極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，它采用低占空比因子（小于 0.5%）的極窄脈沖（納秒量級(jí)）發(fā)射和接收信息，相應(yīng)地，其具有很寬的帶寬（吉赫茲量級(jí)），可提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而極低的輻射限制（不超過(guò)-41.3dBm/MHz）又使得超寬帶系統(tǒng)可與已有的無(wú)線系統(tǒng)共存，為稀缺的頻譜資源利用問(wèn)題開(kāi)辟了新的解決途徑。與其它無(wú)線通信技術(shù)相比，超寬帶技術(shù)具有一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，如高速率、大容量、低功耗、低成本、多徑分辨率高、精確定位等，在軍事和民用領(lǐng)域都有

32、著廣泛的應(yīng)用前景。因此也激起了人們對(duì)其研究的極大興趣。本文對(duì)超寬帶系統(tǒng)的接收檢測(cè)技術(shù)做了較深入的研究，主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下：(1)超寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試以及物理層技術(shù)的評(píng)估都依賴于對(duì)信道的研究，隨著超寬帶應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，超寬帶信道模型的研究也不斷深入，已有的超寬帶信道模型包括：室內(nèi)信道模型、室外信道模型、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信道模型、交通工具內(nèi)信道模型等。本文對(duì)煤礦井下超寬帶信道模型進(jìn)一步研究，采用自回歸（AR）方法對(duì)多徑信道進(jìn)行了建模，并對(duì)信道特征參數(shù)進(jìn)行了仿真和分析，為超寬帶技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下提供了參考。(2)針對(duì)傳統(tǒng) Rake 接收機(jī)不能消除多用戶干擾的缺陷，本文提出了一種適用于多用戶

33、環(huán)境下盲 Rake 接收機(jī)。該接收機(jī)首先利用跳時(shí)碼的良好相關(guān)性設(shè)計(jì)濾波器，消除部分多用戶干擾和碼間干擾；再對(duì)濾波器的輸出數(shù)據(jù)采用緊縮近似投影子空間跟蹤方法進(jìn)行信道估計(jì)并實(shí)現(xiàn)最大比合并，進(jìn)一步提高輸出信干噪比。仿真結(jié)果證實(shí)，該接收機(jī)的誤碼性能優(yōu)于傳統(tǒng)的相關(guān)接收機(jī)和 Rake 接收機(jī)，且其所需先驗(yàn)知識(shí)較少、計(jì)算復(fù)雜度較低。(3)針對(duì)超寬帶系統(tǒng)中的碼間干擾和多用戶干擾問(wèn)題，本文將線性預(yù)測(cè)方法應(yīng)用于 DS-UWB 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)盲多用戶檢測(cè)。該算法首先通過(guò)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換和線性預(yù)測(cè)來(lái)抑制多用戶干擾，再對(duì)線性預(yù)測(cè)誤差采用子空間跟蹤算法進(jìn)行信道估計(jì)，消除碼間干擾。仿真結(jié)果表明，在超寬帶信道模型下，與傳統(tǒng)

34、的接收機(jī)相比較，其具有較低的誤碼率和較好的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)能力。(4)在多徑及多用戶環(huán)境下，本文提出了一種盲自適應(yīng)多用戶檢測(cè)方案，用來(lái)解決高速 TH-UWB 系統(tǒng)中的多用戶干擾和碼間干擾問(wèn)題，該方案首先采用約束RLS-CMA 算法消除多用戶干擾和碼間干擾；接著在信道估計(jì)的基礎(chǔ)上采用最大比合并進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，提出的接收機(jī)在 UWB 四種類型信道下能快速收斂，且誤碼性能較好。(5)在解決 DS-UWB 系統(tǒng)中多用戶干擾和碼間干擾問(wèn)題的同時(shí)，為了降低復(fù)雜度，本文提出了一種降秩盲自適應(yīng)接收機(jī)，該接收機(jī)首先將 MOE 算法和 MSWF方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)盲自適應(yīng)解相關(guān)，抑制多用戶干擾并提取期望信

35、號(hào)各多徑分量，再進(jìn)一步采用 PASTd 算法估計(jì)信道并進(jìn)行最大比合并，提高輸出信干噪比。仿真結(jié)果表明，其誤碼性能優(yōu)于傳統(tǒng) Rake 接收機(jī)及解相關(guān) Rake 接收機(jī)，且收斂速度較快、復(fù)雜度較低。4.2 后續(xù)研究工作展望超寬帶無(wú)線通信技術(shù)的研究正方興未艾，但其理論研究和實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，本文對(duì)超寬帶接收檢測(cè)技術(shù)的研究只是其中的一小部分工作。后續(xù)的研究擬在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步探索：（1）超寬帶預(yù)處理技術(shù)在超寬帶的典型室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景中，往往可能是 TV、PDA、家電產(chǎn)品等用戶終端與室內(nèi)接入點(diǎn)（Access Point，AP）之間的通信。對(duì)于用戶終端而言，人們希望通過(guò)減小其接

36、收機(jī)的硬件復(fù)雜度來(lái)降低其成本，而對(duì)于 AP 而言，由于在一個(gè)房間內(nèi)可能僅需一個(gè)，因此設(shè)備的復(fù)雜度不是主要障礙?；诖?，有必要將用戶終端側(cè)的復(fù)雜接收處理過(guò)程，如信道均衡、多徑能量合并、多用戶干擾抑制等移到 AP側(cè)。即將預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中，包括預(yù) Rake（Pre-Rake）和預(yù)均衡（Pre-equalization）技術(shù)等。預(yù)處理技術(shù)在 CDMA 系統(tǒng)中已經(jīng)被提出，采用預(yù)處理技術(shù)需要考慮的主要問(wèn)題之一是：發(fā)射機(jī)如何獲取信道狀態(tài)信息。對(duì)于時(shí)分雙工（TDD）的 CDMA 系統(tǒng)而言，考慮到上、下行鏈路的對(duì)稱性，發(fā)射機(jī)可根據(jù)接收到的信號(hào)估計(jì)信道。但對(duì)于大部分頻分雙工（FDD）的 CDMA 系統(tǒng)

37、，往往采用接收機(jī)到發(fā)射機(jī)之間的反饋方式獲取信道狀態(tài)信息，這對(duì)于時(shí)變信道而言，額外地浪費(fèi)了頻譜資源。而在超寬帶系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分享相同的頻譜資源，AP 可以通過(guò)上行鏈路的信號(hào)估計(jì)下行信道狀態(tài)信息。因此預(yù)處理技術(shù)可以很好地應(yīng)用于超寬帶系統(tǒng)中，例如采用 Pre-Rake 既可以實(shí)現(xiàn) Rake 功能，同時(shí)用戶終端的接收機(jī)又可簡(jiǎn)化為一個(gè)基本的匹配濾波接收機(jī)，很大程度上降低了其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。而采用 Pre-equalization則可以在發(fā)射端完成消除碼間干擾和多用戶干擾的信號(hào)處理過(guò)程。（2）超寬帶 MIMO 技術(shù)超寬帶技術(shù)的帶寬優(yōu)勢(shì)使其具有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐摿?，但各?guó)對(duì)超寬帶信號(hào)嚴(yán)格的輻射功率限制卻成

38、為了其達(dá)到理論傳輸速率的制約因素。將 UWB 與 MIMO相結(jié)合而形成的 UWB-MIMO 技術(shù)為解決功率限制這一瓶頸問(wèn)題提供了新的思路。UWB-MIMO 技術(shù)的研究包括：信道測(cè)量和建模、信道容量、空時(shí)編碼、UWB-MIMO91中繼等技術(shù)。（3）認(rèn)知超寬帶技術(shù)認(rèn)知無(wú)線電（Cognitive Radio, CR）技術(shù)是解決頻譜資源緊張以及固定頻譜分配策略所導(dǎo)致的頻譜利用率低等問(wèn)題的有效途徑，其基本思想是：自主地感知無(wú)線環(huán)境，搜索頻譜空洞，伺機(jī)占用此臨時(shí)可用的頻段，并能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整無(wú)線參數(shù)以避免對(duì)主要用戶產(chǎn)生干擾。CR 和 UWB 技術(shù)的共性都是為了共享頻譜資源，但在實(shí)現(xiàn)方式上各有特點(diǎn)，CR

39、采用的是伺機(jī)占用頻譜方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)改變一些操作參數(shù)，利用臨時(shí)空閑頻譜進(jìn)行有效通信；而 UWB 采用的是重疊式頻譜占用方法，它通過(guò)嚴(yán)格的輻射功率限制，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的大多數(shù)無(wú)線通信系統(tǒng)共存。結(jié)合 CR 和 UWB 技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，便可構(gòu)建認(rèn)知超寬帶（Cognitive UWB, CUWB）系統(tǒng)。CUWB 可依據(jù) CR 技術(shù)的感知結(jié)果，智能地管理頻譜，動(dòng)態(tài)優(yōu)化超寬帶系統(tǒng)的頻譜資源、調(diào)整超寬帶發(fā)射脈沖波形，并且可以改變其發(fā)射參數(shù)，打破超寬帶發(fā)射功率限制的瓶頸，從而在不增加對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)干擾的前提下提高傳輸效率。參考文獻(xiàn)1 Zhuo Z, Mendoza D S, Wang P, et al. A low-power and flexible energy detection IR-UWB receiver for RFID and wireless sensor networks. IEEE Trans. on Circuits and Systems.2011, 7, 58(7): 1470-1482.2Liu K H, Shen X M, Zhang R N, et al. Performance analysis of distributed reservation p