8.3 超寬帶（UWB）無(wú)線(xiàn)收發(fā)器

8.3超寬帶（UWB）無(wú)線(xiàn)收發(fā)器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.3.1超寬帶（UltraWideband，UWB）無(wú)線(xiàn)電技術(shù)簡(jiǎn)介

超寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是一種用極低的功率（約20mW）、在極寬的頻譜范圍內(nèi)（可高達(dá)7.5GHz）以極高的速率（可高達(dá)500Mb/s）傳輸信息的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。UWB的核心是沖擊無(wú)線(xiàn)電（ImpulseRadio）技術(shù)，即用持續(xù)時(shí)間非常短（亞納秒級(jí)）的脈沖波形代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信傳輸系統(tǒng)的持續(xù)波形。UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：①UWB的頻譜非常寬，能量密度非常低，信號(hào)非常難以截獲，因此信息傳輸安全性高；②UWB信號(hào)脈沖的有效寬度很窄，而且在脈沖序列中的占空比很小，具有很強(qiáng)的抗多徑能力；③幾乎所有的電路元器件都可以采用數(shù)字電路器件，有利于芯片組設(shè)計(jì)的器件最少化和體積最小化，從而實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗；④UWB通信系統(tǒng)可以達(dá)到高速率、抗干擾、抗多徑等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的大容量的通信系統(tǒng)。目前，基于UWB的技術(shù)應(yīng)用研究主要在高速短距離通信、雷達(dá)和精確定位等領(lǐng)域。UWB技術(shù)對(duì)于無(wú)線(xiàn)短距離的高速數(shù)據(jù)通信是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的。在未來(lái)，UWB技術(shù)將為后3G網(wǎng)、WAN、WLAN、WPAN、WBAN、AdHoc網(wǎng)絡(luò)、HAN等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成提供透明的、無(wú)縫的連接，真正實(shí)現(xiàn)后3G時(shí)代的“每個(gè)人、每件事、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)”的連接。與此相關(guān)聯(lián)的潛在應(yīng)用可滲透到許多具體的層面：①100～500Mb/s高數(shù)據(jù)速率的家庭、辦公室、學(xué)校和遠(yuǎn)程醫(yī)療等無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)（HDR-WPAN）。在軍事上，可用于無(wú)線(xiàn)手持設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)LPI/LPD（低截獲率/低檢測(cè)率）無(wú)線(xiàn)電、非視距LPI/LPD地表波通信等；②UWB還可構(gòu)成高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)、構(gòu)成穿墻和穿地成像系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)感應(yīng)雷達(dá)，以及汽車(chē)的防撞感應(yīng)器等。在軍事上，可用于入侵檢測(cè)、無(wú)人駕駛車(chē)輛和飛行器等；③利用多個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)波達(dá)時(shí)差（TDOA）等技術(shù)，可以構(gòu)成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確定位和跟蹤系統(tǒng)?？梢愿櫥虮O(jiān)視病人、犯人或貴重物品等。特別是在室內(nèi)或封閉環(huán)境、GPS系統(tǒng)無(wú)法使用的情況下，基于UWB技術(shù)的定位系統(tǒng)更顯示其優(yōu)越性。在軍事上，這項(xiàng)技術(shù)可以確保軍事人員和武器裝備的安全等；④在短距離（如幾米之內(nèi)）條件下，以UWB技術(shù)構(gòu)成的以太網(wǎng)接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)速率可達(dá)1Gb/s，甚至達(dá)到2.5Gb/s?？梢岳脭?shù)字無(wú)線(xiàn)視頻接口在PC和LC屏之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)傳輸；⑤提供智能設(shè)備的接入能力的智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，其中包括設(shè)備的精確定位、跟蹤與報(bào)警等；⑥室外端到端網(wǎng)絡(luò)：主要是指室外UWB設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，以支持PDA等便攜式無(wú)線(xiàn)設(shè)備的信息下載等，如下載報(bào)紙新聞、圖片等信息；⑦傳感器、定位與識(shí)別網(wǎng)絡(luò)。1．UWB頻譜與其他無(wú)線(xiàn)信號(hào)頻譜的關(guān)系FCC規(guī)定UWB工作頻譜位于3.l～10.6GHz。如圖8.3.1所示，UWB與其他技術(shù)存在同頻和鄰頻干擾問(wèn)題。為了降低UWB設(shè)備對(duì)處于上述頻段的其他設(shè)備的干擾，必須對(duì)UWB設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行限制。UWB信號(hào)發(fā)射的功率譜密度級(jí)可達(dá)41.3dBm/MHz。一般情況下，UWB對(duì)其他同頻或鄰頻接收器的干擾非常小，通常其功率譜密度在熱噪聲水平之下。盡管FCC對(duì)UWB的帶內(nèi)功率和帶外功率進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，但是它對(duì)同一頻譜和相鄰頻譜的其他設(shè)備的干擾卻是依然存在的。圖8.3.1UWB頻譜與其他無(wú)線(xiàn)信號(hào)頻譜的關(guān)系2．UWB與“窄帶”或“寬帶”系統(tǒng)的主要區(qū)別FCC定義的UWB的帶寬大于其中心頻率的20％或至少500MHz的帶寬，即

≥0.20（8.3.1）式中，fh為高端10dB下降點(diǎn)；fl為低端10dB下降點(diǎn)。UWB技術(shù)主要是采用無(wú)載波方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，UWB直接用脈沖對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制脈沖的形狀非常陡峭，其波形所占用的頻譜寬達(dá)數(shù)吉赫茲。UWB技術(shù)主要是采用無(wú)載波方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，UWB直接用脈沖對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制脈沖的形狀非常陡峭，其波形所占用的頻譜寬達(dá)數(shù)吉赫茲。根據(jù)香農(nóng)理論，可以通過(guò)擴(kuò)展信號(hào)的帶寬來(lái)增加傳輸系統(tǒng)的容量。香農(nóng)容量極限公式為（8.3.2）式中，C=信道容量（bits）；

BW=信道帶寬；

SNR=P/BWN，信噪比；

P=所接收的信號(hào)功率；

N=噪聲功率譜密度（W/Hz）。在時(shí)域上，脈沖的持續(xù)時(shí)間決定了信號(hào)在頻域內(nèi)所占據(jù)的帶寬。脈沖越窄，頻譜越寬。顯然，UWB技術(shù)可以在極低的發(fā)射功率下傳輸非常高的數(shù)據(jù)數(shù)率。UWB技術(shù)在短距離（特別是小于10m）時(shí)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IEEE802.11a、IEEE802.11g兩種WLAN技術(shù)的吞吐量。3．UWB脈沖波形（1）高斯單周期波形一種高斯單周期波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式（8.3.3）式中，fmono為峰值經(jīng)歸一化之后的脈沖輸出值，波形如圖8.3.2（a）所示。該波形的頻譜如圖8.3.2（b）所示。圖8.3.2一種高斯單周期信號(hào)的波形及其頻譜圖8.3.2（b）所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為其中心頻率或頻譜密度中的峰值頻率fc為

（2）UWB脈沖序列TimeDomain公司設(shè)計(jì)的一種UWB脈沖序列在時(shí)域中的表示，以及在頻域中的能量分布如圖8.3.3所示。

圖8.3.3UWB脈沖序列波形及其在頻域內(nèi)的能量4．UWB的空間容量UWB的空間容量定義為單位面積信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的吞吐量。這一參數(shù)可以比較客觀地反映系統(tǒng)的容量。作為對(duì)比，圖8.3.4繪出了幾種短距離通信技術(shù)的空間容量，UWB的空間容量可以達(dá)到1Mb/(s·m2)，其優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。圖8.3.4幾種短距離通信技術(shù)的空間容量比較5．UWB信號(hào)的編碼與調(diào)制UWB單脈沖的產(chǎn)生可以采用如圖8.3.2（a）的方案。通過(guò)改變脈沖的特性就可以產(chǎn)生符合能量與頻譜要求的波形。這其中影響波形特性的因素有3個(gè)：發(fā)射能量的帶寬；在規(guī)定頻譜內(nèi)發(fā)射能量的大??；定義能量在頻譜中的中心位置。由脈沖的頻率可以確定所發(fā)射的能量在所處帶寬內(nèi)的中心頻率。由脈沖的形狀可以確定在頻域內(nèi)能量的分布。理論上，UWB可以采用以下技術(shù)調(diào)制：脈沖幅值調(diào)制（PAM）、相位調(diào)制（BPSK等）、通斷鍵控（OOK）、脈沖位置調(diào)制（PPM）（包括M進(jìn)制）、正交脈沖調(diào)制等。UWB的PAM調(diào)制波形如圖8.3.5所示。圖8.3.5UWB的PAM調(diào)制波形多帶調(diào)制方案是一種更加靈活的頻譜利用方案。該方案的基本思想是把7.5GHz的頻帶分裂成多個(gè)更小的頻帶。為了有效利用整個(gè)頻譜，多個(gè)頻段必須在多個(gè)頻率中心處產(chǎn)生。采用偽載波振蕩可以完成中心頻率的選擇。偽載波振蕩頻率確定了頻帶的中心頻率，而振蕩波的形狀則定義沖擊脈沖的形狀，因而確定帶寬。多帶UWB調(diào)制可以有效地使用FCC所規(guī)定的整個(gè)頻譜；可以獨(dú)立對(duì)待單個(gè)子頻帶，增加了UWB系統(tǒng)的靈活性。在UWB設(shè)備與其他設(shè)備共存時(shí)，多帶調(diào)制方案可以有效地減少UWB設(shè)備對(duì)其他窄帶設(shè)備的干擾。通常，UWB系統(tǒng)采用跳時(shí)編碼（TH－UWB）和直接序列編碼（DS－UWB）。6．UWB存在的問(wèn)題UWB在技術(shù)上還有諸多尚未解決的問(wèn)題：①調(diào)制和編碼技術(shù)還有待完善。但在未來(lái)的商業(yè)應(yīng)用中，用戶(hù)容量是非常重要的因素。調(diào)制和編碼技術(shù)是已知的改善系統(tǒng)容量的最重要的手段，必須發(fā)明自適應(yīng)的調(diào)制方法和信道編碼方案，以適應(yīng)UWB所具有的特殊的時(shí)域特性；②為了能夠適應(yīng)復(fù)雜的信號(hào)傳播環(huán)境，可能需要一些如MIMO（多輸入多輸出）之類(lèi)的先進(jìn)技術(shù)，從而提供可靠的連接，以及對(duì)數(shù)據(jù)速率的適應(yīng)能力；③雖然UWB技術(shù)具有內(nèi)在的抗多徑能力，但它并不能完全克服這一問(wèn)題。在有些室內(nèi)環(huán)境下，這種多徑效應(yīng)將變得非常嚴(yán)重；④在物理層，UWB收發(fā)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、天線(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)突出的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，UWB設(shè)備的天線(xiàn)系統(tǒng)需要面臨更高的帶寬和線(xiàn)性度及可變的工作條件等要求；⑤如何在最有效地利用頻譜的同時(shí)，克服窄帶（NB）發(fā)送器對(duì)UWB接收器所造成的干擾？如何采用自適應(yīng)濾波器等技術(shù)來(lái)降低干擾；⑥UWB技術(shù)的速率或吞吐量的極限是多少？

⑦UWB設(shè)備對(duì)其他無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的干擾的定量分析和評(píng)價(jià)；如何解決UWB設(shè)備對(duì)窄帶接收器所造成的干擾？如何評(píng)價(jià)UWB信號(hào)對(duì)其他共存無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)如對(duì)藍(lán)牙設(shè)備、WLAN、FWA和3G蜂窩系統(tǒng)等的影響？⑧在地理環(huán)境復(fù)雜的條件下，如何有效地捕捉多徑能量；⑨UWB系統(tǒng)與設(shè)備的非線(xiàn)性模擬電路和元件設(shè)計(jì)技術(shù)，超高速時(shí)鐘、同步延時(shí)和功耗等問(wèn)題的解決。8.3.2UWB收發(fā)器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般的UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.3.6和圖8.3.7所示。一種高集成度的、低功耗、用于室內(nèi)的、用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的UWB收發(fā)器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8.3.8所示。圖8.3.6UWB發(fā)射機(jī)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8.3.7UWB接收機(jī)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖8.3.8UWB收發(fā)器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖UWB相關(guān)接收器負(fù)責(zé)對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，即將所接收的信號(hào)與所期望的脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)操作。一個(gè)UWB相關(guān)接收器的原理圖如圖8.3.9所示。兩種UWB相關(guān)接收器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖