东南大学移动通信国家重点实验室 徐斌 毕光国
经典的超宽带无线系统主要采用基带脉冲传输技术,它具有高空间频谱效率、高测距精度、低功耗、低成本、小体积等诸多优点和潜力，但同时也面临波形失真等诸多挑战。
根据超宽带信号的基本特性，超宽带无线技术大体包括基带脉冲传输方式和带通载波调制传输方式两大类。脉冲传输的特点是把信息调制在离散脉冲信号上发射，而带通载波调制传输的特点则是把信息调制在正弦载波上发射。经典的超宽带无线系统主要采用基带脉冲传输技术。
脉冲波形
超宽带脉冲无线传输技术依赖脉冲串传递信息，因此，脉冲波形的特征及设计是超宽带脉冲无线系统重要的研究内容之一。
根据超宽带基带脉冲的频谱特性，超宽带脉冲可以分为两大类：第一类是基带脉冲，该类脉冲包含从低频到高达几个GHz频率的连续带宽；第二类是特殊脉冲，即满足特定频谱要求的脉冲，例如，为了满足FCC规定的频谱特性或抑制窄带干扰而设计的特殊脉冲，一般通过特殊设计或滤波获得。经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。
在超宽带技术研究中，常见的超宽带基带脉冲包括：矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲(Gaussian Monocycle)和瑞利单脉冲(Rayleigh Monocycle)等。矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，工程应用价值不大，一般仅用于学术研究。工程上常用的超宽带脉冲应该没有直流分量，一般通过对高斯脉冲进行求导获得，例如，对高斯脉冲求一阶导数可以获得瑞利单脉冲，对高斯脉冲求二阶导数可以获得高斯单脉冲。比较而言，高斯单脉冲更适合作为传递信息的超宽带脉冲。
然而，上述脉冲波形的频率特性都无法满足FCC关于超宽带信号的频谱要求。为此，人们还提出了其他超宽带脉冲的产生方法。例如，用汉明窗调制载波的方法，汉明窗超宽带脉冲中心频率和带宽可以方便地通过参数调节获得。
调制技术
在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。
1． 单脉冲调制
对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典的单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、二相调制(BPM)和开关键控(OOK)等。图1是这四种脉冲调制技术的示意图。
图1 四种脉冲调制技术的示意
PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。BPM和OOK是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK通过脉冲的有和无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM的基本原理。在PPM中，脉冲的极性和幅度都不改变。
PAM、OOK和PPM共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息。PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。然而，PAM、OOK和PPM都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，例如，FCC关于超宽带信号频谱的规定，而且会降低功率的利用率。而BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。
另外，我们也可以在超宽带脉冲无线系统中综合使用上述调制技术。
2． 多脉冲调制
实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在超宽带脉冲无线系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。
当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制，第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。一般把第一步称为扩谱(Spread Spectrum)，而把第二步称为信息调制。因而在第一步中，把PPM称为跳时(Timing Hopping)扩谱(TH-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置；把BPM称为直接序列(Direct Sequence)扩谱(DS-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM同时改变每组脉冲的幅度，PPM同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变每组脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技术：TH-SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。
多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。
在多脉冲调制中，利用不同SS序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用(CDM，Code Division Multiplexing)技术。笔者在2004年的国际信号处理会议上提出了一种特殊的CDM系统——无载波的正交频分复用系统(CL-UWB/OFDM)。这种特殊的多脉冲调制技术可以有效地抑制多路数据之间的干扰和窄带干扰。
系统结构
图2～4分别为采用TH-SS PPM、DS-SS BPM和CL-OFDM多脉冲调制技术的脉冲超宽带无线传输系统的示意图。
图2 TH-SS PPM系统框图
图3 DS-SS BPM系统框图
图4 CL-UWB/OFDM系统框图
共存问题
由于经典的超宽带脉冲无线系统使用基带脉冲传递信息，导致超宽带脉冲设备之间、超宽带脉冲设备与现有窄带系统之间共享相同的频谱。因此，超宽带系统之间和超宽带系统与现有系统之间的共存问题成为超宽带脉冲系统及网络设计的关键问题之一。而解决共存问题的途径大致可以分为四大类:
通过特殊的脉冲设计是解决窄带干扰的一种有效方法。例如，设计具有带宽限制的脉冲避免窄带干扰对超宽带信号的影响。而设计正交脉冲则可以解决多个超宽带系统共存的问题。
多脉冲调制技术可以通过SS码的正交性或准正交性实现对多用户干扰和窄带干扰的抑制。对多脉冲SS序列的设计也可以认为是一种特殊的脉冲波形的设计。
信号处理是一种根据期望信号与干扰信号之间的特征差异实现的干扰抑制技术，特征差异既可以体现在时域、频率和空间，也可以体现在其他变换域或者混合域。信号处理算法的设计既包括模拟、数字滤波器的设计，也包括统计信号的各种检测方法。
共存问题还可以通过媒介接入控制(MAC：Media Access Control)和网络资源管理等手段解决。例如，通过带宽资源、路由或多址技术的自适应分配避免干扰产生，或把干扰降低到最低。
潜在的优点
无线频谱或带宽是无线通信系统重要而稀缺的资源，而超宽带脉冲无线传输技术以牺牲传输距离为代价换取了丰富的频谱资源。利用充足的频谱资源，不仅大大提高了超宽带系统设计的灵活度，还为超宽带无线系统带来了众多内在的潜力和优点。
高空间容量。虽然，超宽带系统在传输高数据率的同时牺牲了传输距离，但是，缩短传输距离也减少了超宽带信号对相邻超宽带系统的干扰。因而，在相同的空间，可以容纳更多的超宽带无线传输系统同时工作，从而极大地提高了单位空间的数据传输率，即空间容量。
高功率效率。利用超宽带信号极窄的时域脉冲，将大大降低信号传输的路径损失及多径衰落程度。极窄脉冲对多径的高分辨能力，首先使相互叠加的多径信号减少，从而减小了每条可分辨多径的衰落程度；其次，使可分辨的多径数目增加，通过相干合并将进一步抑制衰落。基带脉冲信号包含丰富的低频成份，因而具有相对较低的材料穿透损失。基带脉冲信号的无载波特性使脉冲即使在重叠的情况下，也不会导致太大的衰落。
低发射功率和低干扰。由于仅应用于中短距离无线通信，所以超宽带脉冲的发射功率很低，不仅降低了通信设备的功耗，还大大降低了系统的实现难度。超宽带信号具有非常低的功率谱密度，使得超宽带系统可以同现有的窄带系统共存。
低截获概率。超宽带信号极低的功率谱密度也使应用于军事的超宽带保密通信成为可能。
高测距精度。极窄脉冲具有内在的高精度测距能力。
低系统成本。无载波传输将使超宽带系统的收发结构大大简化，从而降低收发器件的成本。
应用前景
超宽带技术在通信、雷达和无线定位等领域都将有广阔的应用前景。近年来，人们对超宽带技术深入的研究使超宽带技术在系统理论、天线、功率放大器、脉冲的产生与接收、同步、集成电路等方面取得了重大进步，尤其是在超宽带无线传输领域的技术进步，使超宽带通信成为未来无线网络的重要组成部分成为可能。
相对于传统的窄带无线通信系统，超宽带无线传输系统具有诸多优点和潜力，使超宽带无线传输成为中短距无线网络的理想接入技术。根据传输速率不同，脉冲超宽带无线传输系统也具有不同的特点和应用领域。
利用超宽带技术可以提供高数据率传输的能力与定位功能，可以设计依赖定位信息优化网络资源管理的WPAN或WLAN，并应用于多媒体传输、计算机通信和家庭娱乐等领域。
利用脉冲超宽带信号对障碍物的良好穿透特性与精确测距功能，可以设计既具有通信功能也具有定位功能的超宽带脉冲无线通信与定位系统。该系统包括传输距离远(通信速率低)、分布式移动定位、便携、超低成本、超低功耗、定位可靠性和精度高等特点。因而可以广泛应用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护与救生等重要领域。利用超宽带脉冲信号低截获概率、保密性高和体积小的优点，该系统还可以应用于侦察、情报收集、伤员救护、武器制导等军事领域。
面临的挑战
然而，为了获得低成本、低功耗和小体积的超宽带设备，使超宽带无线传输技术得到广泛的应用，超宽带系统设计仍面临许多技术挑战。主要包括:
● 波形失真。即使相继到达接收端的多径脉冲能够被完全分开，也会由于收发天线的不理想特性等原因导致脉冲波形的严重失真，从而使接收端相干合并多路径的分集技术难于获得期望的性能。
● 同步问题。超宽带信号极窄的时域特征，使接收机捕获和跟踪亚纳秒级的脉冲信号非常困难。
● 多径环境。在密集多径环境中，为了防止符号间干扰，要么采用高阶调制而降低脉冲重复频率，要么采用复杂的信号处理技术抑制多径干扰。高阶调制不仅会牺牲无线传输的功率效率，还将大大增加单个脉冲的功率，从而增加脉冲的生成难度。复杂的信号处理不仅会增加系统的复杂度和体积，还将提高信号处理的功率消耗。为了收集众多可分辨路径的能量，也会大大增加超宽带系统的实现成本。
● 多址干扰和窄带干扰。脉冲超宽带设备之间、脉冲超宽带设备和现有的窄带系统之间往往共享频谱，这将导致不同超宽带设备之间的多址干扰，以及现有系统对超宽带系统的严重干扰。有效抑制这些干扰将增加脉冲设计和信号处理的实现难度。
● 资源管理。为了充分利用超宽带无线传输在物理层的众多优点，必须开发新的链路和网络层协议，更有效地管理超宽带无线资源。
解决上述问题有赖于超宽带理论的突破性进展和集成电路的飞速发展。为此，国际国内众多的研究机构和公司相继投入了大量的科研力量对超宽带无线传输理论和技术展开了深入而广泛的研究与开发。
摘自《计算机世界报》 第38、39期 B6、B9
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