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延伸拓展

詳情介紹：今天我們來了解一些UWB的原理是什么樣的。UWB技術(shù)基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns （1納秒= 十億分之一秒），重復(fù)周期在25-1000ns。圖1顯示了實用的單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性，圖中脈沖的中心頻率在2GHz。實際通信中使用一長串的脈沖，圖2顯示了周期性重復(fù)的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現(xiàn)了強烈的能量尖峰，這是由于時域中信號重復(fù)的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統(tǒng)無線電設(shè)備和信號構(gòu)成干擾，而且這種十分規(guī)則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調(diào)制PPM。比如可以用每個脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖3是一個二進制信息調(diào)制的示例。調(diào)制前脈沖的平均周期和調(diào)制量δ的數(shù)值都極小。因此調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收，即用交叉相關(guān)器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調(diào)制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因為時間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。為了進一步平滑信號頻譜，可以讓重復(fù)時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道，即實現(xiàn)通信系統(tǒng)的多址，可以對一個相對長的時間幀內(nèi)的脈沖串按位置調(diào)制進行編碼，特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時間調(diào)制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。圖中頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機編碼產(chǎn)生的效果。適當(dāng)?shù)剡x擇碼組，保證組內(nèi)各個碼字相互正交或接近正交，就可以實現(xiàn)碼分多址。UWB系統(tǒng)采用相關(guān)接收技術(shù)，關(guān)鍵部件稱為相關(guān)器（correlator）。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內(nèi)完成。相關(guān)器實質(zhì)上是改進了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關(guān)器的輸出結(jié)果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。圖5顯示了不同位置七個脈沖經(jīng)相關(guān)器后的波形走勢，750ns后的穩(wěn)定波形是輸出結(jié)果。值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設(shè)備造成干擾。但是所有帶內(nèi)的無線電信號都是對UWB信號的干擾，UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)來解決這一問題。

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