一、脈沖無線電（IR）技術概述

1、概念

脈沖無線電（IR，Impulse Radio）技術是超寬帶（UWB）技術的另一種稱謂。這是因為超寬帶（UWB）技術的空中接口物理層，最早是通過脈沖無線電（IR）技術來實現的，而且現在仍然是超寬帶（UWB）技術物理層實現的一種選擇。

我們知道，所謂的“超寬帶（UWB）技術”大約出現于20世紀60年代，當時是美國軍方在使用（主要應用于雷達）。那時的該技術名稱就有脈沖無線電（IR，Impulse Radio）技術、基帶（Baseband）傳輸技術、無載波（Carrier Free）技術等。美國國防部在1989年首先使用了“超寬帶”（UWB）這一術語。在2002年4月，美國聯邦通信委員會（FCC）批準了民用的超寬帶技術，該技術民用后，在通信領域得到廣泛應用的是無線個域網（WPAN），即基于UWB技術的WPAN（UWB-WPAN）。

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在我國通信行業標準YD/T 3301.x《基于脈沖的高速超寬帶無線通信技術要求 第1部分 空中接口物理層》中，給出的“脈沖體制的超寬帶（IR-UWB）”的定義是：利用納秒（ns）至皮秒（ps）級的非正弦波脈沖傳輸數據。這些脈沖鎖占用的帶寬甚至達到幾吉赫茲，因此最大數據傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒。可見，超寬帶（UWB）技術的空中接口物理層使用脈沖無線電（IR）技術是用來提高物理層的數據傳輸速率的。

2、特點

傳統的“窄帶”和“寬帶”都是采用無線電頻率，及射頻（RF）載波來傳送信號，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。相反的，脈沖無線電（IR）技術以基帶傳輸。實現方式是發送脈沖無線電（IR）信號傳送數據，每秒可發送多至10億個代表0和1的脈沖信號。這些脈沖信號的時域極窄（納秒或皮秒級），頻域極寬（數Hz到數GHz，可超過10GHz），其中的低頻部分可以實現穿墻通信。脈沖信號的發射功率都十分低，僅僅相當于一些背景噪音，不會對其他窄帶信號產生任何干擾。由于脈沖無線電（IR）系統發射功率譜密度非常低，因而被截獲概率很小，被檢測概率也很低，與窄帶系統相比，有較好的電磁兼容和頻譜利用率。

脈沖無線電（IR）技術解決了困擾傳統無線技術的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統復雜度低、厘米級的定位精度等優點。因此脈沖無線電（IR）技術體現如下表1-2所示的8個方面特點。

表1-2：脈沖無線電（IR）技術的特點

二、脈沖無線電（IR）技術的系統框圖

將傳統窄帶通信系統與脈沖無線電的收發機進行對比，可以看出兩種技術在實現方式上的明顯差別。窄帶系統一般采用正弦載波調制實現頻譜搬移，信道上傳輸的是射頻已調信號，接收機需要經過逐級下變頻之后再進行解調，以恢復原始信息；脈沖無線電則是直接將經過頻譜成形之后的寬帶窄脈沖發射出去，信道上傳輸的是基帶信號，接收機主要是一個相關檢測器，結構比傳統窄帶通信系統簡單得多。下圖2是一個典型的基于脈沖無線電（IR）技術的超寬帶（UWB）空中接口物理層發射/接收系統框圖示意。

圖2：基于脈沖無線電（IR）技術的超寬帶（UWB）空中接口物理層發射/接收系統框圖示意

三、脈沖無線電（IR）技術的相關要求

1、脈沖整形

為了使天線把信號能量有效地輻射出去，必須對所用脈沖的頻譜特性提出一定的要求（即不含直流分量，低頻分量少，信號能量主要集中在射頻部分）。因此，脈沖無線電采用高斯函數的各階導數作為發射脈沖波形（也采用升余弦），通過選擇脈沖寬度和階數獲得不同的帶寬及中心頻率位置。通過分析可以發現，高斯各階導的10 dB帶寬大致可以近似為脈沖寬度倒數的兩倍。因此當脈沖寬度低于1 ns時，就能獲得超過2 GHz的帶寬。中心頻率的位置會隨著求導次數的增加而逐漸上移。

與實際傳輸速率所對應的符號周期相比，這種納秒級乃至皮秒級的脈沖寬度往往小了幾個數量級，因此脈沖無線電傳輸的是一種低占空比的信號。利用這一特點，系統中常常使用多個脈沖來傳遞一個符號，從而獲得附加處理增益。例如假定傳輸速率為10 Mb/s，脈沖寬度為0.5 ns，脈沖重復頻率（PRF）為100 Mp/s，則一個符號可以擴散到10個脈沖上重復發送，附加處理增益將為10 dB，再考慮到20倍的占空比增益，系統獲得的總處理增益將達到13 dB+10 dB=23 dB。這種處理方式在實現上帶來的好處是在保持系統脈沖寬度和脈沖重復頻率不變的情況下，通過改變附加處理增益可以靈活地調整傳輸速率的高低，實現可變速率。

2、調制方式與多址方式

鑒于系統對功率有效性的要求比較高，脈沖無線電的調制方式一般采用二進制的脈沖相位調制（PPM）或二進制相移鍵控（BPSK）。在多址接入方式上，有跳時擴頻（TH-SS）和直接序列擴頻（DS-SS）兩種方式可選。典型的組合方案是TH-PPM和DS-BPSK。相比較而言，TH-SS的優勢在于它對遠近效應的敏感程度沒有DS-SS那么高，因為只有當不同用戶的信號脈沖正好在位置上出現重疊時遠近效應才會體現出來，從而降低了對功率控制的要求。這也許是早期的UWB系統在信號占空比很低的條件下選用了TH-SS的重要原因。不過，隨著對傳輸速率的要求越來越高，信號占空比勢必要大大增加，TH-SS的優勢已不明顯，因此DS-SS方案得到了廣泛的重視和應用。

3、功率譜密度

信號的功率譜密度特性也是決定發送方案的一個重要因素。理想的UWB信號應該近似白噪聲，即功率譜密度（PSD）應該為平坦的且幅度越低越好，這樣才不會對現有的窄帶系統造成明顯的干擾。因此，為避免對其它現存通信系統潛在的可能干擾，FCC對其輻射功率作出了嚴格的限制，將其等效各向同性輻射功率（EIRP）限制在-41.3dBm/MHz以下。周期性窄脈沖的PSD由離散譜線構成，加上PPM調制之后，功率譜得到一定的平滑，不過更強的平滑作用是通過偽隨機跳時碼實現的，而且平滑特性的好壞與偽隨機碼的選擇密切相關。如果采用BPSK調制，由于信號均值為零，功率譜中不含離散譜線，完全由高斯脈沖的頻譜決定，其平坦度與白噪聲仍有很大差距，也要通過偽隨機序列進行平滑。

四、實例

我國通信行業標準YD/T 3301.1《基于脈沖的高速超寬帶無線通信技術要求 第1部分 空中接口物理層》，對基于脈沖體制的超寬帶（IR-UWB）的物理層（PHY）進行了規范，從中可以看出以脈沖無線電（IR）技術實現UWB空中接口物理層的相關技術要求。下表4匯總了該標準物理層的相關參數，已加深對IR-UWB物理層的了解。

表4：IR-UWB空中接口的物理層（PHY）的相關參數

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脈沖無線電（IR）技術在先期是超寬帶（UWB）技術實現開銷中接口物理層的主要技術，隨著無線新技術的發展，基于載波的UWB技術應同樣得到了廣泛的應用。

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