超宽带通信技术及其军事应用前景*

程　宇　冉建华

(1.海军驻武汉地区通信军事代表室　武汉　430205)(2.武汉船舶通信研究所　武汉　430205)



超宽带通信技术及其军事应用前景*

程宇1冉建华2

(1.海军驻武汉地区通信军事代表室武汉430205)(2.武汉船舶通信研究所武汉430205)

摘要文章介绍了超宽带通信技术及其国内外发展情况,分析了其技术优势和关键技术,最后对其军事应用前景进行了探讨。

关键词超宽带; 高速率; 超窄脉冲; 军事应用

Introduction and Military Application of Ultra Wide Band Communication Technology

CHENG Yu1RAN Jianhua2

(1. Navy Representative Office of Communication in Wuhan, Wuhan430205) (2. Wuhan Marine Communications Research Institute, Wuhan430205)

AbstractThe paper introduces development status of civil and overseas, and analyses the advantage and key technology. In the end, the paper discusses its prospect of military application.

Key Wordsultra wide band, high rate, ultra-short pulse, military application

Class NumberTP393

1引言

超宽带(Ultra Wide Band,UWB)通信具备高速率、难检测、低功耗、低成本等技术优势,是军事通信领域中新的研究热点之一。超宽带通信是指频谱绝对带宽大于500MHz,或者频谱相对带宽大于中心频率25%的通信方式。根据香农定理,带宽的增加会带来通信容量的线性增加,而通过增加功率的方式来提高通信容量,需付出的代价将成指数倍增长。

超宽带通信所用频谱极宽,但战场频谱资源总是有限的,用户或战术业务的通信手段只能以频分复用(FDMA)、时分复用(TDMA)、码分复用(CDMA)、空分复用(SDMA)等方式占用有限的频谱资源。如图1,某具体用户及战术业务所能获得的通信容量取决于通信时间、空间、带宽、功率等要素确定的信号体积。

图1　几种通信方式的信号体积

超宽带通信可分为无载波“冲激无线电”(IR-UWB)体制、单载波超宽带(SC-UWB)体制和多载波超宽带(MC-UWB)体制。其中,MC-UWB方式充分利用时间-带宽信号体积实现高速数据传输(典型值为480Mbps);而IR-UWB方式不需载波调制,而是采用极低占空比的超窄脉冲在极宽频段上进行通信,可以实现隐蔽通信并且降低了系统成本,但在时间域上做出了牺牲,通信容量受到限制(几百Kbps到几十Mbps);为便于电路和天线等达到较好的频率响应特性,并且实现FDMA,在IR-UWB的基础上进行载波调制,造就了SC-UWB方式。

2超宽带通信技术现状

UWB技术作为一项科学研究始于1960年代的时域电磁场理论,随着科学技术的发展逐步应用于雷达和军事通信系统。1990年美军方公开发表了UWB技术的评估报告,1994年以后部分取消了对此技术的保密限制,使之在军事需求和商业市场的推动下加快了进程。2002年FCC(美联通信委)发布了对UWB技术的第一个报告和命令,正式允许UWB设备的商业运作,确保了美国在这一新技术上的国际领先地位。俄罗斯与美国的初始研究基本同步。

美军方对UWB通信系统的开发研制非常重视,近二十年来一直资助Time Domain、MSSI(Multispectral Solutions)等公司的研制开发,已经研制建立了几个超宽带原型演示系统。Time Domain公司的全双工1.3GHz系统,平均输出功率为250μW,数据速率为39kbps或156kbps,传输距离为10英里;其全双工1.7GHz无线话机,平均功率为2mW,传输速率为32kbps,传输距离为900m,测距精度达到3cm范围;其单工2.0GHz数据链路,平均输出功率为50μW,数据速率为5Mbps[1]。

MSSI公司在UWB技术开发领域也处于世界领先地位。该公司的ORION VHF频段UWB无线通信系统工作在30MHz～88MHz,50%的相对带宽,峰值功率为120W,利用贴近地面和海面传播的表面波或地波来完成超视距通信,陆地传输距离达8英里,海面传输距离可达60海里,数据数率为850kb/s,可同时传输压缩音频和视频信号。

MSSI公司的ORION L频段UWB手持式无线电系统工作于L频段(1GHz～2GHz),30%的相对带宽,峰值功率0.8W,其最大分组突发传输速率1Mbps,传输距离为1km。

MSSI公司的AWICS舰内无线通信系统在20世纪90年代由美国海军资助,该系统采用全双工TDMA方式,工作于L频段,-3dB瞬时带宽为400MHz,实现64kb/s的CVSD(连续可变斜率增量调制)数字话音传输,8个用户可同时工作。

MSSI公司的DRACO系统是具有低截获率(LPI/D)功能的UWB Ad Hoc多用户无线电系统,工作于VHF/UHF频段,传输距离可达1km～2km,数据速率为115.2kbps～1.544Mbps。该系统可组成10个节点的战术无线网络,提供数字话音、数据和视频业务,被认为是Ad Hoc网络发展的里程碑。

目前相关的电子器件已发展到相当水平,Time Domain公司已研制出用于UWB通信的芯片组PulsONTM,目前已开发出第三代芯片PulsON210。该芯片能实现通信,也能实现定位和跟踪,且能应用于双基站雷达系统。Time Domain公司和MSSI公司还研制了UWB原型演示系统。阶跃恢复二极管能够产生20V～200V,持续时间为60ps～200ps的脉冲;漂移阶跃恢复二极管能够产生峰值功率100mW量级的亚纳秒脉冲。UWB天线的发展也丰富多彩,许多国家已开发了几吉赫兹甚至十几吉赫兹带宽的小型微波天线。

我国非常重视UWB技术的发展,2001年9月,在国家863计划中鼓励国内学者加强这方面的工作。2005年11日11,全国超宽带无线通信技术学术会议在南京召开,国家自然科学基金也发布了一系列有关UWB的研究项目。中国企业展示并推出了超宽带高清电视和家庭媒体中心等产品和系统。目前国内的常州唐恩软件科技有限公司,提供了基于UWB技术的高精度定位系统,可在室内环境实现三维15cm的高精度定位,为目前无线电实时定位领域最先进的定位系统。

国内在超宽带技术的研究方面取得的成果主要集中在UWB信号的产生和有效辐射等物理层技术上。电子科技大学应用所在大功率窄脉冲发生器,超宽带天线等方面取得了进展。国防科技大学、南京船舶雷达研究所开展了微功率冲击雷达研究。我军在UWB通信方面的研究起步比较晚,军用超宽带通信仍处于研究阶段,已有一定基础,尚有机会赶上国际步伐。

3超宽带通信关键技术

与窄带系统相比,超宽带通信系统需要克服一些特殊的技术难题,主要是极大的带宽范围和对应的极小的时间分辨率。

1) 高速信号处理技术

MC-UWB超宽带通信的传输速率已达到几百兆bps,未来可达千兆bps,对信号处理速度的要求极高。常规的解决办法是采用高速大规模FPGA和阵列处理技术,但仍然面临速度极限和成本急剧上升的困难。

MC-UWB超宽带通信采用OFDM技术实现高传输速率,OFDM系统的调制和解调可以分别通过FFT/IFF来实现。如图2所示[2],OFDM超宽带系统使用100个子载波,同时对100个子载波进行FFT/IFF运算,其峰值运算量极高,即使采用FPGA进行运算,硬件开销也难于接受。

为此可以借鉴光信息处理技术。光通信速率可达100Gbps以上,需要采用光学运算器件克服电子电路的速度限制(即“电子瓶颈”)。基于光OFDM(O-OFDM)技术,电子科技大学已提出一种全光FFT(OFFT)变换的8×112Gb/s全光OFDM传输方案,光信息处理技术可以满足MC-UWB超宽带通信对高速信号处理的要求。

图2　OFDM超宽带信号处理示意图

2) 超窄脉冲产生技术

对于IR-UWB和SC-UWB超宽带通信,需要产生持续时间为1ns量级信号脉冲,作为信息调制的载体,脉冲幅度和脉冲宽度都难于实现。因此,产生可控的超窄脉冲是超宽带通信的关键技术之一。

利用阶跃二极管可得到较为陡峭的脉冲(10ps左右),由于器件性能限制,脉冲输出幅度较小(几伏量级),常用于微功率雷达等应用。隧道二极管能够产生25ps左右的脉冲宽度,脉冲幅度在0.25V～1.0V之间,需要后级放大。晶体三极管工作在雪崩区时,集电极与发射极之间对外电路呈现负阻特性,在动态形式下可以存储与释放能量,产生极窄脉冲。显然,模拟电路是利用电路或器件的特性产生极窄脉冲,电路简单但灵活性差[1]。

利用FPGA实现数字逻辑关系,将一个宽脉冲经可控的多级门延迟后与原信号异或,输出脉宽超窄脉冲的宽度取决于门电路的延迟和级联情况,超窄脉冲的间隔取决于宽脉冲的宽度,FPGA可编程特性提供了输出超窄脉冲的周期和宽度的可控性,给实际工程设计应用带来极大的方便。例如,采用20个门单元进行级联,每个门单元的延迟是50ps,则可以获得50ps～1000ps的时延调整范围,能够满足一般超宽带信号(1ns量级)产生的需要。

3) 超宽带数据采样技术

依据奈奎斯特定律,对纳秒级的脉冲信号进行采样,采样速率需达到2GHz以上,当前器件水平很难达到,一般采用简介的方法实现超宽带数据采样。

· 时域并行采样:利用多个采样通道,在所需的采样周期内等间隔地依次对同一信号脉冲进行采样。在一个采样周期内,每个通道只进行一次采样,但总的采样次数满足采样率要求。该方法的难点是解决多个通道的采样点相位准确性问题。

· 频域并行采样:利用一组带通滤波器将信号脉冲分成多个并行的频率子带,然后利用多个ADC分别对这些子带进行采样,最后将M个采样数据合成一个超宽带采样信号。这种方法所使用的滤波器在带内平坦度、带外衰减及滤波器之间交叠等方面有很高的要求,因此这种滤波器组设计难度大,且结构非常复杂,不利于推广使用。

· 1bit采样:用一个门限比较器(如FPGA的差分比较器端口)作为1bit的AD器件,将信号脉冲经过门限比较器后,得到1和0的高速数字脉冲,然后用类似时域并行采样的方法,对高速数字脉冲进行串并转换,降低对数据存取速度的要求,最后在FPGA中还原出1和0的高速数字序列,对采样结果进行处理。

· 欠采样:Vetterli和Marziliano等首先提出了信号新息率的概念,并给出了一种有限新息率采样方法。超窄脉冲时间极短,频谱极宽,进行带通采样后,恢复的脉冲序列保留了位置信息,但时间上产生了展宽,而根据脉冲序列的位置信息即可解出数据信息,没有必要象传统信号处理那样采样到脉冲的全部信息。根据带通采样定理,采样频率高于所需(展宽脉冲的)最低频率几倍即可以恢复出原有信息,对于占空比为1/100的1ns超宽带信号脉冲序列,选择欠采样频率为150MHz即可实现采样。

4) 精确定时技术

IR-UWB超宽带通信系统属于时域信号处理系统,其信息载体是持续时间为纳秒级的窄脉冲信号。要对发射的窄脉冲信号进行时间延迟调制和相关接收,必需要求时钟定时精确度达到亚纳秒级甚至皮秒级。

精确定时的核心就是利用延时电路产生精度高、时间可控的延时。目前用于产生精度较高的时间延迟方法主要有斜坡比较法和可编程延时法[3]。斜坡比较法如图3,两路斜坡发生器输出线性变化的电压信号,经过比较器后输出延时步进信号,步进量ΔT比T小一个数量级。斜坡比较法产生的延时不具可控性,不能用于延时时间伪随机变化的PPM调制。用DAC代替斜坡比较法的一路斜坡发生器,则控制数据经DAC输出可控的门限电平,比较器输出延迟可控的延时脉冲,延时精度ΔT=T/(2N-1),取决于DAC的位数N和斜坡信号的周期T,最大延时即等于T。

图3　步进脉冲信号实现精确定时

最简便的办法是采用专用集成电路。PlusON是美国Time Domain公司为满足超宽用户而开发的一款集成电路,它能够实现50ns内延时精度为3ps的任意时间延时。

4技术优势及军事应用前景

超宽带通信具有许多传统无线通信技术无法比拟的优势,并且某些技术特征具备很高的军事应用价值。

1) 传输速率高

超宽带通信具有很高的数据传输能力,特别是在短距离上,可高达数百Mb/s,随着半导体器件水平的提高、光信息处理技术的引入以及阵列处理技术的应用,超宽带通信具有支持高容量无线通信的巨大潜力。

超宽带通信的高速数据传输能力适用于高速骨干网、星间数据链、侦察/监视数据链等大容量通信需求,在短距离通信中替代传统的铜线电缆实现设备之间的数据互连,缓解无人机、战斗机等小型平台对设备减重的苛刻要求,或者在设备参数加载维护中替代连接电缆(如无线USB应用),提高效率并增加操作的自由度。

2) 可与其他系统共享频谱资源

与传统无线通信技术相比,UWB具有很宽的频谱,因此发射的功率谱密度可以非常低,FCC规定的电磁兼容背景噪声为-41.3dBm/MHz,许多窄带系统可以在此条件下正常工作,所以,短距离UWB无线通信系统与其它窄带无线通信系统可以共存[4]。在频谱资源紧张、电磁兼容问题复杂的现状下,UWB系统更易于在现有平台上进行系统集成。

3) 截获率低

由于UWB发射功率谱密度很低,信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中,用传统的接收机无法接收和识别,具有隐蔽性好、截获率低、保密性好等突出的优点,这是其在军事通信领域得以应用的一大原因,同时也能很好地满足现代通信系统对安全性的要求。

隐蔽性好、截获率低、保密性在军事通信中极为重要,而常规设计方法需付出极高的代价才能实现,因此UWB通信前景广阔。短距离UWB系统的这一特征更为明显,发射功率谱密度低于敌方进行远距离探测所需的物理极限。远距离通信必须突破功率限制,可采用定向通信方式保留UWB通信截获率低的优势。

4) 抗多径能力强

对于IR-UWB和SC-UWB系统,由于无线电信号发射的冲激脉冲宽度仅为纳秒量级,并且占空比极低,系统有很强的多径分辨力,高分辨能力使落入最小可分辨间隔内的多路径条数大大减小,而可分辨的多路径数目则大大增加,使其有很强的抗多径衰落的能力,且很适和采用Rake接收技术[2]。

多径效应在室内、舰船甲板和复杂地形环境中对高速数据通信有极大影响,UWB技术可以克服这一限制并提供高速数据通信,解决窄带系统的技术难题。

5) 系统结构简单

IR-UWB不需要传统通信所需要的变频器,本地振荡器、混频器等,因此体积小,系统的结构比较简单。IR-UWB信号的处理也比较简单,只需使用很少的射频或微波器件,天线小巧并可内置,特别适于便携式单兵通信、分布式传感器等小型化、低成本应用。

6) 功耗低

对于IR-UWB和SC-UWB系统,由于冲激脉冲宽度仅为纳秒量级,可以用极低的占空比实现较高的传输速率,所以平均发射功率很低,在实现同样传输速率时,功率消耗仅有传统技术的1/10～1/100。即使采用全向天线,1mW的平均发射功率也可实现几公里的通信。低功耗特点适于便携式单兵通信、分布式传感器、免维护监视设备、无人机、卫星等战术平台应用。

7) 定位能力强

信号的距离分辨力与信号的时间分辨率成反比。对于IR-UWB和SC-UWB系统,由于冲激脉冲宽度仅为纳秒量级,其对应的距离分辨能力可高达厘米量级,这是其它窄带系统所无法比拟的。这使得超宽带系统在完成通信的同时还能实现准确

定位跟踪,定位与通信功能的融合极大地扩展了系统的应用范围。

信息化装备已经出现雷达、通信、导航、识别等技术融合的趋势,超宽带通信技术同时在通信、定位、安全等方面具有极高的性能,适用于作战人员、舰艇编队、飞机编队的相互协同通信、定位,甚至将精确定位功能用于无人机测控和舰载机的着舰。

8) 信号穿透能力强

IR-UWB信号具有很强的穿透能力,已被雷达用于穿透树叶和建筑墙体进行探测,但同样可以利用这种传播特性进行通信,克服环境障碍对通信的影响[5]。穿透能力强的特点使超宽带通信特别适于作战分队在复杂地形、丛林和建筑环境中行动时提供通信和协同定位保障。

5结语

超宽带通信具有许多传统无线通信技术无法比拟的优势,如何将其用于军事通信,需要研究、试验和实际运用才能得出可靠的结论。超宽带通信技术在国外只有美国等少数国家形成军事装备,国内的军事应用还处于开发和试验阶段,还有很多的技术问题和工程实现瓶颈需要克服。本文仅对此做了初步探讨,望批评指正。

参 考 文 献

[1] 王鹏毅.超宽带隐蔽通信技术[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2] 张中兆,沙学军,张钦宇,等.超宽带通信系统[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3] 费元春.超宽带雷达理论与技术[M].北京:国防工业出版社,2010.

[4] 刘丹谱.超宽带无线通信技术[J].中兴通信技术,2004(3):16-19.

[5] 贺鹏飞.超宽带无线通信关键技术研究[D].北京:北京邮电大学学位论文,2007.

中图分类号TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.002

作者简介:程宇,男,工程师,研究方向:数据通信。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月27日