超宽带信号应用综述
控制科学与工程系 孙豫斌
摘要：超宽带（UWB）信号因其硬件实现及信号处理面临的困难，自提出以来，仅在军事应用领域和学术上被研究。随着近年来软硬件技术的发展尤其是高速计算机技术的发展，使得对UWB信号的数值化处理成为可能。从2002年美国FCC（联邦通信委员会）专门划分民用超宽带信号频段后，UWB信号因为其占据很宽的频谱范围，因具有高距离分辨率、强穿透力及携带目标体信息量大等优点，在通信、雷达、地下目标识别、穿墙探测、生物医学成像、遥感、无损检测等众多领域里受到日益关注。本文拟对UWB信号在通信、雷达等方面的应用原理、数据处理方法以及当前的研究热点进行简要介绍，以方便从事研究的人员对UWB信号建立概要认识。
一、超宽带信号的定义及超宽带系统的实现
超宽带(UltraWideBand，UWB)电磁脉冲技术出现于上世纪60年代，在对原子弹爆炸中产生的“电磁炸弹”的研究中，逐渐发展了对瞬态电磁场的研究。美国军方于1990年针对常用的窄带信号、宽带信号首先明确提出了超宽带信号的概念，其对UWB信号的定义是信号的相对带宽（Fractional Bandwidth）大于25%的任意信号,即：（fH-fL）/FC≥25%。2002年4月，美国FCC给出了“超宽带”的两种定义。第一种定义对军方的定义作了两点修改，一是信号的带宽是指10dB带宽，即低于信号最大发射（包括天线的影响）10dB处的高端和低端频率；二是信号的相对带宽大于、等于20%。第二种定义是信号的10dB带宽大于或等于500MHz，而不管相对带宽是多少。
超宽带系统有2种实现方式:一种是通过脉冲无线电技术(Impulse Radio，IR)，即发送时间宽度极窄的脉冲，称为IR-UWB系统，另一种是利用多载波技术(Multicarrier)，称为MC-UWB系统。在本文中以下内容仅就时间宽度极窄脉冲信号进行分析，不涉及多载波技术内容。
二、几种典型UWB信号的数学描述、波形及其频谱分布
理想的UWB信号的频谱特征如图1所示，在超宽的能量带宽（fl，fh）内，电磁波的能量较为均衡，最好是能量频带上下限也可人工调整，以适应具体探测对象。
图1
但在实际工作中，辐射信号的能量也是有限的，脉冲的宽度不可能无限窄，要受到计算方法的限制和计算机计算能力等的影响。综合所查阅的文献，在各国
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研究UWB信号的过程中，逐步发展了一些UWB信号的数学描述，主要有：
1、高斯脉冲信号：f(t)=exp(-4π（t-t0）2/τ2），其中t0、τ参数可以控制信号脉冲宽度及幅度。
图2
2、由于高斯脉冲信号含有能量很大的直流信号，因此常用的一般是一阶或高阶微分高斯脉冲信号，其中一阶高斯脉冲为：f(t)= (t-t0)/τ exp(-4π(t-t0)2/τ2）。
图3
3、截断三弦正脉冲信号：f(t)= ??15?1sin(?1t)?6?2sin(?2t)??3sin(?3t)? ，其中τ≥t≥0。τ为脉冲宽度，ωi=2iπ/τ，i=1,2,3
图4
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4、Bachman-Harris窗函数信号：f(t)= T为脉冲周期。
3?a0ncos(2n?t/T)，其中，T≥t≥0，
图5
5、宽带雷克子波：f(t)={fhexp[-π2fh2(t-t0)2]- flexp[-π2fl2(t-t0)2]}/ (fh-fl)，其中fh、fl
为低于信号最大发射10dB处的高端和低端频率，t0控制脉冲宽度。
图6
三、UWB超宽带信号在通信系统中的应用
1993年R.A. Scholtz在IEEE MILCOM'93会议中提交的论文：Multiple Access with Time-Hopping Impulse Modulation中归纳了UWB信号用于通信的特点，计算了理想条件下UWB通信系统多址通信容量，并描述了这种新兴的基于UWB信号的通信系统的设计，从而开创了UWB信号用于通信之路。下图为R.A. Scholtz在理想条件下计算的在一定误码率下，不同通信速率中能容纳的用户数。
图7
与传统的窄带通信系统不同，UWB通信技术应用高速发射极窄脉冲（美国的UWB系统可以实现每秒发射100万个脉冲），具有占用带宽极大、功率谱密度很低等特点，这使得UWB技术具备诸多特点，可归纳为如下几个方面。
(1)大信道容量和高速数据传输。
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(2)多径分辨力强。在时域上，UWB信号通信采用脉冲仅为ns级、ps级的窄脉冲，因此多径传播时具有很高的时间分辨率。常规窄带信号的持续时间一般大于多径时延扩展，多径分量会互相交叠而形成严重的多径衰落。而UWB脉冲信号持续很短，这种可分辨的多径分量不会相互叠加。因此，多径衰落不像窄带系统那样严重。从频域上看，UWB带宽很大，会出现频率选择性衰落，但仅在整个带宽的某些频点出现，衰减的能量是总能量的很小部分。另外，由于多径可分辨，易于采用RAKE接收技术来提高系统性能。
(3)具备隐蔽性、抗干扰能力和共存通信能力。UWB信号在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声，因此UWB信号具备隐蔽性和低截获能力(LPD，Low Probability of Detection)，适用于军事通信和重叠通信等应用。同时，与UWB带宽相比，窄带系统产生的干扰都在较小的带宽内，使得UWB系统抗干扰能力较强，而对UWB功率谱密度的限定使其对现有系统的干扰也较小，因此UWB通信系统能与现有系统较好的共存。
(4)系统结构简单、设备功耗低。基于脉冲方式的UWB通信系统，无需采用传统窄带系统的射频载波电路，简化了复杂的调制解调电路，因此系统复杂度大为降低，能减小收发端设备的体积和成本。UWB信号只是发出瞬间脉冲电波，脉冲持续时间很短，一般在1ns以内，并且占空比很小，因此UWB设备功耗低，电磁波辐射对人体的影响也很小。
(5) 灵活的多址和组网能力。UWB无线系统发送占空比很低的窄脉冲，可采用跳时(TH)和扩频等方式实现灵活的多址功能，这也提高了用户数量。此外，UWB满足低成本、低功耗的设计要求，适合于多种网络组网时的物理层应用技术。以无线传感器网络(WSN)为例，UWB技术可以很好的解决其关于体积、成本和功耗的难题，特别适合于微小传感器节点的需求。
(6) 相对于码分多址通信，超宽带时分多址通信技术的优点有：一是远近效应问题要小的多（强脉冲和弱脉冲碰巧冲突的时候才会有）；二是从调制的观点看，因为其纳秒级的脉冲宽度，所以具有很好的时间分辨率，好处是多径传播可以简单有效的得以区分，而其坏处则是对按时间分辨率划分的网格信号处理技术提出了巨大挑战。
UWB通信的调制技术。在UWB通信中可应用一般的调幅、调频等调制方法通信，也可应用跳频、直接序列扩频等通信方式，在超宽带冲激无线电系统（IR-UWB）中，我们用信息符号对脉冲进行调制，其调制的方式可以有很多种，最基本的数据调制方式有：脉冲幅度调制（PAM）、脉冲位臵调制（PPM）、开关键控（OOK）、发射参考调制（TR）与二进制相位调制（BPM），其中，脉冲位臵调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）是最常用的两种调制方式。
四、超宽带技术在定位、跟踪中的应用
无线信号的距离分辨力与信号的带宽有直接关系，由于信号的宽带特性，UWB系统的距离分辨精度要比现有无线系统高的多。UWB采用的脉冲宽度为纳秒或亚纳秒级，在理论上可以达到厘米级甚至毫米级的测距定位精度，在精确定
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位应用中具有极大潜力。此外，UWB系统能完成定位与短距离高速通信的融合，这极大地扩展了系统的应用范围。其他如微波/毫米波雷达、超声波、红外和激光都可用于定位，和这些技术相比，UWB定位技术能够完成复杂场景下定位，如多径传播、遮挡环境等，并能支持移动性。
此外，在具有相同带宽的无线信号中，超宽带信号中富含低频分量，因此相对于毫米波和红外等信号具有更强的穿透能力。有实验系统表明，UWB无线技术具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。这一特点为UWB在复杂场景下的定位、跟踪提供了有力支持。应用UWB技术可以解决小范围的定位和跟踪问题，应用UWB技术制作的定位器可以作为GPS和E911(美国基于固定电话和移动电话定位)系统的重要补充，它可以在室内实现对移动物体的精确跟踪，精度在几厘米内。还可以用于跟踪贵重物品以确保安全和有效的使用。
在灾害救助生命搜索领域，可以应用超宽带电磁探测技术建立一种新型的、有效的灾害救助理论与方法技术，由于探测器可以检测人的心跳和呼吸等信息，也可以用于无接触身体检测或灾害中幸存人员的搜救中，国外已有将其成功应用于生命救助探测与定位的实例。
五、UWB信号在雷达中的应用
现代高科技战争对雷达装备的功能和性能提出了越来越高的要求。一方面要求雷达具有多功能、多目标探测、跟踪、识别的能力，另一方面要求雷达具有高灵敏度、接收微弱信号的能力。总体来说，就是希望从雷达观察的空域和海域获得丰富的高质量信息。而传统雷达信号带宽较窄难以提供更多的目标信息，因此，1990年3月在美国新墨西哥州的LosAlam。国家实验室召开的超宽带雷达会议上提出了“超宽带(UWB:Ultrawideband)雷达”的概念。
UWB雷达自提出之后研究在国际上倍受重视，美国国防部重点技术计划中，连续多年把超宽带雷达列为高灵敏度雷达技术研究计划项目中的重点课题。许多著名大学和实验室，如美国MrrLincoln实验室、LosAlamos国家实验室、ohio州立大学、Georgia理工学院，英国RS既实验室等开展了超宽带雷达的研究工作川。从目前的研究报告来看，在超宽带雷达研究中，美国走在前列，它已研制成能投入应用的超宽带雷达系统，并在理论和试验上对超宽带电磁散射、系统设计、信号处理等方面进行了全面研究。
超宽带雷达根据发射信号波形不同可分为两种主要类型，一类是发射无载频纳秒级脉冲的冲击雷达，也称为无载波雷达、非正弦波雷达、基带雷达等。冲击雷达信号的带宽常从直流到GHz量级，它对目标的分辨更加精细和灵敏，可用作探地雷达及穿墙雷达。
另一类是UWB微波雷达，UWB微波雷达采用一些常用的雷达信号，如线性调频LFM，伪随机编码、频率步进信号等，它的载频一般在GHz频段。微波UWB雷达的优点在于其杂波抑制是通过探测运动目标在脉冲与脉冲之间的位臵变化来实现，而不是象传统MTI雷达和多普勒雷达那样，通过多普勒频移来实现。这种区域动目标显示也称之为非多普勒动目标显示NMTI)。NMTI的工作原
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