一、脉冲无线电（IR）技术概述
1、概念
脉冲无线电（IR，Impulse Radio）技术是超宽带（UWB）技术的另一种称谓。这是因为超宽带（UWB）技术的空中接口物理层，最早是通过脉冲无线电（IR）技术来实现的，而且现在仍然是超宽带（UWB）技术物理层实现的一种选择。
我们知道，所谓的“超宽带（UWB）技术”大约出现于20世纪60年代，当时是美国军方在使用（主要应用于雷达）。那时的该技术名称就有脉冲无线电（IR，Impulse Radio）技术、基带（Baseband）传输技术、无载波（Carrier Free）技术等。美国国防部在1989年首先使用了“超宽带”（UWB）这一术语。在2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）批准了民用的超宽带技术，该技术民用后，在通信领域得到广泛应用的是无线个域网（WPAN），即基于UWB技术的WPAN（UWB-WPAN）。
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在我国通信行业标准YD/T 3301.x《基于脉冲的高速超宽带无线通信技术要求 第1部分 空中接口物理层》中，给出的“脉冲体制的超宽带（IR-UWB）”的定义是：利用纳秒（ns）至皮秒（ps）级的非正弦波脉冲传输数据。这些脉冲锁占用的带宽甚至达到几吉赫兹，因此最大数据传输速率可以达到几百兆比特每秒。可见，超宽带（UWB）技术的空中接口物理层使用脉冲无线电（IR）技术是用来提高物理层的数据传输速率的。
2、特点
传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率，及射频（RF）载波来传送信号，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相反的，脉冲无线电（IR）技术以基带传输。实现方式是发送脉冲无线电（IR）信号传送数据，每秒可发送多至10亿个代表0和1的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄（纳秒或皮秒级），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），其中的低频部分可以实现穿墙通信。脉冲信号的发射功率都十分低，仅仅相当于一些背景噪音，不会对其他窄带信号产生任何干扰。由于脉冲无线电（IR）系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。
脉冲无线电（IR）技术解决了困扰传统无线技术的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。因此脉冲无线电（IR）技术体现如下表1-2所示的8个方面特点。
表1-2：脉冲无线电（IR）技术的特点
二、脉冲无线电（IR）技术的系统框图
将传统窄带通信系统与脉冲无线电的收发机进行对比，可以看出两种技术在实现方式上的明显差别。窄带系统一般采用正弦载波调制实现频谱搬移，信道上传输的是射频已调信号，接收机需要经过逐级下变频之后再进行解调，以恢复原始信息；脉冲无线电则是直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉冲发射出去，信道上传输的是基带信号，接收机主要是一个相关检测器，结构比传统窄带通信系统简单得多。下图2是一个典型的基于脉冲无线电（IR）技术的超宽带（UWB）空中接口物理层发射/接收系统框图示意。
图2：基于脉冲无线电（IR）技术的超宽带（UWB）空中接口物理层发射/接收系统框图示意
三、脉冲无线电（IR）技术的相关要求
1、脉冲整形
为了使天线把信号能量有效地辐射出去，必须对所用脉冲的频谱特性提出一定的要求（即不含直流分量，低频分量少，信号能量主要集中在射频部分）。因此，脉冲无线电采用高斯函数的各阶导数作为发射脉冲波形（也采用升余弦），通过选择脉冲宽度和阶数获得不同的带宽及中心频率位置。通过分析可以发现，高斯各阶导的10 dB带宽大致可以近似为脉冲宽度倒数的两倍。因此当脉冲宽度低于1 ns时，就能获得超过2 GHz的带宽。中心频率的位置会随着求导次数的增加而逐渐上移。
与实际传输速率所对应的符号周期相比，这种纳秒级乃至皮秒级的脉冲宽度往往小了几个数量级，因此脉冲无线电传输的是一种低占空比的信号。利用这一特点，系统中常常使用多个脉冲来传递一个符号，从而获得附加处理增益。例如假定传输速率为10 Mb/s，脉冲宽度为0.5 ns，脉冲重复频率（PRF）为100 Mp/s，则一个符号可以扩散到10个脉冲上重复发送，附加处理增益将为10 dB，再考虑到20倍的占空比增益，系统获得的总处理增益将达到13 dB+10 dB=23 dB。这种处理方式在实现上带来的好处是在保持系统脉冲宽度和脉冲重复频率不变的情况下，通过改变附加处理增益可以灵活地调整传输速率的高低，实现可变速率。
2、调制方式与多址方式
鉴于系统对功率有效性的要求比较高，脉冲无线电的调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制（PPM）或二进制相移键控（BPSK）。在多址接入方式上，有跳时扩频（TH-SS）和直接序列扩频（DS-SS）两种方式可选。典型的组合方案是TH-PPM和DS-BPSK。相比较而言，TH-SS的优势在于它对远近效应的敏感程度没有DS-SS那么高，因为只有当不同用户的信号脉冲正好在位置上出现重叠时远近效应才会体现出来，从而降低了对功率控制的要求。这也许是早期的UWB系统在信号占空比很低的条件下选用了TH-SS的重要原因。不过，随着对传输速率的要求越来越高，信号占空比势必要大大增加，TH-SS的优势已不明显，因此DS-SS方案得到了广泛的重视和应用。
3、功率谱密度
信号的功率谱密度特性也是决定发送方案的一个重要因素。理想的UWB信号应该近似白噪声，即功率谱密度（PSD）应该为平坦的且幅度越低越好，这样才不会对现有的窄带系统造成明显的干扰。因此，为避免对其它现存通信系统潜在的可能干扰，FCC对其辐射功率作出了严格的限制，将其等效各向同性辐射功率（EIRP）限制在-41.3dBm/MHz以下。周期性窄脉冲的PSD由离散谱线构成，加上PPM调制之后，功率谱得到一定的平滑，不过更强的平滑作用是通过伪随机跳时码实现的，而且平滑特性的好坏与伪随机码的选择密切相关。如果采用BPSK调制，由于信号均值为零，功率谱中不含离散谱线，完全由高斯脉冲的频谱决定，其平坦度与白噪声仍有很大差距，也要通过伪随机序列进行平滑。
四、实例
我国通信行业标准YD/T 3301.1《基于脉冲的高速超宽带无线通信技术要求 第1部分 空中接口物理层》，对基于脉冲体制的超宽带（IR-UWB）的物理层（PHY）进行了规范，从中可以看出以脉冲无线电（IR）技术实现UWB空中接口物理层的相关技术要求。下表4汇总了该标准物理层的相关参数，已加深对IR-UWB物理层的了解。
表4：IR-UWB空中接口的物理层（PHY）的相关参数
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脉冲无线电（IR）技术在先期是超宽带（UWB）技术实现开销中接口物理层的主要技术，随着无线新技术的发展，基于载波的UWB技术应同样得到了广泛的应用。
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