摘要:UWB技術(shù)是目前最理想的低功耗、高帶寬的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)。UWB技術(shù)的相關(guān)研究以及應(yīng)用也成了目前研究的熱點(diǎn)話題。介紹了UWB的基本技術(shù)及相關(guān)知識(shí)，包括其定義、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、相關(guān)調(diào)制技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)。并將UWB與其他幾種技術(shù)做簡(jiǎn)單比較，突現(xiàn)了UWB在高速率傳輸、低功率發(fā)射、低功耗、大空間容量等多方面的優(yōu)勢(shì)。最后，介紹了UWB在數(shù)字家庭及無(wú)繩USB方面的應(yīng)用。

UWB（UltraWideBand）是一種短距離的無(wú)線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無(wú)線個(gè)人通信。FCC規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個(gè)是傳輸帶寬，另一個(gè)是采用不采用載波方式。從傳輸帶寬看，按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的定義：信號(hào)帶寬大于1.5G或者信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無(wú)線電信號(hào)，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個(gè)脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數(shù)Hz～數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線電波而言，相當(dāng)于噪聲，對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點(diǎn)顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

一、UWB的實(shí)現(xiàn)

UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵(lì)天線，允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，民用商品中，一般要求UWB信號(hào)的傳輸范圍為10m以內(nèi)，其傳輸速率可達(dá)到500Mbit/s以上。UWB系統(tǒng)使用間隙的脈沖來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低。在高速通信時(shí)，系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動(dòng)電話功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備功率的1/20左右。安全性方面，作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號(hào)一般把信號(hào)能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對(duì)一般通信系統(tǒng)，UWB信號(hào)相當(dāng)于白噪聲信號(hào)，并且在大多數(shù)情況下，UWB信號(hào)的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中難以檢測(cè)出脈沖信號(hào)。UWB比其它無(wú)線技術(shù)要簡(jiǎn)單得多，只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對(duì)脈沖調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個(gè)芯片上，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，大大降低了設(shè)備的成本。UWB還具有多徑分辨能力強(qiáng)、定位精確等特點(diǎn)。圖1，示出超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[4]。



圖1超寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

二、UWB脈沖調(diào)制技術(shù)介紹

目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據(jù)頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經(jīng)典的超寬帶系統(tǒng)采用基帶脈沖波形。包含從低頻到GHz頻率的連續(xù)帶寬。常見(jiàn)的如矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，只適用于學(xué)術(shù)研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達(dá)到幾GHz。設(shè)H、L和C分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率，B為相對(duì)帶寬，MB為絕對(duì)帶寬，則在B為-10dB點(diǎn)處應(yīng)有[1]：

　

或MB＞500MHz在信號(hào)調(diào)制時(shí)，可以采用單個(gè)脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調(diào)制；也可以用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制[1]。在實(shí)際中，為了降低單個(gè)脈沖的幅度，提高系統(tǒng)的抗干擾性，超寬帶脈沖無(wú)線通信系統(tǒng)往往用多脈沖調(diào)制。在多脈沖調(diào)制中，傳輸相同信息的多個(gè)脈沖稱為一組脈沖。因此，多脈沖調(diào)制的過(guò)程可以分成兩步：第一步是進(jìn)行每組脈沖內(nèi)對(duì)單個(gè)脈沖的調(diào)制。通常采用脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。PPM稱為跳時(shí)擴(kuò)譜（SpreadSpectrum）（THSS），每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時(shí)間位置。BPM稱為直接序列（DirectSequence）擴(kuò)譜（SpreadSpectrum）（DSSS），其每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性[1]。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制，通常采用脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置，BPM同時(shí)改變每組脈沖的極性。將第一步和第二步組合起來(lái)可形成多種調(diào)制技術(shù)：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。綜合考慮可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的組合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的區(qū)別是采用匹配濾波器的單用戶檢測(cè)情況下，TH/DS.BPM的性能要優(yōu)于TH SS PPM。而對(duì)TH BPM和DS-BPM而言，在速率低時(shí)，由于THSS對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒(méi)有DSSS那么高，所以，此時(shí)應(yīng)選擇TH.BPM；而在速率高時(shí)則優(yōu)先考慮DS.BPM。在采用最小均方誤差準(zhǔn)～I(xiàn)J（MMSE）檢測(cè)方式的多用戶接收機(jī)應(yīng)用情況時(shí)，兩者差別不大；但在速率比較高時(shí)，TH/DS.BPM的性能則比TH.PPM系統(tǒng)好。而利用不同SS序列之間的正交性，通過(guò)同時(shí)傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號(hào)來(lái)提高系統(tǒng)的通信速率的碼分復(fù)用（Code Divison Multiplexing，CDM）技術(shù)也被用于UWB。

 三、UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足

    1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)

    （1）傳輸速率高理論上，一個(gè)寬度趨于0的脈沖具有無(wú)限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號(hào)功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit/s-500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級(jí)。如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位，那么，理論上UWB可達(dá)1Gbit/s的速率，這樣在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

    （2）發(fā)射功率低，功耗小因?yàn)椴皇褂幂d波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過(guò)縮小脈沖寬度的同時(shí)提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過(guò)去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對(duì)其它設(shè)備造成干擾而對(duì)UWB做出的技術(shù)指標(biāo)要求）。雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，這項(xiàng)指標(biāo)隨之會(huì)降下來(lái)。

    （3）UWB通信的保密性強(qiáng)UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒(méi)在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測(cè)的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

    （4）UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點(diǎn)適合于高速移動(dòng)環(huán)境下使用。

    更重要的是，UWB通信又被稱為是無(wú)載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。可以說(shuō)，低成本、低功耗、高速率、簡(jiǎn)單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無(wú)線通信方式[4]。

    2.不足之處

    當(dāng)然，UWB通信也存在不足，主要問(wèn)題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，UWB系統(tǒng)可能會(huì)干擾現(xiàn)有其他無(wú)線通信系統(tǒng)，因此，UWB系統(tǒng)的頻率許可問(wèn)題一直在爭(zhēng)論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續(xù)時(shí)間很短，瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭(zhēng)論并不影響UWB的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國(guó)通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無(wú)線通信的申請(qǐng)[3]。