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超寬帶引言

超寬帶技術自上世紀90年代起應用于民用領域后，在國際上掀起了一股研究熱潮，被認為是下一代無線通信的革命性技術。超寬帶是指信號的- 10dB相對帶寬大于0.20或絕對帶寬超過500MHz的通信系統。UWB的這個定義并沒有限定它的數據信號的具體實現形式，既可以采用極窄的脈沖形式，也可以采用傳統的載波方式，也就是說包括了任何可以使用超寬帶頻譜的通信形式。

超寬帶的定義

UWB技術是一種與其它技術有很大不同的無線通信技術，它將會為無線局域網LAN和個人域網PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它開發了一個具有對信道衰落不敏感;發射信號功率譜密度低，有低截獲能力，系統復雜度低，能提供數厘米的定位精度等優點。UWB尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。

超寬帶的技術特點

由于UWB與傳統通信系統相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點：

(1)系統結構的實現比較簡單：當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，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。而UWB則不使用載波，它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統收發器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發射器。同時在接收端，UWB接收機也有別于傳統的接收機，不需要中頻處理，因此，UWB系統結構的實現比較簡單。

(2)高速的數據傳輸：民用商品中，一般要求UWB 信號的傳輸范圍為10m以內，再根據經過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/ s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現在已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

(3)功耗低：UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數，系統耗電可以做到很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB 設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/ 100 左右，是藍牙設備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統無線設備有著很大的優越性。

(4)安全性高：作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由于UWB 信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內，對一般通信系統，UWB 信號相當于白噪聲信號，并且大多數情況下，UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。

(5)多徑分辨能力強：由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間， 多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～ 30 dB 的多徑環境， 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。

(6)定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS 定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內； 與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達厘米級， 此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。

(7)工程簡單造價便宜：在工程實現上，UWB比其它無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本將很低。

超寬帶信號發射機、接收機基本結構

發射機和相關接收機模型

與傳統的無線收發信機結構相比，UWB收發信機的結構相對簡單。在發射端，數據直接對射頻脈沖調制，再通過可編程延時器件對脈沖進一步時延控制，最后通過超寬帶天線發射出去。在接收端，信號通過相關器與本地模板波形相乘，積分后通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中，由捕獲跟蹤部分、時鐘振蕩器和(跳時)碼產生器控制可編程延時器，根據相應的時延產生本地模板波形，與接收信號相乘。整個收發信機幾乎全部由數字電路構成，便于降低成本和小型化。

Rake接收機模型

由于UWB信號需要用時域的方法進行分析，多用于戶內密集多徑(多徑可達到30條)的條件下，而且每條路徑的信號能量都很小，難以對每條信道做出估計，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來能量很小的多徑信號經過能量合并后提高的信噪比提高系統性能。
 

超寬帶與其他幾種無線個人局域網技術的比較

由于UWB技術的種種優點，使其成為無線個人局域網絡WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技術之一。WPAN的目標是用無線電或紅外線代替傳統的有線電纜，以低價格和低功耗在10m范圍內實現個人信息終端的智能化互聯，組建個人化信息網絡。其最普遍的應用是連接電腦、打印機、無繩電話、PDA以及信息家電等設備。目前實現WPAN的主要技術有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、藍牙(Bluetooth)以及超寬帶等五種?？梢钥闯鯱WB技術的優勢較為明顯，主要不足是發射功率過小限制了其傳輸距離.也就是說，10m以內，UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸性能，對于遠距離應用IEEE802．11b或Home RF無線PAN的性能將強于UWB。UWB和同為熱門的IEEE802．11b以及Home RF不會進行直接競爭，因為UWB更多地是應用于10m左右距離的室內。事實上，把UWB看作藍牙技術的替代者可能更為適合，因后者傳輸速率遠不及前者，另外藍牙技術的協議也較為復雜。

超寬帶國內研究現狀

2001年9月初發布的“十五”863計劃通信技術主題研究項目中，把超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容，鼓勵國內學者加強這方面的研發工作。但是國內目前關于UWB技術的深入研究僅限于雷達方面，關于UWB通信系統的研究還沒有形成規模。