超寬帶無線通信

隨着無線通信技術的發展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶（UWB）技術的出現，實現了短距離內超帶寬、高速的數據傳輸。其調製方式和多址技術的特點使得它具有其他無線通信技術所無法具有的很寬的帶寬、高速的數據傳輸、功耗低、安全性能高等特點。本文介紹了UWB的主要技術特點，並把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通信技術進行了比較，最後對UWB的應用前景進行了分析與展望。

無線通信技術是當前發展最迅速、最具活力的技術領域之一，在這個領域中，各種新技術、新方法層出不窮。其中，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是在20世紀90年代以後發展起來的一種具有巨大發展潛力的新型無線通信技術，被列為未來通信的十大技術之一。

1990年3月，在美國新墨西哥州的Los Alamo國家實驗室召開的超寬帶雷達會議上提出了“超寬帶（UWB）雷達”的概念。超寬帶雷達是一種新體制的雷達，它定義為：分數帶寬（FBW，Fractional Band-Width）大於25%的雷達為超寬帶雷達。

UWB是一種“特立獨行”的無線通信技術，它將會為無線局域網LAN和個人局域網PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬並且相對簡單的無線通信技術。UWB具有以下特點：

UWB信號，在發射時將微弱的無線電脈衝信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低於普通設備產生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。

UWB的數據速率可以達到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高於藍牙100倍，也可以高於IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，並且可以和目前的窄帶通信系統同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開闢了一種新的時域無線電資源。

因為不需要產生正弦載波信號，可以直接發射衝激序列，因而UWB系統具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利於與其他系統共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統容量。

在短距離的通信應用中，超寬帶發射機的發射功率通常可做到低於1mW，從理論上而言，超寬帶信號所產生的干擾僅僅相當於一寬帶的白噪聲。這樣有助於超寬帶與現有窄帶通信之間的良好共存，對於提高無線頻譜的利用率具有很大的意義，更好的緩解日益緊張的無線頻譜資源問題。並且超寬帶信號的隱蔽性較強，不容易被發現和攔截，具有較高的保密性 ^[1]  。

UWB保密性表現在兩方面：一方面是採用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低。用傳統的接收機無法接收。

信號傳輸受到距離的影響和高頻信號強度會衰減很快，因此超寬頻帶的使用更加適用於短距離之間的通信。

因為其採用的是持續時間極短的窄脈衝，所以其時間上和空間上的分辨率都是極強的，方便進行測距、定位、跟蹤等活動的開展，並且窄脈衝具有良好的穿透性，所遇超寬帶在紅外通信中也得到廣泛的使用。

此技術使用基帶傳輸，無需射頻調製和解調，因此其設備功耗小，成本也較低，靈活的使用特性也使其更適合於便攜型無線通信的使用。

單頻帶系統僅使用單一的成形脈衝進行數據傳輸，其信號帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強。但由於信號的時間彌散嚴重，接收機的複雜度較高。此外，為解決共存性問題，避免與帶內窄帶系統的干擾，該系統採用的濾波器也是比較複雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經過DS-CDMA擴頻之後的信號再對載波進行調製，從而可以在合適的頻帶範圍內傳輸。傳統的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規定的發射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過頻譜搬移解決了這一難題。

多頻帶系統是指將規劃UWB的整個頻段劃分成若干個子帶。使用部分或全部子帶進行數據傳輸。信號成形和數據調製在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統窄帶系統使用頻段。多頻帶系統根據調製方式分為多帶脈衝無線電和多帶正交頻分複用兩種方式。其多址問題採用跳頻技術來解決。相對於符號速率又可分為快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多頻帶聯盟提議將UWB頻帶分為最少三個頻段。並採用正交頻分複用（OFDM）方式將三個頻段進一步分為大量的窄通道。

從技術上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協的。對無線電頻率管理來説，有兩個基本的原則：一是新的無線電技術不得對已有的無線電台（系統）造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護要求，即要能忍受已有無線電台的各種干擾。DS-CDMA因為使用整個3.1～10.6GHz頻段，包括傳統無線技術使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個頻率子帶可以很方便地避開這些頻率。

同傳統結構相比，UWB接收機的結構相對簡單，圖1給出了UWB發射和接收機的系統框圖。在UWB收發信機中，信息可被不同技術調製，在接收端，天線收集信號能量經放大後通過相關接收後處理，再經門限檢測後獲得原來信息。相對於超外差式接收機來説，實現相對簡單，沒有本振、功放、PLL（鎖相環）、VCO（壓控振盪器）、混頻器等，成本低，而且UWB接收機可全數字化實現，採用軟件無線電技術，可動態調整數據率、功耗等。

由於UWB通信利用了一個相當寬的帶寬，就好像使用了整個頻譜，並且它能夠與其他的應用共存，因此UWB可以應用在很多領域，如個域網、智能交通系統、無線傳感網、射頻標識、成像應用。

UWB可以在限定的範圍內（比如4m）以很高的數據速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍牙好很多。藍牙的數據速率是1 Mbit/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無線外設訪問來傳輸照片、文件、視頻。因此UWB特別適合於個域網。通過UWB，可以在家裏和辦公室裏方便地以無線的方式將視頻攝像機中的內容下載到PC中進行編輯，然後送到TV中瀏覽，輕鬆地以無線的方式實現個人數字助理（PDA）、手機與PC數據同步、裝載遊戲和音頻/視頻文件到PDA、音頻文件在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。

利用UWB的定位和搜索能力，可以製造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易駕駛。當汽車的前方、後方、旁邊有障礙物時，該雷達會提醒司機。在停車的時候，這種基於UWB的雷達是司機強有力的助手。利用UWB可還以建立智能交通管理系統，這種系統應該由若干個站台裝置和一些車載裝置組成無線通信網，兩種裝置之間通過UWB進行通信完成各種功能。例如，實現不停車的自動收費、汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取、站台方對移動汽車的定位搜索和速度測量等。

利用UWB低成本、低功耗的特點，可以將UWB用於無線傳感網。在大多數的應用中，傳感器被用在特定的局域場所。傳感器通過無線的方式而不是有線的方式傳輸數據將特別方便。作為無線傳感網的通信技術，它必須是低成本的；同時它應該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無線傳感網通信技術的最合適候選者。

由於UWB具有好的穿透牆、樓層的能力，UWB可以應用於成像系統。利用UWB技術，可以製造穿牆雷達、穿地雷達。穿牆雷達可以用在戰場上和警察的防暴行動中，定位牆後和角落的敵人；地面穿透雷達可以用來探測礦產，在地震或其他災難後搜尋倖存者。基於UWB的成像系統也可以用於避免使用X射線的醫學系統。

由於UWB有着很多優點，它還可以用於智能標識、有線網絡的無線延伸以及在軍事方面用來實現超保密的通信系統。