UWB

UWB技術是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術。它不採用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據，因此其所佔的頻譜範圍很大，儘管使用無線通信，但其數據傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒以上。使用UWB技術可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國聯邦通信委員會（FCC）對UWB技術的規定為：在3.1~10.6GHz頻段中佔用500MHz以上的帶寬。

UWB技術始於20世紀60年代興起的脈衝通信技術。UWB技術利用頻譜極寬的超寬基帶脈衝進行通信，故又稱為基帶通信技術、無線載波通信技術，主要用於軍用雷達、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統中。2002年2月，美國聯邦通信委員會發布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規定。該規定中，將相對帶寬大於0.2或在傳輸的任何時刻帶寬大於500MHz的通信系統稱為UWB系統，同時批准了UWB技術可用於民用商品。隨後，日本於2006年8月開放了超寬帶頻段。由於UWB技術具有數據傳輸速率高（達1Gbit/s）、抗多徑干擾能力強、功耗低、成本低、穿透能力強、截獲率低、與現有其他無線通信系統共享頻譜等特點，UWB技術成為無線個人局域網通信技術（WPAN）的首選技術。 ^[2] 

UWB實質上是以佔空比很低的衝擊脈衝作為信息載體的無載波擴譜技術，它是通過對具有很陡上升和下降時間的衝擊脈衝進行直接調製。典型的UWB直接發射衝擊脈衝串，不再具有傳統的中頻和射頻的概念，此時發射的信號既可看成基帶信號（依常規無線電而言），也可看成射頻信號（從發射信號的頻譜分量考慮）。

衝擊脈衝通常採用單週期高斯脈衝，一個信息比特可映射為數百個這樣的脈衝。單週期脈衝的寬度在納秒級，具有很寬的頻譜。UWB開發了一個具有吉赫茲容量和最高空間容量的新無線信道。基於CDMA的UWB脈衝無線收發信機在發送端時鐘發生器產生一定重複週期的脈衝序列，用户要傳輸的信息和表示該用户地址的偽隨機碼分別或合成後對上述週期脈衝序列進行一定方式的調製，調製後的脈衝序列驅動脈衝產生電路，形成一定脈衝形狀和規律的脈衝序列，然後放大到所需功率，再耦合到UWB天線發射出去。在接收端，UWB天線接收的信號經低噪聲放大器放大後，送到相關器的一個輸入端，相關器的另一個輸入端加入一個本地產生的與發端同步的經用户偽隨機碼調製的脈衝序列，接收端信號與本地同步的偽隨機碼調製的脈衝序列一起經過相關器中的相乘、積分和取樣保持運算，產生一個對用户地址信息經過分離的信號，其中僅含用户傳輸信息以及其他干擾，然後對該信號進行解調運算。 ^[1] 

UWB技術解決了困擾傳統無線通信技術多年的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、截獲率低、系統複雜度低、能提供數釐米的定位精度等優點。

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範圍內變化，利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB技術則不使用載波，它通過發送納秒級非正弦波窄脈衝來傳輸數據信號。UWB系統中的發射器直接用脈衝小型激勵天線，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。UWB系統允許採用非常低廉的寬帶發射器。同時在接收端，UWB系統的接收機也有別於傳統的接收機，它不需要中頻處理，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信號的傳輸範圍為10m以內，根據經過修改的信道容量公式，民用商品數據傳輸速率可達500Mbit/s，UWB技術是實現個人通信和無線局域網的一種理想調製技術。UWB技術以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，並且不單獨佔用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，UWB技術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系統使用間歇的脈衝來發送數據，脈衝持續時間很短，一般在0.20~1.5ns之間，有很低的佔空比，系統耗電很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百微瓦至幾十毫瓦。民用UWB設備的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電台耗電也很低。因此，UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，與傳統無線通信設備相比，有着很大的優勢。

4.安全性高

作為通信系統的物理層技術，UWB技術具有天然的安全性能。由於UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶範圍內，對於一般通信系統來説，UWB信號相當於白噪聲信號，並且在大多數情況下，UWB信號的功率譜密度低於自然的電子噪聲的功率譜密度，從電子噪聲中將脈衝信號檢測出來是一件非常困難的事。採用編碼對脈衝參數進行偽隨機化後，脈衝的檢測將更加困難。

5.多徑分辨能力強

由於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於多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率，由於超寬帶無線電發射的是持續時間極短且佔空比極小的單週期脈衝，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈衝要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小於脈衝寬度與傳播速度的乘積。由於脈衝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10~30dB的多徑環境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。

6.定位精確

衝激脈衝具有很高的定位精度。採用UWB技術，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。UWB技術具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS（全球定位系統）只能工作在GPS定位衞星的可視範圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超寬帶無線電定位器可以給出相對位置，其定位精度可達釐米級，此外，超寬帶無線電定位器在價格上更為便宜。

7.工程簡單造價便宜

在工程實現上，UWB技術比其他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衝，並對脈衝進行調製，而實現上述過程所需的電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本很低。

UWB系統發射和接收的是納秒級的非正弦波窄脈衝，不需要採用正弦載波而直接進行調製，接收機利用相關器件能直接完成信號檢測，這樣，收發信機不需要複雜的載頻調製解調電路和濾被器，只需要一種數字方式來產生納秒級的非正弦波窄脈衝。因此，採用UWB技術可以大大降低系統的複雜度，減小收發信機的體積，降低收發信機的功耗，易於數字化和採用軟件無線電技術。 ^[2] 

UWB技術與極短脈衝、無載波、時域、非正弦、正交函數和大相對帶寬無線/雷達信號是同義的。UWB脈衝通信由於其優良、獨特的技術特性，將會在無線多媒體通信、雷達、精密定位、穿牆透地探測、成像和測量等領域獲得日益廣泛的應用。

UWB的主要指標如下：

頻率範圍：3.1GHz~10.6GHz；

系統功耗：1mW~4mW；

脈衝寬度：0.2ns~1.5ns；

重複週期：25ns~1ms；

發射功率：<-41.3 dBm/MHz；

數據速率：幾十到幾百Mb/s；

分解多路徑時延：≤1ns；

多徑衰落：≤5dB；

系統容量：大大高於3G系統；

空間容量：1000kb/m²。 ^[1] 

UWB技術應用按照通信距離分大體可以分為兩類：

一類是短距離高速應用，數據傳輸速率可以達到數百兆比特每秒，主要是構建短距離高速WPAN、家庭無線多媒體網絡以及替代高速率短程有線連接，如無線USB和DVD，其典型的通信距離是10m；

另一類是中長距離（幾十米以上）低速率應用，通常數據傳輸速率為1Mbit/s，主要應用於無線傳感器網絡和低速率連接。同時，由於UWB技術可以利用低功耗、低複雜度的收發信機實現高速數據傳輸，所以UWB技術在近年來得到了迅速發展。它在非常寬的頻譜範圍內採用低功率脈衝傳輸數據而不會對常規窄帶無線通信系統造成大的干擾，並可充分利用頻譜資源。基於UWB技術而構建的高速率數據收發機有更廣泛的用途。 ^[2]