【文章內(nèi)容簡介】 可見， UWB 信號的帶寬不同于通常所定義的 3dB 帶寬。根據(jù)香農(nóng)信道容量 11 公式 : 2 0PB log BNC= （ 1+ ） (式中 B 為信道帶寬， 0N 為高斯白噪聲功率譜密度，P 為信號功率 )?？傻?，增大通信信道容量有兩種實現(xiàn)方法：一是通過增加信號功率 P，二是增加傳輸帶寬。 UWB 技術(shù)就是通過后者來獲得非常高的傳輸速率。 UWB 的技術(shù)特點 [1] 發(fā)射功率低 UWB 無線通信系統(tǒng)發(fā)射的是占空比很低的窄脈沖信號，脈沖持續(xù)時間很短，脈寬通常在 ~ 之間，射頻帶寬可達 1 GHz 以上，且所需平均功率很低，信號功率譜密度低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲 和其它信號中，難以被檢測到。 [2] 多徑分辨能力強 UWB 無線通信系統(tǒng)發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖，其時間、空間的分辨率都很強，因此系統(tǒng)的多徑分辨率極高。且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的，所以接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力。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(fā)射信號的能量。 [3] 傳輸速率高 對于現(xiàn)代高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)，高速率傳輸技術(shù)是必不可少的基礎(chǔ)。從信號傳播的角度考慮，超寬帶無線通信由于能有效的減小多徑傳播的影響而使其可以傳輸高速率數(shù)據(jù)，發(fā)送上吉赫茲的 超寬頻帶，可以實現(xiàn)高達 100500Mbit/s。 [4] 空間容量大 空間容量定義為單位區(qū)域上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，單位是比特 /秒 /平方米。該項指標越高，則單位區(qū)域提供的數(shù)據(jù)比特率越大，單位面積的傳輸效率越高。這個指標特別適合于評價擁擠空間的無線通信系統(tǒng)，而 UWB 系統(tǒng)在這方面具有很強的潛力。根據(jù) Intel研究報告， b 的空間容量大約為 1 K 2bit/s/m ，藍牙的空間容量為 30K 2bit/s/m 。 a 的空間容量大約為 83K 2bit/s/m ，而UWB 的空間容量大約為 1000K 2bit/s/m 。 [5] 定位精確、穿透能力強 12 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二為一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。另外， UWB 無線通信系統(tǒng)具有很強的穿透樹葉和障礙物的能力，有希望填補常規(guī)超短信號在叢林中不能有效傳播的空白。實驗表明，適用于窄帶系統(tǒng)的叢林通信模型同樣可適用于 UWB 系統(tǒng)，UWB 技術(shù)還能實現(xiàn)隔墻成像。信 號定位精度且具有很強的穿透能力，可探測地雷等地下物體、墻壁后方空間的物體，所以在透視成像雷達、人體醫(yī)學成像、穿地探測雷達等方面也得到了越來越多的應(yīng)用。 [6] 便于多功能一體化 沖激無線電具有很高的定位精度。采用 UWB 無線電通信，很容易將定位和通信合一。 UWB 無線電具有極強穿透能力，可在室內(nèi)和地下精確定位；與 GPS的絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可給出相對位置，定位精度達厘米級。而且 UWB 無線電定位器更便宜。 [7] 低功耗 UWB 系統(tǒng)使用持續(xù)時間很短的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間遠小于脈沖重復(fù)周期，平均 發(fā)射功率很低，在高速通信時耗電量僅為幾百 uW~幾十 mW，使 UWB技術(shù)在實現(xiàn)超寬帶信號時域波形傳輸數(shù)據(jù)率的同時也有著低功耗的顯著優(yōu)點。超寬帶技術(shù)在實現(xiàn)同樣傳輸速率時，功率消耗一般是傳統(tǒng)移動電話功率的1/ 100 左右，是藍牙設(shè)備功率的 1/ 20 左右。因此， UWB 設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上有很大優(yōu)越性，可大大延長系統(tǒng)電源工作時間，滿足移動通信設(shè)備要求，并且低輻射功率可以減少電磁波對人體的輻射。 [8] 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低 UWB 無線通信系統(tǒng)通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號，不需要常規(guī)系統(tǒng)所需的變頻器、頻率合成器 、濾波器等模擬器件，同時在接收端不需要過濾器、RF/IF 轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件。 UWB 系統(tǒng)不論是基帶脈沖的還是帶通調(diào)制載波的，其射頻、模擬以及信號處理部件都相對較簡單，容易實現(xiàn)全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)。它只需要以一種數(shù)學方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本將很低。 [9]保密性好 由于 UWB信號的功率譜密度非常低，幾乎被湮沒在各種電磁干擾和噪聲中， 13 具有隱蔽性好、低截獲率、保密性好等非常突出的優(yōu)點，能很好的滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對安全性的要求。 [10] 干擾與抗干擾（共存性） UWB 系統(tǒng)可與同一頻譜其它窄帶系統(tǒng)共存。 UWB 設(shè)備主要工作在~ 在這個頻段內(nèi)， UWB 系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度可以非常低， FCC對其發(fā)射功率限制在 。在此頻段以外，實行更嚴格的功率控制標準。所以， UWB 無線通信系統(tǒng)與其它窄帶無線通信系統(tǒng)可以共存。為此，世界各地負責頻譜資源管理的機構(gòu)對 UWB 發(fā)射功率進行了限制，圖 顯示了世界各地的相關(guān)機構(gòu)對 UWB 系統(tǒng)的有效全向發(fā)射功率 (EIRP)限制。 因此， UWB 被稱作是短距離無線通信技術(shù)的一張王牌，其應(yīng)用十分廣泛，該技 術(shù)有望很快實用化，并在短距離數(shù)字化的音視頻無線鏈接、短距離寬帶高速無線接入等相關(guān)領(lǐng)域得到普及。伴隨著 UWB 對民用無線通信領(lǐng)域的開放，美國等發(fā)達國家的半導體廠商和設(shè)備制造商都在加緊研究開發(fā)實用系統(tǒng)。英特爾、TI、摩托羅拉和索尼等一些大公司將在近期進入超寬帶技術(shù)無線數(shù)據(jù)通信市場。 14 此外，美國的 Time Domain, Multispectral Solutions 以及美國 Xtreme Spectrum 等公司也在進行 UWB 無線設(shè)備的開發(fā)和生產(chǎn)。 UWB 必將成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵之一。 UWB 的廣泛應(yīng)用 早在 1965 年，美國就確立了 UWB 的技術(shù)基礎(chǔ)。在后來的二十幾年內(nèi)， UWB技術(shù)主要用于美國的軍事應(yīng)用，其研究機構(gòu)僅限于與軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)以及研究機關(guān)、團體。目前，美國國防部正開發(fā)幾十種 UWB 系統(tǒng)，包括戰(zhàn)場防竊聽網(wǎng)絡(luò)等。 由于超寬帶技術(shù)的種種優(yōu)點使其在無線通信方面具有很大的潛力，它具有的優(yōu)越性日益受到重視。在此情況下，為探索超寬帶技術(shù)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，2020 年 4 月， FCC 公布了超寬帶設(shè)備在三類民用領(lǐng)域應(yīng)用的初步規(guī)范，規(guī)定了工作頻段、功率限制、開放范圍和使用對象。限定的三類民用超寬帶設(shè)備為：一是成像系統(tǒng)，包括 透地探測雷達 (GPRS)，墻內(nèi)、穿墻和醫(yī)用成像以及監(jiān)視設(shè)備；二是車輛雷達系統(tǒng)；三是通信和測量系統(tǒng)。 憑借著短距離傳輸范圍內(nèi)的高傳輸速率這一巨大優(yōu)勢， UWB 進軍民用市場之初就將其應(yīng)用定位在無線局域網(wǎng) (WLAN)和無線個域網(wǎng) (WPAN)上?，F(xiàn)有的各種無線解決方案 (例如 3G、 、藍牙等 )的速率都低于 100Mbit/s。 UWB 則在 10m左右的范圍內(nèi)打破了這一限制。這種小范圍內(nèi)的通信，特別是高速通信，通常是用有線連接來完成的，而 UWB 的應(yīng)用將使得人們可以擺脫更多線纜的牽絆，通信變得更為方便。 經(jīng)過這幾年的 發(fā)展，超寬帶技術(shù)在下列應(yīng)用領(lǐng)域中己經(jīng)顯現(xiàn)出或者估計會有很大的發(fā)展?jié)摿Γ? [1] 短距離 (10 米以內(nèi) )高速無線多媒體智能家域網(wǎng) /個域網(wǎng) 在家庭和辦公室中，各種計算機、外設(shè)和數(shù)字多媒體設(shè)備根據(jù)需要，利用UWB 無線技術(shù)，在小范圍內(nèi)動態(tài) (即需即用 )地組成分布式自組織 (Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同工作，相互連接，傳送高速多媒體數(shù)據(jù)，并可通過寬帶網(wǎng)關(guān)，接入高速互聯(lián)網(wǎng)或其他寬帶網(wǎng)絡(luò)。這一領(lǐng)域?qū)⑷诤嫌嬎銠C、通信和消費娛樂業(yè)，被視為具有超過移動電話的最大市場發(fā)展?jié)摿Α? 15 [2] 智能交通系統(tǒng) UWB 系統(tǒng)同時具有無線通信和定位的功能 ，可方便地應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中，為車輛防撞、電子牌照、電子駕照、智能收費、車內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)、測速、監(jiān)視、分布式信息站等提供高性能、低成本的解決方案。 [3] 軍事、公安、消防、醫(yī)療、救援、測量、勘探和科研等領(lǐng)域 UWB 系統(tǒng)用做隱秘安全通信、救援應(yīng)急通信、精確測距和定位、透地探測雷達、墻內(nèi)和穿墻成像、監(jiān)視和入侵檢測、醫(yī)用成像、貯藏罐內(nèi)容探測等。 [4] 傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境 這種環(huán)境包括生活環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境、辦公環(huán)境等，主要用于對各種對象 (人和物 )進行檢測、識別、控制和通信。 UWB 的實現(xiàn)方案 UWB 無線通 信的實現(xiàn)方案主要有無載波脈沖方案和載波調(diào)制方案。而載波調(diào)制方案又分為兩種：單載波 DSUWB 方案和多載 MBUWB 方案。如圖 所示為 UWB 的實現(xiàn)方案的分類。本節(jié)將分別介紹這三種方案的基本原理。 圖 UWB 的實現(xiàn)方案分類 本節(jié)將分別介紹這三種方案的基本原理。 無載波 IRUWB 方案 無載波脈沖方案為 UWB 通信的傳統(tǒng)方式，又稱作脈沖無線電 (IR, Impulse Radio)方案。在這種方案中，發(fā)射機產(chǎn)生基帶窄脈沖序列，并通過脈沖位置調(diào)制(PPM )、二進制移相鍵控 (BPSK)或脈沖幅度調(diào)制 (PAM)等調(diào)制方式攜帶信息?；鶐д}沖序列直接發(fā)送到空中，而無需對載波進行調(diào)制。 早期的無載波脈沖 UWB 通信系統(tǒng)，因為直接利用基帶簡單脈沖波形進行通UWBB 無載波脈沖方案 載波調(diào)制方案 多頻帶 MBUWB 方案 單載波 DSUWB 方案 16 信，所以與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，收發(fā)信機結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)成本低，但在 FCC關(guān)于 UWB 通信功率譜的規(guī)定下，頻譜利用率不高。這可以通過脈沖波形優(yōu)化設(shè)計加以改善。 但目前這方面的研究還沒有十分理想的可實用的結(jié)果。在 IRUWB無線系統(tǒng)中，為了降低單個脈沖的幅度或提高抗干擾性能，不是對單個脈沖進行調(diào)制，而是采用多個脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制方式。 當采用多脈沖調(diào)制時，把傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖，那么，多脈沖調(diào)制過程可以分兩步：第一步為每組脈沖內(nèi)部單個脈沖的調(diào)制，第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制。在第一步中，每組脈沖內(nèi)部的單個脈沖通常采用脈沖位置調(diào)制 PPM，稱為跳時 (Timing Hopping)擴譜 (THSS )，或者采用二相調(diào)制 BPM調(diào)制，稱為直接序列 (Direct Sequence)擴譜 (DSSS )； THSS 中每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置； DSSS 中每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。在第二步中，每組脈沖作為整體通?？梢圆捎妹}沖幅度調(diào)制 PAM、脈沖位置調(diào)制 PPM或二相調(diào)制 BPM 調(diào)制。典型的無載波脈沖位置調(diào)制 (PPM ) UWB 通信系統(tǒng)的發(fā)射機與接收機結(jié)構(gòu)如圖 所示。 發(fā)射機 接收機 圖 無載波脈沖位置調(diào)制 (PPM) UWB 通信系統(tǒng)框圖 單載波 DS UWB 方案 DSUWB 是由傳統(tǒng)的 IRUWB 研制陣營在 FCC 制定了民用超寬帶系統(tǒng)地功脈沖 發(fā)生器 脈沖 調(diào)制器 時基 偽隨機碼 調(diào)制延時 數(shù)據(jù) 相關(guān)器 脈沖 發(fā)生器 調(diào)制 解調(diào)器 時基 基帶 處理器 偽隨 機碼 輸出數(shù)據(jù) 17 率輻射限制后對傳統(tǒng)的 IRUWB 改進，提出的一套民用超寬帶系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。DSUWB 主要以 DSSS BPM 系統(tǒng)為雛形，增加頻移措施發(fā)展過來，最初的版本稱為 DSCDMA，后進一步改進形成現(xiàn)在的 DSUWB。 目前 FCC 規(guī)定 UWB 通信的實際頻譜使用范圍為 ~。傳統(tǒng)的無載波脈沖方案中，存在較多低頻分量，因此很難適應(yīng) FCC 的限制；為了避免與其它窄帶通信系統(tǒng)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，將 的頻譜分成了兩個頻帶：~(低頻段 )和 ~（高頻段 )， UWB 信號可以通過對載波進行調(diào)制，在這兩個頻段之一傳輸，或在這兩個頻段同時傳輸。兩個頻段之間的部分沒有利用，是為了避免與美國非特許的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施 (UNII)頻段和 a 系統(tǒng)的干擾。 圖 單載波 DS UWB 方案的信號頻譜示意圖 基帶數(shù)據(jù)采用帶寬受限的脈沖進行 BPSK 或 4BOK 調(diào)制，早期的 DSCDMA 方案的脈沖波形為小波， DSUWB 的脈沖波形修改為升余弦脈沖的開方。此方案中，可以通過使用不同的偽隨機 (PN)碼集合劃分不同的微微網(wǎng) (Pico)。低頻段和高頻段各支持 6 個微微網(wǎng) (pico )同時工作，不同的微微網(wǎng)工作在不同的中心頻率和不同的 chip 速度，使用不同的擴頻碼集。 DSUWB 與 DSSS BPM 系統(tǒng)相比，不同點是增加了頻移，而與傳統(tǒng)的直 接序列擴頻通信系統(tǒng)相比，不同點是輸出的脈沖不同。傳統(tǒng)的直接序列擴頻通信的脈沖寬度就等于脈沖間隔，而 DSUWB 的脈沖寬度遠遠小于脈沖間隔，所以可以獲得超寬的頻帶。 DSUWB 雖然使用了載波進行頻移，仍然看成是脈沖方式的超寬帶系統(tǒng)，因為它是通過窄脈沖來獲得超寬的頻帶。 18 多載波 MB UWB 方案 MBUWB技術(shù)方案是將應(yīng)用于無線局域網(wǎng)中的正交頻分復(fù)用技術(shù) OFDM 用來實現(xiàn)超寬帶。它將民用超寬帶的使用頻譜分成若干個 528MHz 的子帶，在每個子帶上都采用 OFDM 調(diào)制，來達