【導讀】道傳輸、最后被接收機接收的路線進行了分析討論。并對UWB接收機關(guān)鍵技術(shù)、UWB. 多址技術(shù)、UWB的標準化進程等方面進行了論述。的不足之處和解決方案，最后對UWB技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展前景作了展望。UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信。在與其它系統(tǒng)共存時，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點。低，與窄帶系統(tǒng)相比，有較好的電磁兼容和頻譜利用率。UWB發(fā)出的脈沖電波直接。按照0或1發(fā)送出去。由于只在需要時發(fā)送脈沖電波，因而大大減少了耗電量。

　　

【正文】 復用技術(shù) （ TFIOFDM）方案。 這種方案具有下面的主要優(yōu)點： （ 1） 基于 OFDM，頻譜效率高，技術(shù)成熟 OFDM 已經(jīng)在非對稱用戶線 ADSL、 、歐洲數(shù)組音頻廣播 DAB、歐洲地面數(shù)字電視廣播 DVB 以及 接入等系統(tǒng)得到了廣泛使用。 （ 2） OFDM 在多徑環(huán)境下具有良好的穩(wěn)健性 由于使用循環(huán)前綴可以使各子載波的信號之間保持正交，有利于接受機更有效地俘獲多徑信號的能量。 （ 3） OFDM 能夠有效地對抗頻率選擇性干擾 可以有效地通過停止使用受到干擾的子載波，或者增加使用相應得糾錯編碼來 24 恢復信息。 工作組在 2021 年 11 月針對無線個域網(wǎng)的物理層建立了技術(shù)要求和選擇標準，見表 51。確定了高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕿椋?10m 距離內(nèi)速率達110Mbit/s， 4m 距離內(nèi)速率達 200 Mbit/s， 2m 距離內(nèi)速率達 480 Mbit/s。這些短距離高速傳輸方式可以支持包括圖像和視頻在內(nèi)的多媒體傳輸。 [2] 表 51 的技術(shù)要求和選擇標準 [2] 參數(shù) 值 數(shù)據(jù)速率 110 Mbit/s、 200 Mbit/s、和 480 Mbit/s 距離 10m、 4m及以下 功耗 100mW、 250mW 功率管理模式 節(jié)電模式、休眠等 可并存的微網(wǎng)絡 4個 抗干擾性能 對來自 IEEE的系統(tǒng)的干擾應當穩(wěn)健，長 1024的分組的傳輸錯誤率≤ 8% 電磁兼容能力 對 IEEE 的系統(tǒng)的干擾應當穩(wěn)健， 6dB以下 成本 類似于藍牙設 備 位置感知 位置信息傳輸?shù)胶线m的管理實體 靈活性 可以適用于不同國家和地區(qū)的頻譜規(guī)定（如美國、歐洲和日本） 信號捕獲 從引導到數(shù)據(jù)頭的時間（ 20us） 天線實用性 大小和形狀要和設備相一致 UWB 技術(shù)在低速無線個域網(wǎng)中的應用 目前很多關(guān)于 的研究都集中于高速數(shù)據(jù)的傳輸。但是在生活中，我們并不總是隨時隨地需要高速的數(shù)據(jù)傳輸，比如，對冰箱、微波爐 、電燈、通風系統(tǒng)、熱水器等家用電器進行控制所需要的控制信息就很簡單。對它們而言，一種簡單、低功耗、小巧的數(shù)據(jù)傳輸方式更合適。 標準是無線個域網(wǎng)的一個分支標準，支持低速無線個域網(wǎng)（ Wireless Personal Area Network）。 LRWPAN 是一種設計用于低成本、低功耗的短距離無線通信網(wǎng)絡。這種低速無線個域網(wǎng)除了數(shù)據(jù)速率比較低外，還應該具有以下特點：短距離，一般在幾十米范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)簡單；體積小巧；電源效率高；便宜。 低速 WPAN 的主要應用 包括家庭自動化、資產(chǎn)跟蹤、工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)護、安全與風險控制等。這類應用對傳輸速率要求較低，通常為幾千比特至幾萬比特每秒，但他們對成本和功耗的要求很高，在很多應用中還要求提供精確的距離或定位信息。 [4] 25 如圖 54 所示是一種應用 LRWPAN 的家庭電器控制網(wǎng)絡：通過中心控制器，各個電器、開關(guān)、通風系統(tǒng)和插座可以組網(wǎng)，實現(xiàn)家庭 智能 控制的功能。 圖 54 家庭中使用 LRWPAN的例子 [2] LRWPAN 有兩種典型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：星形和樹形。如圖 55 所示是 LRWPAN 的拓撲結(jié)構(gòu)。 圖 55 LRWPAN的組成結(jié)構(gòu) [2] 星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)一般用于覆蓋范圍比較小的區(qū)域，如單個房間。這種方式控制簡單，數(shù)據(jù)的傳輸都需要經(jīng)過中心節(jié)點。由于中心節(jié)點發(fā)射功率的限制，網(wǎng)絡信號覆蓋范圍比較小。樹型結(jié)構(gòu)想對比較復雜，需要考慮數(shù)據(jù)的路由問題，路由算法可以使用 Ad hoc 網(wǎng)絡的路由算法。這種組網(wǎng)方式可以很容易擴充網(wǎng)絡規(guī)模，比較適合于企業(yè)使用。 UWB 技術(shù)的優(yōu)勢較為明顯，主要的不足是發(fā)射功率過小限制了其傳輸?shù)木嚯x。也就是說，對于 10 米以內(nèi)的距離， UWB 可以發(fā)揮出高達數(shù)百 Mbit/s 的傳輸性能，對于遠距離應用 或 Home RF 無線 PAN的性能將強于 UWB。 UWB 和同為熱門的 以及 Home RF 不會進行直接競爭，因為 UWB 更多的是應用于 10米左右距離的室內(nèi)。在家庭無線網(wǎng)絡， UWB 良好的多媒體應用恰好彌補了它們的不足，三者更是可以相得益彰，共同發(fā)展。事實上，把 UWB 看作藍牙技術(shù)的替代者可能更 26 為適合，盡管藍牙技術(shù)有廉價和能耗低的優(yōu)點，但其速度卻遠不及 UWB 技術(shù)，只能達到 500kbit/s～ 1Mbit／ s，另外藍牙技術(shù)的協(xié)議也較為復雜。 [2] UWB 的不足與改進 自從 2021 年 2 月，美國聯(lián)邦通信委 員會（ FCC）制訂了 關(guān)于民 用 UWB 產(chǎn) 品的技術(shù)規(guī)范之后，單頻段單脈沖方式不能很好地適應該規(guī)范，面臨兩大問題：一是頻譜不能充分利用所規(guī)定的矩形部分。由于商用超寬帶設備是一個功率受限的系統(tǒng)，這將影響它的覆蓋范圍。另一個問題是和現(xiàn)在無線通信系統(tǒng)的兼容問題。由于超寬帶系統(tǒng)占據(jù)廣闊的頻率范圍，其中包括蜂窩電話、藍牙、衛(wèi)星等傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的頻段，為了避免相互干擾，在單脈沖彈頻段超寬帶系統(tǒng)中需要在發(fā)射端增加濾波器，避免超寬帶系統(tǒng)對傳統(tǒng)無線系統(tǒng)的影響；在接收端也需要濾波器來抑制傳統(tǒng)無線系統(tǒng)對超寬帶系統(tǒng)的影 響，這增加了系統(tǒng)的復雜度。而且由于各個國家已有的無線通信系統(tǒng)的頻段規(guī)定是不盡相 同的，為了超寬帶系統(tǒng)的通用性，需要使用可變的濾波器。 [2] 針對單脈沖單頻段超寬帶系統(tǒng)的缺點，多頻帶脈沖調(diào)制方式是一種改進的超寬帶調(diào)制方式。該調(diào)制方式第一次出現(xiàn)在 Intel 公司于 2021 年 3 月向 任務組提交的高速 WPAN 物理層方案中。 Intel 遞交的這份方案的特點有：把可用的頻帶劃分為多個子帶，每個子帶的帶寬大于 500MHz；系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)速率、干擾、當?shù)仡l譜規(guī)定等等因素 選擇部分或者全部子帶進行傳輸；還能以 合適的調(diào)制方式使用多個子帶。 [2] 第 6 章 UWB 的開發(fā)及發(fā)展前景 自 20 世紀 90 年代后期至今，由于超寬帶技術(shù)的成熟，各種規(guī)范的制訂，使得超寬帶從技術(shù)和法律上有可能進入廣闊的民用消費市場，超寬帶技術(shù)在最近幾年的發(fā)展很快，取得了不少成果。下面就近年來超寬帶的技術(shù)發(fā)展進行介紹，重點在于天線技術(shù)、芯片設計的開發(fā)狀況。 超寬帶天線的發(fā)展 27 超寬帶技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一是天線設計。根據(jù)天線傳輸理論，不同頻率的電磁波有效發(fā)射的天線尺寸是和波長有關(guān)系得，由于超寬帶信號占據(jù)極寬的頻帶，就必須考慮兼顧不同頻 率的信號，對天線的設計不能采用窄帶通信的天線設計理論。 超寬帶系統(tǒng)的天線在極寬的頻帶上很難一直都有很好的匹配阻抗。天線的發(fā)射效率和發(fā)射圖案對發(fā)射的脈沖有空間和時間的濾波的作用。對于超寬帶信號的不同頻率分量，超寬帶天下的輻射特性是不一樣的。在考慮信道模型的時候必須考慮天線的影響，所以在工業(yè)界也曾有一種用天線的特性來定義超寬帶的建議，就是因為天線設計是關(guān)系整個超寬帶系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵技術(shù)步驟。 在有關(guān)文獻中指出，根據(jù)麥克斯韋方程，超寬帶天線對于超寬帶信號有下列影響： （ 1） 微分作用 如果用一個高斯脈沖激勵超 寬帶天線，那么無線將發(fā)射出一個單周期高斯脈沖（高斯信號的一次微分形式）。 （ 2） 頻譜搬移 由于微分作用，傳輸信號的頻譜將向中心頻率更高的頻譜移動。 （ 3） 抽樣速率提高 由于頻譜向高端搬移，這會影響到接受端的抽樣速率。 超寬帶的天線通常有：單極、雙極、電磁環(huán)、等角螺旋、螺旋、碟 錐形等。這些天線都具有寬帶的電壓駐波比（ VSWR）。 [2] 6． 2 超寬帶芯片設計 超寬帶技術(shù)的優(yōu)點之一是結(jié)構(gòu)簡單，超寬帶接收機可以用幾個芯片，甚至單個芯片實現(xiàn)。目前很多公司在進行超寬帶芯片的設計，比較著名的有：飛思卡爾（ Freescale） 公司、 Time Dpmain 公司等。這些公司在超寬帶技術(shù)的開發(fā)方面走在了前列，他們開發(fā)的芯片有些已經(jīng)在軍事和政府部門得到應用。其中飛思卡爾半導體公司在 芯片的開發(fā)中領先。到目前為止，飛思卡爾十唯一一家為無線連接應用提供商用化 UWB 方案的半導體制造商。飛思卡爾的芯片組 — XS110，于 2021年 2 月獲得 FCC 原有 UWB 規(guī)則認證，該芯片使用 DSUWB 方案，每秒的數(shù)據(jù)傳輸率可達 110Mbit，可在 10m 的范圍內(nèi)進行多條高清晰度視頻流傳輸。 XS110 芯片組包括 3個組件： MC370123（超寬帶 基帶控制器）、 MC270113（超寬帶射頻發(fā)射器）和 MC270143（超寬帶媒體介入控制器）。由這三個芯片實現(xiàn)的超寬帶收發(fā)信機，通過無線連接提供一個完全的端到端（ PeertoPeer） 的 WPAN/WLAN 28 解決方案，而且具有廉價、低功耗和數(shù)據(jù)率高等優(yōu)點。這些性能的組合對富媒體（ MediaRich）傳輸?shù)膽脕碚f，是一種理想的解決方案。 [2] XS110 芯片組可以應用于以下場合： （ 1） 多種無線 MPEG2 或 MPEG2HD 視頻流； （ 2） 無線快速以太網(wǎng)， USB2， 1394； （ 3） 用戶網(wǎng)關(guān) /機頂盒向顯示器 /電視機的多條 數(shù)字視頻傳輸； （ 4） 數(shù)碼相機、 MP3 播放器、 PDA等的數(shù)字視頻 /音頻流； （ 5） 無線局域網(wǎng)（ ）產(chǎn)品的客戶端位置跟蹤。 [2] 6． 3 超寬帶商用產(chǎn)品開發(fā) 2021 年 1 月，在美國拉斯維加斯舉行的消費電子展（ CES）上，眾多超寬帶（ UWB）制造商和開發(fā)商紛紛登臺亮相，展示了他們生產(chǎn)的各種原型機及其產(chǎn)品設計。 其 中，飛思卡爾半導體（ Freescale Semiconductor）展出了一款由其前母公司摩托羅拉設計的具備 UWB 功能的手機，這種手機能連接便攜式電腦，可從互聯(lián)網(wǎng)上下載 MP3 文件或手機所拍的照片 。該公司是 UWB 直接序列（ DS， DirectSequence）版本的主要支持者，其芯片還在其他產(chǎn)品上得到應用，如海爾公司具備 UWB 功能的高清電視（ HDTV）以及三星與 Intellon 展開的混合無線網(wǎng)絡。 飛思卡爾的 DSUWB解決方案可廣泛應用于不同的無線產(chǎn)品之上，目前已銷售給全球的原始設備制造商（ OEM）客戶，并已為多家公司及廠商所采用，目前飛思卡爾的 XS110 方案已經(jīng)可提供高達 110Mpbs 的速度傳輸，而預計 660Mpbs 的速度傳輸解決方案 也會很快推出新產(chǎn)品 。飛思卡爾的 DSUWB產(chǎn)品為全球無線消費類產(chǎn) 品、計算機、移動產(chǎn)品、汽車以及企業(yè)應用提供新的無線解決方案。 此外，數(shù)量眾多的模塊在展會上也引人注目，如 Global Sun 公司的 miniPCI 接口器件。該器件面向期望在各自產(chǎn)品中集成 UWB 功能的 OEM 廠商。 UWB 論壇內(nèi)推動DSUWB 版本的其他成員也展示了媒體 Blasters、無線家庭網(wǎng)絡和機頂盒等產(chǎn)品，所有產(chǎn)品都集成了脈沖的 DSUWB版本。 [2] 6． 4 發(fā)展與應用前景 超寬帶技術(shù)從 20 世紀 60 年代重新走入人們視野之后，以其優(yōu)良的特性逐步進入雷達、定位和通信領域。超寬帶應用于通信系統(tǒng)由很多優(yōu)點， 主要有：難于被監(jiān) 29 聽（ LPI/LPD）；與已有無線通信系統(tǒng)兼容（功率普密度極低，在高斯白噪聲以下）；其有極高的空間解析度（厘米級的定位精度）；高速無線數(shù)據(jù)傳輸（可以高達1Gbit/s）；全數(shù)字實現(xiàn)；功耗低。 超寬帶無線通信技術(shù)已經(jīng)作為一種民用產(chǎn)品進入我們的生活中，給我們帶來前所未有的便利， 信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局副局長謝遠生 認為 寬帶無線接入前景廣闊。與移動通信的快速發(fā)展相輝映，寬帶無線接入技術(shù)也表現(xiàn)出空前的繁榮景象，雖然這種繁榮還主要表現(xiàn)在技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新上。 IEEE 的 802 系列標準發(fā)展迅速， WLAN已在全世界 得到了推廣應用，一些超寬帶的無線技術(shù)也表現(xiàn)活躍， UWB 的研究和標準化工作快速推進。 謝遠生認為，無線電頻率資源和水、土地、礦藏等資源一樣，是關(guān)系經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，具有稀缺性和國家主權(quán)性。但是，從世界范圍來講，頻率資源又是全人類共享的有限自然資源。無線電技術(shù)的飛速發(fā)展和無線電業(yè)務的廣泛應用，使有限的無線電頻率和衛(wèi)星軌道位置資源供需矛盾日益突出，如何解決頻率資源短缺，如何有效合理開發(fā)、利用無線電頻率資源，滿足國民經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展對無線電頻率資源日益增長的需求，已成為各國無線電主管部門面臨 的重要課題 。 [4] 第 7 章 結(jié) 論 超寬帶無線通信技術(shù) UWB 直接用脈沖對信號進行調(diào)制，具有發(fā)射功率低、處理增益高、多徑分辨能力強、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、穿透能力高、便于多功能一體化、低功耗、抗干擾能力強的優(yōu)點。而且已不僅限于軍事方面的應用，自 2021 年2月美國聯(lián)邦通信委員會批準 UWB 技術(shù)用于民用產(chǎn)品的開發(fā)和研制， UWB 技術(shù)在 10m內(nèi)家庭環(huán)境中和小型企業(yè)內(nèi)部更能發(fā)揮它的優(yōu)勢 。 UWB 和其它無線通信設備的兼容問題需要我們作更多的努力將其完善。 本文較全面地論述了超寬帶無線通信技術(shù)的基本理論與技術(shù)， 經(jīng)過翻閱大量的文獻資料并結(jié)合自己所做的工作，對該項技術(shù)的理論知識作了一次嘗試性的總結(jié) 。UWB 技術(shù)正在慢慢地走進我們的生活，使我們的生活會更加的快捷、靈活、便利。 30 致謝 本文工作是在 王曉娥 老師的悉心指導下完成的。從論文選題到最終定稿，王老師都給予了我許多啟發(fā)性的建議和