淺析超寬帶無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

1 UWB通信技術(shù)的特點(diǎn)

　　UWB系統的工作頻帶極寬，一般從幾百MHz到幾個(gè)GHz，將來(lái)還要向更高帶寬發(fā)展。這意味著(zhù)在一定信/噪比要求下，UWB系統可實(shí)現很高速率的可靠傳輸；或者在一定傳輸速率下，可以在很低的信/噪比或信號功率譜密度下實(shí)現可靠傳輸。UWB可實(shí)現高速傳輸和極大的系統空間容量,是實(shí)現個(gè)人通信和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的理想技術(shù)之一。目前實(shí)驗超寬帶短距系統的傳輸速率已經(jīng)達到1Gbit/s，其空間通信容量（即每平方米面積可達到的通信容量）是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙等系統的10～1000倍。

　?。?）發(fā)射功率低、功耗小

　　UWB系統在高速通信時(shí)耗電量?jì)H為幾百μW～幾十mW。所需功率一般為幾十到幾百微瓦，其功率譜密度甚至低于環(huán)境噪聲以下。

　?。?）系統結構比較簡(jiǎn)單、成本低

　　UWB通過(guò)發(fā)送納秒級脈沖來(lái)傳輸數據信號。UWB系統不需要功用放大器與混頻器，同時(shí)在接收端不需要過(guò)濾器、RF/IF轉換器及本地振蕩器等復雜元件。超寬帶系統不論是基帶脈沖的還是帶通調制載波的，其射頻、模擬以及信號處理部件都相對較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現全數字化的結構。

　?。?）電磁兼容性及安全性

　　由于單位頻寬內的功率密度相當低且發(fā)射功率由美國FCC嚴格限制，UWB對其它無(wú)線(xiàn)通信設備的影響微乎其微。相反，令人擔心的是其它設備對UWB設備以及多部UWB設備相互間的干擾。UWB系統一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內，并且可以工作在極低的信/擾比門(mén)限，因而其平均發(fā)射功率很低。采用編碼對脈沖參數進(jìn)行偽隨機化后，信號極難被非授權方所截獲或檢測，具有極強的安全性。

　?。?）抗衰落及多徑分辨能力強

　　超寬帶無(wú)線(xiàn)電發(fā)射的是持續時(shí)間極短的單周期脈沖，此脈沖多徑信號在時(shí)間上不重疊且占空比極低，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。此外，UWB信道由于其均方根時(shí)延擴展遠小于窄帶信道，信號分辨率極高。

　?。?）定位精確

　　UWB技術(shù)可應用于穿透建筑物成像、檢測、監視、測量等方面，尤其是室內和地下精確定位。

2 UWB系統方案及一些技術(shù)問(wèn)題

　　UWB系統方案應根據具體應用需求、規則約束和信道特征進(jìn)行優(yōu)化選擇，綜合考慮頻帶規劃、調制與多址方案、系統復雜度、成本與功耗及共存性等問(wèn)題。目前已有的UWB系統方案分為單頻帶和多頻帶兩種體制。

　　2.1 單頻帶系統

　　單頻帶系統僅使用單一的成形脈沖進(jìn)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。但由于信號的時(shí)間彌散嚴重，接收機的復雜度較高。此外，為解決共存性問(wèn)題，避免與帶內窄帶系統的干擾，該系統采用的濾波器也是比較復雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA 方案中，經(jīng)過(guò)DS-CDMA 擴頻之后的信號再對載波進(jìn)行調制，從而可以在合適的頻帶范圍內傳輸。傳統的無(wú)載波UWB方案存在較多低頻分量，無(wú)法滿(mǎn)足FCC規定的發(fā)射功率的限制。而單載波DS-CDMA 方案通過(guò)頻譜搬移解決了這一難題。

　　2.2 多頻帶系統

　　多帶系統是指將規劃UWB的整個(gè)頻段劃分成若干個(gè)子帶，使用部分或全部子帶進(jìn)行數據傳輸。信號成形和數據調制在基帶完成，通過(guò)射頻載波搬移到不同子帶，避開(kāi)傳統窄帶系統使用頻段。多帶系統根據調制方式分為多帶脈沖無(wú)線(xiàn)電和多帶正交頻分復用兩種方式。其多址問(wèn)題采用跳頻技術(shù)來(lái)解決，相對于符號速率又可分為快跳和慢跳。MBOA(MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance)多頻帶聯(lián)盟提議將UWB頻帶分為最少三個(gè)頻段，并采用正交頻分復用(OFDM)方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。

　　目前一些無(wú)線(xiàn)技術(shù)和UWB被批準的頻帶重疊，使用動(dòng)態(tài)頻率控制技術(shù)可避開(kāi)干擾頻段。這有利于采用同一標準適應多個(gè)國家在頻段規劃上的差異。因此，MBOA技術(shù)在相同條件下具有更高的速率和距離，但電路復雜度和成本較高。

　　從技術(shù)上來(lái)講，MBOA和DS-CDMA是無(wú)法彼此妥協(xié)的，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢?對無(wú)線(xiàn)電頻率管理來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)基本的原則：一是新的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不得對已有的無(wú)線(xiàn)電臺(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(wú)線(xiàn)電臺的各種干擾。DS-CDMA因為使用整個(gè)3.1 GHz～10.6 GHz頻段，包括傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個(gè)頻率子帶，可以很方便地避開(kāi)這些頻率。

　　2.3 有待解決的問(wèn)題

　　UWB是一種新興無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，有許多問(wèn)題亟待研究，如可控窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)、調制與多址技術(shù)、收發(fā)機、天線(xiàn)及傳播特性與信道模型等物理層技術(shù)。

　?。?） 脈沖成形技術(shù)

　　UWB目前有許多行之有效的信號成形方法，如基于載波調制的成形方法，可將信號頻譜在頻率軸上靈活地搬移；Hermite正交脈沖成形方法，可結合多進(jìn)制脈沖調制有效地提高系統傳輸速率；橢圓球面波正交脈沖成形方法為無(wú)載波成形技術(shù)，不需要載波調制進(jìn)行頻譜搬移，簡(jiǎn)化了系統的復雜度。

　?。?） 調制與多址技術(shù)

　　由于UWB系統的復雜度和功率的限制，常用的調制方式為二進(jìn)制脈位調制、二進(jìn)制正交脈位調制及開(kāi)關(guān)鍵控和二進(jìn)制相移鍵控的脈幅調制。UWB多址技術(shù)包括跳時(shí)多址、跳頻多址、直序擴頻碼分多址、波分多址。合理的多址方案可以在減少用戶(hù)間干擾的同時(shí)極大地提高用戶(hù)容量。調制方式與多址方式的合理組合，還需根據系統設計要求，在系統的復雜度與系統的性能(包括傳輸速率、傳輸可靠性等)進(jìn)行折中考慮。

　?。?）接收機

　　由于UWB信道嚴重的頻率選擇性衰落特征（UWB信道是典型的頻率選擇性衰落信道，在時(shí)域表現為多徑彌散且呈現多徑成簇達到的現象）和低輻射功率限制以及信號持續時(shí)間非常短，捕獲和跟蹤UWB信號很困難，信道的密集多徑特征進(jìn)一步增加了接收機定時(shí)同步的復雜性。這些對接收機的設計提出了挑戰。在設計策略上應綜合考慮接收機功耗、復雜度與接收機性能等因素。

3 UWB 技術(shù)的應用前景

　　UWB 具有近距離內高速傳送大量多媒體數據以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點(diǎn)，因此，在短距離范圍內提供高速無(wú)線(xiàn)數據傳輸將是UWB 的重要應用領(lǐng)域。民用UWB主要包括以下幾個(gè)方面：穿墻成像、大地探測、生命探測、高速公路調度、車(chē)載雷達、UWB測量、無(wú)線(xiàn)通信、半導體布線(xiàn)等系統，地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器(imaging system) 、汽車(chē)防沖撞傳感器(vehicle radar system)，家用電視、集成電路設計及消費電子產(chǎn)品中的高速數據傳輸等領(lǐng)域。

　　UWB技術(shù)有著(zhù)突出的優(yōu)勢，同時(shí)有許多亟待解決的問(wèn)題。開(kāi)展具有針對性的UWB技術(shù)研究，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，可以促進(jìn)我國的UWB技術(shù)全面發(fā)展，對我國在該研究領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權和相關(guān)產(chǎn)品，營(yíng)造新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)具有重大意義。