超宽带技术的应用与发展解析

超宽带技术的应用与发展

一、引言

随着计算机通信技术的不断发展，无线传输技术得到了广泛的应用，而超带宽（UWB）技术作为一种新型短距离高速无线通信技术正占据主导地位，超带宽技术又被称为脉冲无线发射技术，是指占用带宽大于中心频率的1/4或带宽大于1.5GHz的无线发射方案，超带宽技术在2002年以前主要应用于雷达和遥感等军事领域，UWB技术不需载波，能直接调制脉冲信号，产生带宽高达几兆赫兹的窄脉冲波形，其带宽远远大于目前任何商业无线通信技术所占用的带宽，UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了UWB无线传输技术具有以下优势：易于与现有的窄带系统（如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等）公用频段，大大提高了频谱利用率。易于实现多用户的短距离高速数据通信；目前，UWB技术在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面的应用正在不断发展。

二超宽带技术的特点应用

1、超宽带技术解决了困扰无线技术多年的有关传播方面的问题，如发射信号功率谱密度低、低截获大问题，具有对信道衰落不敏感的问题，又具有能力、系统复杂程度低、能提供厘米级的定位精度等优点；它在无线局域网、城域网和个人局域网的应用中，可提供低功耗、超带宽及相对简捷的通信技术，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，可实现ＰＣ与移动设备、消费电子等信息终端的小范围智能化互联，从而组建个人化的办公或家用信息化网络。超带宽（ＵＷＢ）无线通信技术以它高速率、高性能、低成本、低功耗等特点成为最具有竞争力的ＷＰＡＮ实现技术，并已成功应用于多个方面。

２、超宽带技术特点

（１）体积小、成本低、系统结构实现简单、

ＵＷＢ不使用载波，直接发射脉冲序列，不需要传统收发器所需要的上、下变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此ＵＷＢ设备集成更为简化。脉冲发射机和接收机前端可集成在一个芯片上，再加上时间基和一个微控制器，就可构成一部超宽带通信设备。

（２）传输速率高数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。为确保提供高质量的多媒体业务的无线网络，其信息速率不能低于５０Ｍｂｉｔ／ｓ。在用商品中，一般要求ＵＷＢ信号的传输范围为１０ｍ以内，

再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达５００Ｍｂｉｔ／ｓ，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。ＵＷＢ以非常宽的频率来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。

（３）空间容量大

ＵＷＢ无线通信技术的单位区域内通信容量可超过每平方米１０００Ｋｂｐｓ，而ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ仅为每平方米１Ｋｂｐｓ，蓝牙技术为每平方米３０Ｋｂｐｓ，ＩＥＥＥ８０２．１１ａ也只有每平方米８３Ｋｂｐｓ，可见，现有的无线技术标准的空间容量都远低于ＵＷＢ技术。随着技术的不断完善，ＵＷＢ系统的通信速率、传输距离及空间容量还将不断提高。

（４）低功耗

ＵＷＢ使用简单的传输方式，即使用间歇的脉冲来收发数据，脉冲持续时间很短，仅为０．２ｎｓ￣１．５ｎｓ，因此ＵＷＢ系统的功耗很低，仅为１ｍＷ￣４ｍＷ，民用的ＵＷＢ设备功率一般是传统移动电话或者无线局域网所需功率的１／１０￣１／１００左右，大大延长了电源的供电时间。ＵＷＢ设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

（５）多径分辨能力强

由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号，或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超带宽无线电发射的是持续时间极短的单脉冲且占空比较低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达１０￣３０ｄＢ的多径环境，对超带宽无线电信号的衰落最多不到５ｄＢ。

（６）穿透能力强

由于超带宽无线电的带宽很宽，因此具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。实验表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样可适用于超宽带系统；超宽带技术还能实现隔墙成像等。

（７）定位精确

冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超带宽无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超带宽无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而ＧＰＳ定位系统只能工作在ＧＰＳ定位卫星的可

视范围之内；与ＧＰＳ提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，期定位精度可达厘米级，此外，超带宽无线电定位器更为便宜。

（８）安全性高、隐蔽性好、

与有线通信相比，超带宽无线电的射频带宽可达到１ＧＨｚ以上，且所需平均功率小，信号的能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，ＵＷＢ信号相当于白噪声，并且多数情况下，ＵＷＢ信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。信号被隐蔽在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检测到。

三、超宽带技术的原理

1 、UWB的关键技术

1.1 脉冲成形技术

任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息，对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为：s（t）＝Σ In g（t－T）

其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g（t）为时域成形波形，通信系统的工作频段，信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g（t）的设计。

对于UWB通信系统，成形信号g（t）的带宽必须大于500mHz，且信号能量集中于3.1－10.6GHz频段，脉冲成形技术中最具代表性的无载波脉冲是高斯单周脉冲，他的带带宽已经大于2GHz，高斯单周脉冲是高斯脉冲的各阶导数，各阶脉冲波形可由高斯一阶导数通过逐次求导得到。随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐渐下降，早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲、信号频率成分从直流延续到2GHz，按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满足辐射谱要求。

1.2 调制技术

调制方式是指信号以何种方式承载信息，他不但决定着通信系统的有效性和可靠性，是也影响信号的频谱结构、接收机复杂度，在UWB系统中常用的调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制，基于OFDM的正交多载波调制。其中基于超带宽脉冲的调制常用的有脉位调制和脉副调制。

脉位调制（PPM）是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式，按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制PPM（2PPM）和多进制PPM （MPPM）。在这种调制方式中，一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2