超宽带 技术

首先什么是超宽带？

我们对信号基于其相对带宽的划分：

相对带宽的定义：Bf=BW/fc(中心频率)*100%=fh-fl/fh+fl/2

窄带Bf<1%宽带120%

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超宽带通信和其它通信技术的根本不同在于，它在发射机和接收机之间采用非常窄的射频脉冲进行通信。

超宽带通信并不是一项全新的技术，现在让我们来了解一下它的发展简史！事实上早在1901年就被马可尼采用，他通过使用火花隙发射机来发射莫尔斯码序列穿越大西洋。火花隙实质上就是带宽很宽大的窄脉冲。但是当时人们并没考虑到大带宽的好处以及实现多用户通信系统的能力。

在马可尼之后约50年，基于脉冲的现代发射机以脉冲雷达的形式在军事应用中获得了动力。从上个世纪60年代到90年代，该技术作为机密项目，一直被限制为军队和国防部的应用。

然而，近代微处理器级及半导体技术中的快速切换技术的进步，使得超宽带技术的商业应用已经具备一切条件。在过去的几年，将超宽带技术商业化的兴趣不断增加，超宽带系统的开发者们开始向美国联邦通信委员会施加压力，促使其同意超宽带技术的商用。因此2002年2月，美国联邦通信委员会通过了超宽带技术的各种设备在严格功率辐射限制下的商用的初期报告和规则；

下面介绍一下UWB的相关概念。

超宽带系统不使用载波，采用低占空因子的、短持续期、脉冲来发射和接收信息。占空因子的定义就是脉冲出现的时间和总的传输时间之比！。

低占空因子保证了超宽带通信非常低的平均功率。也就决定了，短时超宽带脉冲具有非常宽的带宽和非常低的发射功率。这直接转化为手持设备较长的电池寿命！

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下面我们看一个超宽带脉冲的例子！

第一幅图显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，脉冲周期为0.5ns图中脉冲的中心频率在f=1/T=2GHz。

第二幅图是实际通信中使用的周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。我们从频谱图中看到，很多强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。由于尖峰的产生源于脉冲的周期性，所以改变时域的周期性可以减低这种尖峰，也就是对采用脉冲位置调制PPM。

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从超宽带的发展历史可以看到，它曾将作为军事的秘密应用。那它到底有哪些独特之处？下面我们就关注一下这种技术相对其他通信系

统的优势。

第一就是是共享频谱的能力。美国联邦通信委员会对超宽带系统所要求的是75nW/MHz,将它归入非蓄意辐射体范畴，诸如电视盒计算机显示器。这样的功率限制使得超宽带系统存在于典型的窄带接收机的噪声底线之下，并且使得超宽带信号以最小或者没有干扰的方式与当前的无线业务共存。下图就是描述了超宽带与窄带和宽带技术共存的一般思想。实际通信中使用一长串的脉冲,周期性重复的单脉冲时域和频域。特性如下图所示。频谱中出现了强烈的能量尖峰,这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰,而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰,即采用脉冲位置调制(PPM ) 。

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由香农公式可以知道，信号容量C随着带宽B随线性增加而增加。因此超宽带信号有几个GHz的带宽，就可以料想他有几个Gbit每秒的数据率。然而由于FCC对目前超宽带传输的功率限制，这样的高数据速率仅能在短距离内获得，最多到十米。这就使超宽带系统成为短距离、高数据速录的无线应用的最佳候选方案。

但是距离与数据速率的折中，使得超宽带技术在军队民用以及商业部门的很宽范围内的应用都非常理想。

优势三就是。在低信噪比下工作的能力，香农定理表明，信道容量与信噪比仅成对数关系。因此，超宽带系统能够在具有低信噪比的苛刻

通信信道中工作，并且由于其大的带宽仍旧保证了大的信道容量。7页

为什么会有这种优势呢？？

超宽带系统的平均发射功率极低，在微瓦数量级，比蜂窝电话的发射功率小了近千倍。正事由于极低的反射功率，使得超宽带系统对检测和截获具有先天的免疫能力。正是由于低发射功率，窃听者必须非常靠近发射机（大约一米）才能检测到发射信息。

优势五，抗干扰。

射频带宽是无线收发电路带宽。传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

处理增益PG是对无线通信系统抗干扰能力的度量，并且被定义为信号的射频带宽和信息带宽的比。

高处理增益促成的频率分集使得超宽带信号对蓄意和非蓄意的干扰具有较强的抵抗力。但是这种抗干扰能力仅是与窄带和宽带相比较而言的，由于，与在超宽带接收机频段中共存的传统无线发射机造成的强窄带干扰，超宽带通信系统的性能仍然下降，下降幅度取决去调制方案

优势6超宽带脉冲极短的持续期使得，它们对多径效应不敏感。

由于UWB 脉冲极窄、频带极宽, 其带宽相当于1 000 个电视频

道或3万个FM 广播频道,因此单位频宽内的功率密度相当低。美国FCC 对UWB 的发射功率做了严格限制, 其功率密度甚至低于一般

的噪声水平(比如低于一部笔记本电脑的辐射) 。因此,UWB 对

其他设备的影响微乎其微。UWB系统误码率可达到10-8、10-9。

对窄带信号而言，多径效应的影响相当严重；由于视线和非视线连续波的不同相位的叠加使得信号最多可衰减-40dB.另一方面。超宽带脉冲极短的持续期使得对多径效应不那么敏感。因为你在大多数场合超宽带脉冲的传输间隔要小于1ns，所以反射波持续时间非常短，因而与视线波脉冲重叠并且导致信号衰减的几率非常小。

尽管短的持续时间使得超宽带脉冲与窄带信号相比其对于多径效应不那么敏感，但是这并不意味着超宽带通信对多径失真能够完全避免。对超宽带信道模型的研究表明，低功率的超宽带脉冲在密布有大量物体和散射体的室内信道中会有严重的失真，其程度取决于使用的超宽带调制方案。

与窄带技术不同，超宽带系统能够有效地穿透不同材料。在范围宽广的超宽带频谱中所包含的低频成分为长波，它使得超宽带信号能够穿透多种材料，包括墙。该特性使得超宽带信号适用于需要穿透墙的通信系统以及穿透他的雷达。然而仅当其频谱包含无线频谱的低频部分时。超宽带信号的材料穿透能力才有用。

由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空

比极低，多径信号在时间上是可分离的。因此适合室内等复杂环

境下的高速传输。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落

深达10～30 dB 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不

到5 dB。