UWB技术的定义是什么？UWB技术有哪些特点？

　　随着无线通信技术的发展，现有的无线网络技术已经不能满足人们对短距离高速无线通信的需求。因此，当设计未来的短距离无线通信系统时，需要考虑通信的普遍特性和3G中提到的“任何人、任何时间、任何地点”的连接性。这就要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）、无线个人局域网（WPAN）、Ad hoc网络以及家用局域网等的结合，同时还可以连接各种不同的设备，包括计算机和各种娱乐设备。要实现这些目标，就需要开发新的无线技术，超宽带（UWB）技术便应运而生。
　　1、UWB技术的定义及其特点
　　1.1　UWB技术的定义
　　2002年2月14日，美国联邦通信委员会修订了第15标准，第15标准是管理包括UWB设备在内的使用非授权频段的无线设备的标准。在美国联邦通信委员会（FCC）的指导下，对UWB的使用提供了在短距离（不足10m的范围）、低发射功率（平均等方向性辐射能为-41.3 dBm/MHz）、具有极高容量（几个Gbps）的要求。FCC对UWB信号的定义是UWB带宽大于500 MHz（UWB带宽指-10dB带宽），或分数带宽（即带宽与中心频率的比）大于0.20。传统通信系统一般分数带宽都小于0.01，宽带码分多址（WCDMA）系统的分数带宽约为0.02，而在UWB系统中其分数带宽等于0.2或0.25。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段 3.1GHz～10.6GHz内以极低的功率工作。较低的带内带外发射功率限制确保了UWB设备不会对现存授权频段的设备及其他重要无线设备产生干扰。
　　从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而UWB技术是通过具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲对数据进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。香农理论认为，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比（SNR）的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、SNR的降低而增加。这样，对于 WPAN，在发射距离较近的情况下，信号的传播损耗较小，可以通过增加信号带宽来提高系统的容量。
　　从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）小于1%；相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带；相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。
　　从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十ns）直接实现调制。超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离，资料表明，UWB信号的有效传输距离在10m以内。故而在民用方面，UWB普遍定位于个人局域网的范畴。
　　1.2　UWB技术的特点
　　1）系统结构的实现比较简单
　　当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器。因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器，同时在接收端UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理。因此，UWB系统结构的实现比较简单。
　　2）数据传输速率高
　　民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围在10m以内，根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/s，可见，这是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
　　3）功耗低
　　UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns～1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右；军用的UWB 电台耗电也很低。因此，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。
　　4）安全性高
　　作为通信系统的物理层技术，UWB技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统而言，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下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。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。UWB安全性还表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。
　　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。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10dB～30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。
　　6）定位精确
　　冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无
　　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，其定位精度可达厘米级。此外，超宽带无线电定位器更为便宜。
　　7）工程简单造价便宜
　　在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。
　　2、UWB的关键技术
　　2.1　脉冲信号的产生
　　从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级（10-9s）的信号源是UWB技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的方法有：a）光电方法，基本原理是利用光导开关的陡峭上升／下降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒（10-12s）量级，是最有发展前景的一种方法。b）电子方法，基本原理是利用晶体管PN结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到1ns以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。
　　2.2　UWB的调制及多址方式
　　2.2.1　调制方式
　　由于UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度限制，因而在两个方面影响调制方式的选择：一是对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能；二是影响了信号功率谱密度的结构，有可能把一些额外的限制加在传输功率上。在UWB中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。
　　1）单脉冲调制
　　对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于UWB的主要单脉冲调制技术有：脉冲幅度调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）、通断键控（OOK）、二相调制（BPM）和跳时／直扩二进制相移键控调制TH／DS-BPSK等。
　　PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。BPM和OOK是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。OOK通过脉冲的有无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM的基本原理。在PPM中，脉冲的极性和幅度都不改变。PAM、OOK和PPM共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息。PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。然而PAM、OOK和PPM都有一个共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅会使UWB脉冲系统的信号难以满足一定的频谱要求（例如FCC关于UWB信号频谱的规定），而且还会降低功率的利用率。
　　通过上面五种调制方式的分析及实践中的应用可知：对于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM是一种较理想的脉冲调制技术。
　　2）多脉冲调制
　　在实际使用中，我们常使用多脉冲来提高抗干扰性能。当采用多脉冲调制时，传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。一般把第一步称为扩谱，而把第二步称为信息调制。因而在第一步中，把PPM称为跳时扩谱（TH-SS），即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置；把BPM称为直接序列扩谱（DS-SS），即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性。在第二步中，根据需要传输的信息比特，PAM同时改变每组脉冲的幅度，PPM同时调节每组脉冲的时间位置，BPM同时改变每组脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技术：TH_SS PPM、DS-SS PPM、TH-SS PAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。在多脉冲调制中，利用不同SS序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用（CDMA）技术。2004年的国际信号处理会议上提出了一种特殊的CDMA系统 ——无载波的正交频分复用系统（CL-UWB/OFDM），这种多脉冲调制技术可以有效地抑制多路数据之间的干扰和窄带干扰。
　　2.2.2　多址方式
　　在UWB系统中，多址接入方式与调制方式有密切联系。当系统采用PPM调制方式时，多址接入方式多采用跳时多址；若系统采用BPSK方式，多址接入方式通常有直序和跳时两种方式。基于上述两种基本的多址方式，许多其他多址方式陆续被提出，主要包括以下几种。
　　1）伪混沌跳时多址方式（PCTH）
　　PCTH根据调制的数据，产生非周期的混沌编码，用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化。PCTH调制不仅能减少对现有无线通信系统的影响，而且更不易被检测到。
　　2）DS-BPSK/TH混合多址方式
　　此方式在跳时（TH）的基础之上，通过直接序列扩频码进一步减少多址干扰，其多址性能优于TH-PPM，与DS-BPSK相当，但在实现同步和抗远近效应方面，具有一定的优势。
　　3）DS-BPSK/Fixed TH混合多址方式
　　此方式的特点是打破TH-PPM多址方式中采用随机跳时码的常规思路，利用具有特殊结构的固定跳时码，减少不同用户脉冲信号的碰撞概率。即使有碰撞发生时，利用直接序列扩频的伪随机码的特性，也可以进一步削弱多址干扰。
　　此外，由于UWB脉冲信号具有极低的占空比，其频谱能够达到GHz的数量级，因而UWB在时域中具有其他调制方式所不具有的特性。当多个用户的UWB信号被设计成具有不同的正交波形时，根据多个UWB用户时域发送波形的正交性来区分用户，实现多址，这被称之为波分多址技术。
　　3、UWB技术的应用
　　由于UWB通信利用了一个相当宽的带宽，就好像使用了整个频谱，并且它能够与其他的应用共存，因此UWB可以应用在很多领域，如：个域网、智能交通系统、无线传感网、射频标识、成像应用。
　　3.1　UWB在个域网中的应用
　　UWB可以在限定的范围内（比如4m）以很高的数据速率（比如480Mb/s）、很低的功率（200μW）传输信息，这比蓝牙好很多。蓝牙的数据速率是 1Mb/s，功率是1mW。UWB能够提供快速的无线外设访问来传输照片、文件、视频。因此UWB特别适合于个域网。通过UWB，可以在家里和办公室里方便地以无线的方式将视频摄像机中的内容下载到PC中进行编辑，然后送到TV中浏览，轻松地以无线的方式实现掌上电脑（PDA）、手机与PC数据同步、装载游戏和音频/视频文件到PDA、音频文件在MP3播放器与多媒体PC之间传送等。
　　3.2　UWB在智能交通信息中的应用
　　利用UWB的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时，该雷达会提醒司机。在停车的时候，这种基于UWB的雷达是司机强有力的助手。利用UWB可还以建立智能交通管理系统，这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。例如，实现不停车的自动收费、汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取、站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等。
　　3.3　传感器联网
　　利用UWB低成本、低功耗的特点，可以将UWB用于无线传感网。在大多数的应用中，传感器被用在特定的局域场所。传感器通过无线的方式而不是有线的方式传输数据将特别方便。作为无线传感网的通信技术，它必须是低成本的；同时它应该是低功耗的，以免频繁地更换电池。UWB是无线传感网通信技术的最合适候选者。
　　3.4　成像应用
　　由于UWB具有好的穿透墙、楼层的能力，UWB可以应用于成像系统。利用UWB技术，可以制造穿墙雷达、穿地雷达。穿墙雷达可以用在战场上和警察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人；地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜寻幸存者。基于UWB的成像系统也可以用于避免使用x射线的医学系统。
　　由于UWB有着很多优点，它还可以用于智能标识、有线网络的无线延伸以及在军事方面用来实现超保密的通信系统。
　　4、结束语
　　UWB作为一种新的无线通信技术，由于调制方式和多址技术的特点使得它具有其它无线通信技术所无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性高等优点，超宽带无线通信系统还可与其他系统共存，因此UWB可以应用在很多的领域，在无线通信领域UWB也是一个非常有前景的技术。