什么是超宽带(UWB)技术

一、UWB技术简介 　　UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。 　　虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会(FCC)所定义比中心频率高25%或者是大于1.5G赫兹。很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率(RF)载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。 　　UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。 　　与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。 　　超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所喜爱，而且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。 　　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n s) 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， 据资料表明，UWB 信号的有效传输距离在10m 以内， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。 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。表1表示这三个概念 　　信号带宽/中心频率 　　窄带 ≤1% 　　宽带 %1≤…≤25% 　　超宽带（UWB） ≥25%或带宽≥500Mbps 二、UWB技术原理 　　UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。 　　UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽0.1-1.5ns (1纳秒= 一亿分之一秒)，重复周期在25-1000ns。图2显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，图中脉冲的中心频率在2GHz。 　　图2 典型高斯单周期脉冲的时域和频域 　　实际通信中使用一长串的脉冲，图3显示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。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什么有用信息。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。 　　图3 单周期脉冲序列的时、频域特性 　　比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间δ来表示一个特定的信息。图4是一个二进制信息调制的示例。 　　图4 PPM调制的示意图 　　图中调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收，即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大，也不够杂乱。 　　为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量δ大小