UWB（UltraWideBand）UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領(lǐng)域的革命性進(jìn)展，認(rèn)為它將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。UWB（Ultra-Wideband）超寬帶，一開始是使用脈沖無線電技術(shù)，由于兩種方案的截然不同，而且各自都有強(qiáng)大的陣營支持，制定UWB標(biāo)準(zhǔn)的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出終的標(biāo)準(zhǔn)方案，于是將其交由市場解決。其傳輸距離通常在10m以內(nèi)，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個人通信。FCC規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6 GHz，工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)別主要有如下兩方面。一個是傳輸帶寬，另一個是采用不采用載波方式。從傳輸帶寬看，按照美國聯(lián)邦通信委員會FCC的定義：信號帶寬大于1.5G或者信號帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個脈沖。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當(dāng)于噪聲，對傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點(diǎn)顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

　　一、UWB的實(shí)現(xiàn)

　　UWB技術(shù)基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機(jī)直接用前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns （1納秒= 一億分之一秒），重復(fù)周期在25-1000ns。UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比較簡單，UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數(shù)據(jù)傳輸時，民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，其傳輸速率可達(dá)到500Mbit/s以上。UWB系統(tǒng)使用間隙的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低。在高速通信時，系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備功率的1/20左右。UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，大大降低了設(shè)備的成本。UWB還具有多徑分辨能力強(qiáng)、定位等特點(diǎn)。圖1，示出超寬帶無線通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

　　圖1超寬帶無線通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　二、UWB脈沖調(diào)制技術(shù)介紹

　　目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據(jù)頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經(jīng)典的超寬帶系統(tǒng)采用基帶脈沖波形。包含從低頻到GHz頻率的連續(xù)帶寬。常見的如矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，只適用于學(xué)術(shù)研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，通常每個脈沖持續(xù)的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達(dá)到幾GHz。設(shè)H、L和C分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率，B為相對帶寬，MB為帶寬，則在B為-10dB點(diǎn)處應(yīng)有：

　　或MB＞500MHz在信號調(diào)制時，可以采用單個脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調(diào)制；也可以用多個脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制[1]。在實(shí)際中，為了降低單個脈沖的幅度，提高系統(tǒng)的抗干擾性，超寬帶脈沖無線通信系統(tǒng)往往用多脈沖調(diào)制。在多脈沖調(diào)制中，傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖。因此，多脈沖調(diào)制的過程可以分成兩步：步是進(jìn)行每組脈沖內(nèi)對單個脈沖的調(diào)制。通常采用脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。PPM稱為跳時擴(kuò)譜（SpreadSpectrum）（THSS），每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置。BPM稱為直接序列擴(kuò)譜（DSSS），其每組脈沖內(nèi)部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性。第二步為每組脈沖作為整體被調(diào)制，通常采用脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。在采用均方誤差準(zhǔn)～I(xiàn)J（MMSE）檢測方式的多用戶接收機(jī)應(yīng)用情況時，兩者差別不大；但在速率比較高時，TH/DS.BPM的性能則比TH.PPM系統(tǒng)好。而利用不同SS序列之間的正交性，通過同時傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率的碼分復(fù)用技術(shù)也被用于UWB。復(fù)用技術(shù)是指一種在傳輸路徑上綜合多路信道，然后恢復(fù)原機(jī)制或解除終端各信道復(fù)用技術(shù)的過程。頻分復(fù)用（FDM） ― 載波帶寬被劃分為多種不同頻帶的子信道，每個子信道可以并行傳送一路信號。FDM 用于模擬傳輸過程。 時分復(fù)用（TDM） ― 在交互時間間隔內(nèi)在同一信道上傳送多路信號。TDM 廣泛用于數(shù)字傳輸過程。 碼分復(fù)用 每個信道作為編碼信道實(shí)現(xiàn)位傳輸（特定脈沖序列）。這種編碼傳輸方式通過傳輸?shù)臅r間系列短脈沖完成，但在較長的位時間中則采用時間片斷替代。每個信道，都有各自的代碼，并可以在同一光纖上進(jìn)行傳輸以及異步解除復(fù)用。 波分復(fù)用（WDM） ― 在一根光纖上使用不同的波長同時傳送多路光波信號。WDM 用于光纖信道。WDM 與 FDM 基于相同原理但是它應(yīng)用于光纖信道上的光波傳輸過程。

　　三、UWB的技術(shù)優(yōu)勢及不足

　　1.技術(shù)優(yōu)勢

　?。?）傳輸速率高理論上，一個寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Mbit/s-500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級。

　　（2）發(fā)射功率低，功耗小因?yàn)椴皇褂幂d波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項(xiàng)傳輸技術(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw，雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)的不斷成熟和進(jìn)步，這項(xiàng)指標(biāo)隨之會降下來。

　　（3）UWB通信的保密性強(qiáng)UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景。

　　（4）UWB通信采用調(diào)時序列，能夠抗多徑衰落多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點(diǎn)信號幅度隨機(jī)變化，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達(dá)之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。

　　更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統(tǒng)幾乎實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本?？梢哉f，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式。

　　2.不足之處

　　當(dāng)然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，UWB系統(tǒng)可能會干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)，因此，UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續(xù)時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國通信協(xié)會（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請。FCC（Federal Communications Commission，美國聯(lián)邦通訊委員會）是美國政府的一個獨(dú)立機(jī)構(gòu)，直接對國會負(fù)責(zé)。FCC的工程技術(shù)部負(fù)責(zé)委員會的技術(shù)支持，及設(shè)備認(rèn)可方面的事務(wù)。根據(jù)美國聯(lián)邦通訊法規(guī) （CFR 47部分）規(guī)定，凡進(jìn)入美國的電子類產(chǎn)品都需要進(jìn)行電磁兼容（一些有關(guān)條款特別規(guī)定的產(chǎn)品除外），稱為FCC。

　　四、與其他技術(shù)的比較

　　表1給出UWB與其他短距離無線通信的簡單比較。從表中可見，除了在通信距離上UWB比其他三種短距離無線通信方式受限外，在傳輸速率、發(fā)射功率、空間容量、應(yīng)用范圍等方面，UWB都占有較大優(yōu)勢。

　　表1UWB與其它短距離無線通信的比較

　　五、應(yīng)用

　　1.UWB在家庭中的應(yīng)用

　　雖然無線通信網(wǎng)已經(jīng)在企業(yè)和公共場所得到推廣和應(yīng)用，但是這些現(xiàn)有技術(shù)很難為家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)的無線互連提供一個合適的方案。首先，為了滿足無線數(shù)字視頻的要求，家庭無線互連產(chǎn)品需要更高的通信速率，以無線高清晰數(shù)字電視（WHDTV）為例，如果采用MPFG2HD數(shù)據(jù)格式，則視頻數(shù)據(jù)流的速率高達(dá)25Mbit/s；其次，讓家庭無線通信產(chǎn)品走向千家萬戶，系統(tǒng)成本必須很低。市場調(diào)查表明，如果無線產(chǎn)品的價格比同類有線產(chǎn)品的價格高出30%，將很難被眾多的消費(fèi)者所接受。其次，家庭無線通信產(chǎn)品中用到的嵌入式網(wǎng)關(guān)和小型手持設(shè)備往往是電池供電，因此，降低功耗就是一個突出的問題。即家庭無線通信產(chǎn)品必須具備高速率、低成本和低功耗三個優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方案無法在速率、成本和功耗這三者之間找到一個合適的平衡點(diǎn)。UWB適用于兩類家庭消費(fèi)電子的應(yīng)用。

　　UWB有望滿足家庭消費(fèi)者的其它重要需求。有線與衛(wèi)星供應(yīng)商正推出越來越多的高清電視廣播，通常需要標(biāo)清信號五倍左右的帶寬。UWB具有110Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率及10m的傳輸距離，因此，只有它才能在住宅的幾乎所有空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從機(jī)頂盒向電視顯示器無線傳輸高分辨率視頻流的功能。這使得消費(fèi)者無須為每臺電視機(jī)都添置新的機(jī)頂盒，即可使家里多臺電視機(jī)都接收到高清節(jié)目源。

　　2.無繩USB

　　無繩USB（WirelessUSB）是一種無線接口標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是以無線取代目前的USB連線。無線技術(shù)方面將使用超寬帶近距離高速通信技術(shù)“UWB”。目標(biāo)傳送速度為USB2.0的通信速度480Mbit/s?？赏鸘WB無線技術(shù)將取代USB，成為PC的外設(shè)接口。USB 通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。

　　無繩USB可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字家庭的打印機(jī)共享、無線鼠標(biāo)、鍵盤連接，掃描儀的數(shù)據(jù)傳輸，移動硬盤的無線接入，DV數(shù)據(jù)傳送等應(yīng)用，是數(shù)字家庭標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接入的接口。通過UWB無繩USB連接，組成了以計(jì)算機(jī)為中心，USB標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)作為從設(shè)備的互聯(lián)互通小網(wǎng)絡(luò)。這個小型網(wǎng)絡(luò)能夠完成系統(tǒng)協(xié)同工作，由軟件控制可智能完成用戶的特定任務(wù)。

　　圖2無線USB應(yīng)用場景

　　六、結(jié)束語

　　UWB還可用于智能無線局域網(wǎng)、室外對等網(wǎng)，以及在對工廠、倉庫、超市中貴重物品的位置信息低速傳輸傳感、定位、識別等方面。雖然基于UWB技術(shù)的802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，但鑒于其在短距離無線通信領(lǐng)域中所具有的優(yōu)勢，以及在民用和軍用領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景，UWB技術(shù)必將在無線通信領(lǐng)域中占據(jù)重要一席之地。