[科普中国]-超宽带

超宽带技术（UWB，Ultra Wide Band）技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有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，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、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。

超宽带（UWB）在早期被用来应用在近距离高速数据传输，近年来国外开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。

简介UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。

性能特点UWB是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人局域网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。UWB具有以下特点：

抗干扰性能

UWB信号，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。

传输速率高

UWB的数据速率可以达到几十兆比特每秒到几百兆比特每秒，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

带宽极宽

UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几吉赫兹，并且可以和窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张时开辟了一种新的时域无线电资源。

系统容量大

因为不需要产生正弦载波信号，可以直接发射冲激序列，因而UWB系统具有很宽的频谱和很低的平均功率，有利于与其他系统共存，从而提高频谱利用率，带来了极大的系统容量。

发射功率低

在短距离的通信应用中，超宽带发射机的发射功率通常可做到低于1mW，从理论上而言，超宽带信号所产生的干扰仅仅相当于一宽带的白噪声。这样有助于超宽带与现有窄带通信之间的良好共存，对于提高无线频谱的利用率具有很大的意义，更好的缓解日益紧张的无线频谱资源问题。并且超宽带信号的隐蔽性较强，不容易被发现和拦截，具有较高的保密性。

保密性好

UWB保密性表现为两方面：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。

通信距离短

信号传输受到距离的影响和高频信号强度会衰减很快，因此超宽频带的使用更加适用于短距离之间的通信。

多径分辨率

因为其采用的是持续时间极短的窄脉冲，所以其时间上和空间上的分辨率都是很强的，方便进行测距、定位、跟踪等活动的开展，并且窄脉冲具有良好的穿透性，所遇超宽带在红外通信中也得到广泛的使用。

便携

此技术使用基带传输，无需射频调制和解调，因此其设备功耗小，成本也较低，灵活的使用特性也使其更适合于便携型无线通信的使用。1

技术问题单频带系统

单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输，其信号带宽很大，多径分辨率很高，抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重，接收机的复杂度较高。此外，为解决共存性问题，避免与带内窄带系统的干扰，该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA。在单载波DS-CDMA方案中，经过DS-CDMA扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA方案通过频谱搬移解决了这一难题。

多频带系统

多频带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带。使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成通过射频载波搬移到不同子带，避开传统窄带系统使用频段。多频带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。其多址问题采用跳频技术来解决。相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段。并采用正交频分复用（OFDM）方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。

从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的。对无线电频率管理来说，有两个基本的原则：一是新的无线电技术不得对已有的无线电台（系统）造成有害干扰；二是受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CDMA因为使用整个3.1～10.6GHz频段，包括传统无线技术使用其中的一些频率，而MBOA使用多个频率子带可以很方便地避开这些频率。

硬件系统

同传统结构相比，UWB接收机的结构相对简单，图1给出了UWB发射和接收机的系统框图。在UWB收发信机中，信息可被不同技术调制，在接收端，天线收集信号能量经放大后通过相关接收后处理，再经门限检测后获得原来信息。相对于超外差式接收机来说，实现相对简单，没有本振、功放、PLL（锁相环）、VCO（压控振荡器）、混频器等，成本低，而且UWB接收机可全数字化实现，采用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。2

技术应用由于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。

个域网中应用

UWB可以在限定的范围内（比如4m）以很高的数据速率（比如480Mbit/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1 Mbit/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个人数字助理（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。

智能交通应用

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。

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。

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。3

超宽带信号及其特点美联邦通信委员会(FCC)规定： 部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。 一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为： Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。

仔细分析每个时移分量：

（1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。

（2）伪随机跳时：为减少多址接入时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。 由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。 由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。

（3）数据调制：第k个用户发送的数据序列{di(k)}为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。 在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为： 显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1%～0．1%)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为： 例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。 另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。

超宽带信号发射机、接收机基本结构1、发射机和相关接收机模型 与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。

2、Rake接收机模型 由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。4

相关技术比较由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离.也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或Home RF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及Home RF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。

参数对比

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