基本介紹
- 中文名：超寬頻
- 外文名：UWB
- 類型：新型的無線通信技術
- 別稱：UWB技術
- 作用：使信號具有GHz量級的頻寬
簡介,性能特點,技術問題,技術套用,超寬頻信號及其特點,超寬頻信號發射機、接收機基本結構,相關技術比較,國內外研究及發展情況,
簡介
性能特點
UWB是一種“特立獨行”的無線通信技術，它將會為無線區域網路LAN和個人區域網路PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高頻寬並且相對簡單的無線通信技術。UWB具有以下特點：
抗干擾性能
UWB信號，在發射時將微弱的無線電脈衝信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低於普通設備產生的噪聲。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。
傳輸速率高
UWB的數據速率可以達到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高於藍牙100倍，也可以高於IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。
頻寬極寬
UWB使用的頻寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，並且可以和窄帶通信系統同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張時開闢了一種新的時域無線電資源。
系統容量大
因為不需要產生正弦載波信號，可以直接發射衝激序列，因而UWB系統具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利於與其他系統共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統容量。
發射功率低
在短距離的通信套用中，超寬頻發射機的發射功率通常可做到低於1mW，從理論上而言，超寬頻信號所產生的干擾僅僅相當於一寬頻的白噪聲。這樣有助於超寬頻與現有窄帶通信之間的良好共存，對於提高無線頻譜的利用率具有很大的意義，更好的緩解日益緊張的無線頻譜資源問題。並且超寬頻信號的隱蔽性較強，不容易被發現和攔截，具有較高的保密性。
保密性好
UWB保密性表現為兩方面：一方面是採用跳時擴頻，接收機只有已知傳送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低。用傳統的接收機無法接收。
通信距離短
信號傳輸受到距離的影響和高頻信號強度會衰減很快，因此超寬頻帶的使用更加適用於短距離之間的通信。
多徑解析度
因為其採用的是持續時間極短的窄脈衝，所以其時間上和空間上的解析度都是很強的，方便進行測距、定位、跟蹤等活動的開展，並且窄脈衝具有良好的穿透性，所遇超寬頻在紅外通信中也得到廣泛的使用。
便攜
此技術使用基帶傳輸，無需射頻調製和解調，因此其設備功耗小，成本也較低，靈活的使用特性也使其更適合於便攜型無線通信的使用。
技術問題
單頻帶系統
單頻帶系統僅使用單一的成形脈衝進行數據傳輸，其信號頻寬很大，多徑解析度很高，抗衰落能力強。但由於信號的時間彌散嚴重，接收機的複雜度較高。此外，為解決共存性問題，避免與帶內窄帶系統的干擾，該系統採用的濾波器也是比較複雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經過DS-CDMA擴頻之後的信號再對載波進行調製，從而可以在合適的頻帶範圍內傳輸。傳統的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規定的發射功率的限制。而單載波DS-CDMA方案通過頻譜搬移解決了這一難題。
多頻帶系統
多頻帶系統是指將規劃UWB的整個頻段劃分成若干個子帶。使用部分或全部子帶進行數據傳輸。信號成形和數據調製在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統窄帶系統使用頻段。多頻帶系統根據調製方式分為多帶脈衝無線電和多帶正交頻分復用兩種方式。其多址問題採用跳頻技術來解決。相對於符號速率又可分為快跳和慢跳。MBOA（MultiBand Orthogonal frequency division multiplexing Alliance）多頻帶聯盟提議將UWB頻帶分為最少三個頻段。並採用正交頻分復用（OFDM）方式將三個頻段進一步分為大量的窄通道。
從技術上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協的。對無線電頻率管理來說，有兩個基本的原則：一是新的無線電技術不得對已有的無線電台（系統）造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護要求，即要能忍受已有無線電台的各種干擾。DS-CDMA因為使用整個3.1～10.6GHz頻段，包括傳統無線技術使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個頻率子帶可以很方便地避開這些頻率。
硬體系統
同傳統結構相比，UWB接收機的結構相對簡單，圖1給出了UWB發射和接收機的系統框圖。在UWB收發信機中，信息可被不同技術調製，在接收端，天線收集信號能量經放大後通過相關接收後處理，再經門限檢測後獲得原來信息。相對於超外差式接收機來說，實現相對簡單，沒有本振、功放、PLL（鎖相環）、VCO（壓控振盪器）、混頻器等，成本低，而且UWB接收機可全數位化實現，採用軟體無線電技術，可動態調整數據率、功耗等。
技術套用
由於UWB通信利用了一個相當寬的頻寬，就好像使用了整個頻譜，並且它能夠與其他的套用共存，因此UWB可以套用在很多領域，如個域網、智慧型交通系統、無線感測網、射頻標識、成像套用。
個域網中套用
UWB可以在限定的範圍內（比如4m）以很高的數據速率（比如480Mbit/s）、很低的功率（200μW）傳輸信息，這比藍牙好很多。藍牙的數據速率是1 Mbit/s，功率是1mW。UWB能夠提供快速的無線外設訪問來傳輸照片、檔案、視頻。因此UWB特別適合於個域網。通過UWB，可以在家裡和辦公室里方便地以無線的方式將視頻攝像機中的內容下載到PC中進行編輯，然後送到TV中瀏覽，輕鬆地以無線的方式實現個人數字助理（PDA）、手機與PC數據同步、裝載遊戲和音頻/視頻檔案到PDA、音頻檔案在MP3播放器與多媒體PC之間傳送等。
智慧型交通套用
利用UWB的定位和搜尋能力，可以製造防碰和防障礙物的雷達。裝載了這種雷達的汽車會非常容易駕駛。當汽車的前方、後方、旁邊有障礙物時，該雷達會提醒司機。在停車的時候，這種基於UWB的雷達是司機強有力的助手。利用UWB可還以建立智慧型交通管理系統，這種系統應該由若干個站台裝置和一些車載裝置組成無線通信網，兩種裝置之間通過UWB進行通信完成各種功能。例如，實現不停車的自動收費、汽車方的隨時定位測量、道路信息和行駛建議的隨時獲取、站台方對移動汽車的定位搜尋和速度測量等。
感測器聯網
利用UWB低成本、低功耗的特點，可以將UWB用於無線感測網。在大多數的套用中，感測器被用在特定的局域場所。感測器通過無線的方式而不是有線的方式傳輸數據將特別方便。作為無線感測網的通信技術，它必須是低成本的；同時它應該是低功耗的，以免頻繁地更換電池。UWB是無線感測網通信技術的最合適候選者。
成像套用
由於UWB具有好的穿透牆、樓層的能力，UWB可以套用於成像系統。利用UWB技術，可以製造穿牆雷達、穿地雷達。穿牆雷達可以用在戰場上和警察的防暴行動中，定位牆後和角落的敵人；地面穿透雷達可以用來探測礦產，在地震或其他災難後搜尋倖存者。基於UWB的成像系統也可以用於避免使用X射線的醫學系統。
由於UWB有著很多優點，它還可以用於智慧型標識、有線網路的無線延伸以及在軍事方面用來實現超保密的通信系統。
超寬頻信號及其特點
美聯邦通信委員會(FCC)規定： 部分頻寬號稱為UWB信號。其中，部分頻寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。 一種典型的脈位調製(PPM)方式的UWB信號形式[1],[2]為： Str(k)(t)表示第k個用戶的發射信號，它是大量的具有不同時移的單周期脈衝之和。w(t)表示傳輸的單周期脈衝波形，可以為單周期高斯脈衝或其一階、二階微分脈衝，從該發射機時鐘的零時刻(t(k)=0)開始。第j個脈衝的起始時間為。
仔細分析每個時移分量：
（1）相同時移的脈衝序列：形式的脈衝表示時間步長為Tf的單周期脈衝，其占空比極低，幀長或脈衝重複時間Tf(Frame Time)的典型值為單周期脈衝寬度的一百到一千倍。類似於ALOHA系統，這樣的脈衝序列極容易導致隨機碰撞。
（2）偽隨機跳時：為減少多址接入時的衝突，給每個用戶分配一個特定的偽隨機序列，稱之為跳時碼，其周期為Np。跳時碼的每個碼元都是整數，且滿足。這樣跳時碼給每個脈衝附加了時移，第j個單周期脈衝的附加時移為秒。 由於讀出單周期脈衝相關器的輸出要占用一定的時間，NhTc/Tf應嚴格小於1。然而如果NhTc太小，那么多個用戶接入時發生衝突的機率仍然會很大。相反，如果NhTc足夠大且跳時碼設計合理，就可以將多用戶干擾近似為加性高斯白噪聲AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信號。 由於跳時碼是周期為Np的周期序列，那也為Np周期序列，其周期為Tp=NpTf。跳時碼的另外一個作用是使UWB信號的功率譜密度更為平坦。
（3）數據調製：第k個用戶傳送的數據序列{di(k)}為二進制數據流。每個碼元傳輸Ns個單周期脈衝，這樣增加了信號的處理增益。 在這種調製方式下，一個符號(或碼元)的持續時間為Ts=NsTf。對於固定的脈衝重複時間Tf，二進制的符號速率Rs，為： 顯然，採用上述信號的超寬頻脈衝通信系統具有以下特點：信號持續時間極短，為納秒、亞納秒級脈衝，信號占空比極低(1%～0．1%)，故有很好的多徑免疫力；頻譜相當寬，達GHz量級，且功率譜密度低，故UWB信號對其他系統干擾小、抗截獲能力強；UWB系統處理增益很高，其總處理增益PC為： 例如，當某二進制UWB通信系統Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps時，該系統UWB信號的處理增益為50dB。與其他通信系統相比，其處理增益非常高。 另外，UWB信號為極窄脈衝的序列，故有非常強的穿透能力，可以辨別出隱藏的物體或牆體後運動著的物體，能實現雷達、定位、通信三種功能的結合，適合軍用戰術通信。
超寬頻信號發射機、接收機基本結構
1、發射機和相關接收機模型 與傳統的無線收發信機結構相比，UWB收發信機的結構相對簡單。如圖3所示，在發射端，數據直接對射頻脈衝調製，再通過可程式延時器件對脈衝進一步時延控制，最後通過超寬頻天線發射出去。在接收端，信號通過相關器與本地模板波形相乘，積分後通過抽樣保持電路送到基帶信號處理電路中，由捕獲跟蹤部分、時鐘振盪器和(跳時)碼產生器控制可程式延時器，根據相應的時延產生本地模板波形，與接收信號相乘。整個收發信機幾乎全部由數字電路構成，便於降低成本和小型化。
2、Rake接收機模型 由於UWB信號需要用時域的方法進行分析，多用於戶內密集多徑(多徑可達到30條)的條件下，而且每條路徑的信號能量都很小，難以對每條信道做出估計，所以使UWB信號的Rake接收成為可能。Rake接收機使原來能量很小的多徑信號經過能量合併後提高的信噪比提高系統性能。
相關技術比較
由於UWB技術的種種優點，使其成為無線個人區域網路WPAN (Wireless Personal Area Network)的主要技術之一。WPAN的目標是用無線電或紅外線代替傳統的有線電纜，以低價格和低功耗在10m範圍內實現個人信息終端的智慧型化互聯，組建個人化信息網路。其最普遍的套用是連線電腦、印表機、無繩電話、PDA以及信息家電等設備。實現WPAN的主要技術有：IEEE802．11b(Win)、Home RF、IrDA、藍牙(Bluetooth)以及超寬頻等五種。可以看出UWB技術的優勢較為明顯，主要不足是發射功率過小限制了其傳輸距離.也就是說，10m以內，UWB可以發揮出高達數百Mbps的傳輸性能，對於遠距離套用IEEE802．11b或Home RF無線PAN的性能將強於UWB。UWB和同為熱門的IEEE802．11b以及Home RF不會進行直接競爭，因為UWB更多地是套用於10m左右距離的室內。事實上，把UWB看作藍牙技術的替代者可能更為適合，因後者傳輸速率遠不及前者，另外藍牙技術的協定也較為複雜。
參數對比
對比 | 超寬頻 | 藍牙 | IEEE802.11a | HomeRF |
速率（bps） | 最高達1G | <1M | 54M | 1~2M |
距離（米） | <10 | 10 | 10~100 | 50 |
功率 | 1毫瓦以下 | 1~100毫瓦 | 1瓦以上 | 1瓦以下 |
國內外研究及發展情況
1、國外研究現狀
軍用方面：早在1965年，美國就確立了UWB的技術基礎。在後來的二十年內，UWB技術主要用於美國的軍事套用，其研究機構僅限於與軍事相關聯的企業以及研究機關、團體。美國國防部正開發幾十種UWB系統，包括戰場防竊聽網路等。 民用方面：由於超寬頻技術的種種優點使其在無線通信方面具有很大的潛力，近年來國外對UWB信號套用的研究比較熱門，主要用於通信(如家庭和個人網路，公路信息服務系統和無線音頻、數據和視頻分發等)、雷達(如車輛及航空器碰撞/故障避免，入侵檢測和探地雷達等)以及精確定位(如資產跟蹤、人員定位等)。索尼、時域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒—克萊斯勒等高技術公司都已涉足UWB技術的開發，將各種消費類電子設備以很高的數據傳輸率相連，以滿足消費者對短距離無線通信小型化、低成本、低功率、高速數據傳輸等要求。 國際學術界對超寬頻無線通信的研究也越來越深入。2002年5月20～23日，IEEE舉辦了一期會議，專門討論UWB技術及其套用。2002年2月14日，美國聯邦通信委員會(FCC)正式通過了將UWB技術套用於民用的議案，定義了三種UWB系統：成像系統、通信與測量系統、車載雷達系統，並對三種系統的EIRP(全向有效輻射功率)分別做了規定。但是，UWB技術的協定與標準尚未確定，只有美國允許民用UWB器件的使用；而歐洲正在討論UWB的進一步使用情況，並觀望美國的UWB標準。
2、國內研究現狀
2001年9月初發布的“十五”863計畫通信技術主題研究項目中，把超寬頻無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容，鼓勵國內學者加強這方面的研發工作。但是國內關於UWB技術的深入研究僅限於雷達方面，關於UWB通信系統的研究還沒有形成規模。
