《跳時超寬頻(TH-UWB)通信積體電路設計》主要針對跳時超寬頻（TH-UWB）無線通信系統，系統地論述和研究TH-UWB基帶信號收發信系統及其積體電路設計方法，研究TH-UWB通信射頻收發信系統及其積體電路設計方法。《跳時超寬頻(TH-UWB)通信積體電路設計》共9章，主要內容包括：UWB通信技術的發展過程和概況；UWB無線通信系統；UWB多址通信TH-PPM信號產生的建模與設計；TH-PPM UWB系統的接收處理與設計；UWB通信系統中的射頻積體電路工藝、器件模型及設計方法；THUWB通信射頻發信機積體電路設計；TH-UWB通信射頻接收機的LNA積體電路設計；TH-UWB通信射頻接收機的主放大器積體電路設計；THUWB通信射頻接收機的射頻解調器積體電路設計。 《跳時超寬頻(TH-UWB)通信積體電路設計》的讀者對象主要是通信與信息系統學科、電路與系統學科、積體電路設計學科和微電子學與固體電子學學科的高年級本科生、碩士研究生、博士研究生以及從事相關技術工作的工程技術人員等。
基本介紹
- 書名：跳時超寬頻通信積體電路設計
- 出版社：科學出版社
- 頁數：156頁
- 開本：16
- 品牌：科學出版社
- 作者：段吉海 王志功
- 出版日期：2012年2月1日
- 語種：英語
- ISBN：9787030333186
內容簡介,圖書目錄,文摘,
內容簡介
《跳時超寬頻(TH-UWB)通信積體電路設計》是由科學出版社出版的。
圖書目錄
前言
第1章 緒論
參考文獻
第2章 UWB無線通信系統
2.1 UWB通信技術概述
2.1.1 UWB信號的定義
2.1.2 UWB信號波形的時域與頻域特性
2.1.3 UWB無線通信的優點
2.1.4 UWB通信的標準與規範
2.1.5 UWB通信的調製技術
2.2 UWB無線多址通信系統的組成
2.2.1 TH-UWB和DSC-UWB多址發信系統及信息調製方式
2.2.2 接收系統信號處理
2.3 超寬頻通信射頻收發前端
2.3.1 一種帶射頻調製的UWB脈衝發射機
2.3.2 超寬頻射頻接收前端
2.4 小結
參考文獻
第3章 UWB多址通信TH-PPM信號產生的建模與設計
3.1 UWB發信系統TH-PPM信號產生的建模原理
3.2 TH-PPM UWB發信系統的具體實現模型與設計
3.2.1 基準時鐘產生器
3.2.2 分頻器的建模與VHDL程式設計
3.2.3 信息碼產生器
3.2.4 PN碼(偽隨機碼)產生器
3.2.5 二進制加法器
3.2.6 比較器
3.2.7 PPM信號形成器
3.3 TH-PPM信號產生的頂層電路與時序仿真
3.4 小結
參考文獻
第4章 TH-PPM UWB系統的接收處理與設計
4.1 TH-PPM UWB系統的接收信號處理
4.2 UWB TH-PPM信號接收系統的VHDL設計
4.2.1 時鐘信號提取
4.2.2 “模板信號”模組
4.2.3 “相關檢測器”模組
4.2.4 “搜尋控制與失步保護”模組
4.2.5 “判決器”模組
4.3 接收系統的VHDL設計頂層電路與時序仿真
4.4 接收系統的位同步及狀態同步性能分析
4.4.1 位同步系統的性能分析
4.4.2 接收系統的狀態同步性能分析
4.5 小結
參考文獻
第5章 UWB通信系統中的射頻積體電路工藝、器件模型及設計方法
5.1 積體電路發展狀況
5.2 UWB通信系統中的射頻積體電路工藝
5.2.1 CMOS工藝
5.2.2 GaAs工藝
5.2.3 SiGe BiCMOS工藝
5.3 器件模型
5.3.1 MOS有源器件模型
5.3.2 無源器件模型
5.4 UWB通信系統中射頻積體電路的設計方法
5.4.1 UWB通信系統中射頻積體電路的設計流程
5.4.2 UWB通信系統中射頻積體電路設計的注意事項
5.5 小結
參考文獻
第6章 TH-UWB通信射頻發信機積體電路設計
6.1 UWB射頻發信機模型
6.1.1 傳統的UWB發信機結構
6.1.2 單脈衝UWB信號的發信機結構
6.1.3 多脈衝UWB信號的發信機結構
6.2 多脈衝TH-UWB射頻發信機的設計
6.2.1 設計要求
6.2.2 設計原理
6.2.3 前仿真
6.3 晶片版圖與測試結果分析
6.4 小結
參考文獻
第7章 TH-UWB通信射頻接收機的LNA積體電路設計
7.1 低噪聲放大器網路的噪聲分析
7.1.1 二連線埠網路的噪聲分析
7.1.2 MOS電晶體噪聲模型
7.1.3 MOS電晶體最小噪聲係數的計算
7.2 MOS低噪聲放大器的基本電路結構和技術指標
7.2.1 CMOS低噪聲放大器的幾種電路結構
7.2.2 CMOS低噪聲放大器的技術指標
7.3 TH-UWB通信超寬頻低噪聲放大器設計
7.3.1 UWB LNA的研究現狀
7.3.2 UWB LNA的電路設計
7.3.3 寬頻輸入阻抗匹配與噪聲匹配
7.3.4 平衡輸出的實現
7.4 UWB低噪聲放大器電路仿真
7.5 版圖與晶片及結果分析
7.6 小結
參考文獻
第8章 TH-UWB通信射頻接收機的主放大器積體電路設計
8.1 超寬頻主放大器的指標要求
8.1.1 頻寬要求
8.1.2 增益要求
8.1.3 具有AGC功能
8.1.4 其他要求
8.2 傳統的寬頻放大技術
8.2.1 平衡放大器
8.2.2 負反饋放大器
8.2.3 並聯補償放大器
8.3 超寬頻主放大器設計的基本原理
8.3.1 超寬頻主放大器的分類與選擇
8.3.2 跨阻放大器基本原理
8.3.3 跨導放大器基本原理
8.3.4 跨阻跨導寬頻放大器電路結構
8.4 TH-UWB通信射頻接收機中的主放大器積體電路設計
8.4.1 主放大器的組成
8.4.2 電路結構
8.4.3 參數選取與設計最佳化
8.4.4 版圖與引腳圖
8.4.5 晶片照片
8.4.6 測試與結果
8.5 小結
參考文獻
第9章 TH-UWB通信射頻接收機的射頻解調器積體電路設計
9.1 射頻信號解調的基本原理
9.1.1 射頻信號解調的種類和特點
9.2 TH-UWB射頻解調器的基本要求
9.2.1 輸入電路頻寬要求
9.2.2 靈敏度要求
9.2.3 動態範圍要求
9.2.4 其他要求
9.3 TH-UWB射頻解調器系統結構
9.4 TH-UWB射頻解調器電路拓撲結構與工作原理
9.4.1 解調器電路拓撲結構
9.4.2 MOS檢波電路工作原理分析
9.4.3 其他功能電路工作原理分析
9.4.4 設計最佳化
9.5 系統實驗架構
9.6 版圖、仿真及測試
9.6.1 版圖與引腳圖
9.6.2 前仿真波形
9.6.3 晶片照片與測試結果
9.7 小結
參考文獻
第1章 緒論
參考文獻
第2章 UWB無線通信系統
2.1 UWB通信技術概述
2.1.1 UWB信號的定義
2.1.2 UWB信號波形的時域與頻域特性
2.1.3 UWB無線通信的優點
2.1.4 UWB通信的標準與規範
2.1.5 UWB通信的調製技術
2.2 UWB無線多址通信系統的組成
2.2.1 TH-UWB和DSC-UWB多址發信系統及信息調製方式
2.2.2 接收系統信號處理
2.3 超寬頻通信射頻收發前端
2.3.1 一種帶射頻調製的UWB脈衝發射機
2.3.2 超寬頻射頻接收前端
2.4 小結
參考文獻
第3章 UWB多址通信TH-PPM信號產生的建模與設計
3.1 UWB發信系統TH-PPM信號產生的建模原理
3.2 TH-PPM UWB發信系統的具體實現模型與設計
3.2.1 基準時鐘產生器
3.2.2 分頻器的建模與VHDL程式設計
3.2.3 信息碼產生器
3.2.4 PN碼(偽隨機碼)產生器
3.2.5 二進制加法器
3.2.6 比較器
3.2.7 PPM信號形成器
3.3 TH-PPM信號產生的頂層電路與時序仿真
3.4 小結
參考文獻
第4章 TH-PPM UWB系統的接收處理與設計
4.1 TH-PPM UWB系統的接收信號處理
4.2 UWB TH-PPM信號接收系統的VHDL設計
4.2.1 時鐘信號提取
4.2.2 “模板信號”模組
4.2.3 “相關檢測器”模組
4.2.4 “搜尋控制與失步保護”模組
4.2.5 “判決器”模組
4.3 接收系統的VHDL設計頂層電路與時序仿真
4.4 接收系統的位同步及狀態同步性能分析
4.4.1 位同步系統的性能分析
4.4.2 接收系統的狀態同步性能分析
4.5 小結
參考文獻
第5章 UWB通信系統中的射頻積體電路工藝、器件模型及設計方法
5.1 積體電路發展狀況
5.2 UWB通信系統中的射頻積體電路工藝
5.2.1 CMOS工藝
5.2.2 GaAs工藝
5.2.3 SiGe BiCMOS工藝
5.3 器件模型
5.3.1 MOS有源器件模型
5.3.2 無源器件模型
5.4 UWB通信系統中射頻積體電路的設計方法
5.4.1 UWB通信系統中射頻積體電路的設計流程
5.4.2 UWB通信系統中射頻積體電路設計的注意事項
5.5 小結
參考文獻
第6章 TH-UWB通信射頻發信機積體電路設計
6.1 UWB射頻發信機模型
6.1.1 傳統的UWB發信機結構
6.1.2 單脈衝UWB信號的發信機結構
6.1.3 多脈衝UWB信號的發信機結構
6.2 多脈衝TH-UWB射頻發信機的設計
6.2.1 設計要求
6.2.2 設計原理
6.2.3 前仿真
6.3 晶片版圖與測試結果分析
6.4 小結
參考文獻
第7章 TH-UWB通信射頻接收機的LNA積體電路設計
7.1 低噪聲放大器網路的噪聲分析
7.1.1 二連線埠網路的噪聲分析
7.1.2 MOS電晶體噪聲模型
7.1.3 MOS電晶體最小噪聲係數的計算
7.2 MOS低噪聲放大器的基本電路結構和技術指標
7.2.1 CMOS低噪聲放大器的幾種電路結構
7.2.2 CMOS低噪聲放大器的技術指標
7.3 TH-UWB通信超寬頻低噪聲放大器設計
7.3.1 UWB LNA的研究現狀
7.3.2 UWB LNA的電路設計
7.3.3 寬頻輸入阻抗匹配與噪聲匹配
7.3.4 平衡輸出的實現
7.4 UWB低噪聲放大器電路仿真
7.5 版圖與晶片及結果分析
7.6 小結
參考文獻
第8章 TH-UWB通信射頻接收機的主放大器積體電路設計
8.1 超寬頻主放大器的指標要求
8.1.1 頻寬要求
8.1.2 增益要求
8.1.3 具有AGC功能
8.1.4 其他要求
8.2 傳統的寬頻放大技術
8.2.1 平衡放大器
8.2.2 負反饋放大器
8.2.3 並聯補償放大器
8.3 超寬頻主放大器設計的基本原理
8.3.1 超寬頻主放大器的分類與選擇
8.3.2 跨阻放大器基本原理
8.3.3 跨導放大器基本原理
8.3.4 跨阻跨導寬頻放大器電路結構
8.4 TH-UWB通信射頻接收機中的主放大器積體電路設計
8.4.1 主放大器的組成
8.4.2 電路結構
8.4.3 參數選取與設計最佳化
8.4.4 版圖與引腳圖
8.4.5 晶片照片
8.4.6 測試與結果
8.5 小結
參考文獻
第9章 TH-UWB通信射頻接收機的射頻解調器積體電路設計
9.1 射頻信號解調的基本原理
9.1.1 射頻信號解調的種類和特點
9.2 TH-UWB射頻解調器的基本要求
9.2.1 輸入電路頻寬要求
9.2.2 靈敏度要求
9.2.3 動態範圍要求
9.2.4 其他要求
9.3 TH-UWB射頻解調器系統結構
9.4 TH-UWB射頻解調器電路拓撲結構與工作原理
9.4.1 解調器電路拓撲結構
9.4.2 MOS檢波電路工作原理分析
9.4.3 其他功能電路工作原理分析
9.4.4 設計最佳化
9.5 系統實驗架構
9.6 版圖、仿真及測試
9.6.1 版圖與引腳圖
9.6.2 前仿真波形
9.6.3 晶片照片與測試結果
9.7 小結
參考文獻
文摘
1.2.2 室內環境中VOC來源
第1章 緒論
人類社會已發展到了信息化社會，社會的信息化進一步促進了現代通信技術的高速發展，而現代通信技術的發展，又加速了社會的信息化進程。目前通信系統的發展面臨若干問題，主要有：室內高速數據的傳輸問題；頻寬與數據率的矛盾問題，即提高數據率就必須增加系統頻寬；頻率資源不足的問題等。超寬頻（UltraWideband，UWB）信號傳輸技術正是很好地解決上述問題的一種通信方式。UWB信號指系統所傳遞的信號是非正弦、持續時間極短的單個周期或少數幾個周期的脈衝串無線電信號，而不是常規通信系統所採用的連續正弦波信號。國外文獻中曾使用過多個術語：impulse，carrier-free，base-band，timedomain，nonsinusoidal，orthogonalfunctionandlarge-relative-bandwidthradio/radarsignals。1989年美國國防部將其稱為UltraWideband後，一般均採用該術語，簡稱UWB[1]。本書亦採用這一術語。隨著UWB信號產生與接收技術的發展，對UWB信號傳播特性的認識逐漸完善。人們已意識到它在通信、雷達、定位、導航和電子對抗等諸多領域的廣泛套用前景，UWB已成為無線通信領域的一個研究熱點。UWB具有很多獨特的特點[2-8]：①低截獲/檢測機率。脈衝越窄，頻寬越寬，功率譜密度越低。低功率譜密度使信號難於被敵方截獲或檢測到，非常適合于軍事保密通信。同時信號對其他服務的干擾小，對商用通信也非常有利。②強抗多徑能力。由於脈衝很窄，且占空比低，經傳播延時的反射波與直射波的時間差一般會超過UWB脈衝寬度，所以多徑信號在時間上是分離的，其重合或部分重合的機率很低，從而UWB通信系統的抗多徑能力很強。這一特點使其非常適合密集多徑環境，特別適用於無線通信系統。③具有良好的穿透障礙物能力。UWB信號可以穿透牆壁或其他障礙物。這可用於對人或其他目標進行動目標檢測和測距，也可穿透地面檢測道路、橋樑的內部情況。④低成本、易維護。系統硬體構造簡單，發射機由窄帶數字系統和UWB極窄脈衝產生器構成，二者都工作於開關狀態，且成本低、功耗低、效率高。而接收機沒有傳統通信方式的中頻處理系統，實現簡單，除少數射頻（RF）電路外，整個系統可集成為前端電路、時基、微處理器三個部分，幾乎為全數字結構。UWB技術源於20世紀60年代初開始的對時域電磁學的研究，其目的在於用衝激回響來研究某類微波網路的瞬態特性。為測量微波網路的衝激回響，必須提供衝激函式的適當近似，產生持續時間極短的非正弦脈衝信號。Ross成功地將衝激測量技術套用於寬頻輻射天線基元設計後，人們開始採用同樣的裝置開發窄脈衝雷達和通信系統。1972年Robbins實現了高靈敏度的窄脈衝接收機，進一步加快了UWB技術開發的步伐。1973年Ross獲得了第一個關於UWB通信系統的專利[9]，這是UWB技術發展的一個里程碑。同年，Morey獲得了第一個用於地球物理測量的UWB穿地雷達專利[10]。1978年Ross首先實現了自由空間內的UWB通信，1984年認識到了UWB技術在低截獲/檢測機率（LPI/D）通信中存在巨大的潛在套用價值，並在1987年完成了UWBLPI/D通信的演示系統開發。1989年美國國防部正式將這一技術定名為UltraWideband，1990年美國國防預先研究項目局（DARPA）的UWB技術評價小組公開發表了UWB技術的評估報告，對UWB技術的先進性和套用前景作了充分肯定。1994年以前UWB領域的研究基本上都屬於美國政府的機密計畫，1994年以後才取消了保密限制，加快了UWB技術商業化的發展速度。2003年4月，英特爾公司在IDF（英特爾開發者論壇）上演示了以220Mbit/s的速度傳輸數據的超寬頻無線系統原型，是世界首次達到這一速度。該原型由英特爾通信和內聯技術實驗室負責人Kahn進行演示。Kahn稱，傳輸和接收組剛走出實驗室，就在英特爾開發者論壇的日本舞台上實現了在1m的距離內、約2小時即達到穩定的220Mbit/s的數據傳輸率。這一速率比英特爾公司一年前在日本展示的100Mbit/s的系統快了一倍多。超寬頻無線之所以能達到如此高的數據傳輸速率，是因為它通過一個極大容量的頻譜範圍傳輸數據。美聯邦通信委員會已批准其使用在3.1GHz和10.6GHz之間的7.5GHz頻寬，這一範圍是IEEE802.11b-WLAN頻譜範圍的80倍，是802.11a技術傳輸速度的25倍。2005年ITU確定了各國及各地區UWB頻譜分配的若干原則。2006年英國、日本、韓國等相繼開始根據ITU的規定，陸續公布了UWB的監管規範，以逐步開放民用超寬頻產品。2007年歐盟批准歐洲27個成員國家可以使用UWB有源RFID定位系統。2007年英國的OFCOM公布開放室內UWB民用設備的監管規定，從法律上批准了UWB設備的免授權民用，並自2008年8月13日開始生效。近年來，學術界和工業界在UWB通信相關理論和技術上做了大量工作，例如針對脈衝位置調製（pulsepositionmodulation，PPM）信號的盲信號均衡[11]、UWB天線理論與技術[12]、採用RAKE接收機處理UWB信號[13]、脈衝無線電UWB（impulseradioUWB，IR-UWB）網路的MAC層[14]、正交頻分復用UWB（orthogonalfrequencydivisionmultiplexingUWB，OFDMUWB）無線網路的信道特性分析及建模[15]、正交跳時超寬頻（time-hoppingUWB，TH-UWB）信號的功率譜分析[16]、列印式UWB天線技術[17]、低噪聲放大器技術[18]、UWB系統多脈衝設計[2]、UWB脈衝產生方法[19]、多徑環境下跳時脈位調製超寬頻（time-hoppingpulsepositionmodulationUWB，TH-PPMUWB）性能分析等[20]。全球最大的專業音視頻展覽會Infocomm2008正在美國拉斯維加斯隆重召開，著名話筒廠商鐵三角Audio-Technica展出了新款SpectraPulseUWB無線麥克風系統。通過已獲得專利的UWB技術，SpectraPulse繞過日益擠迫的射頻環境，提供了一個沒有性能和安裝部署問題的音頻無線系統。鐵三角聯合了MultispectralSolutions，Inc.（MSSI）一起推動UWB技術的套用。鐵三角的Spectra-PulseUWB無線麥克風系統將是UWB技術在音頻領域的首款商業化套用產品，其近期已經拿到FCC認證的牌照。鐵三角的SpectraPulseUWB無線麥克風系統的組成部分包括：mtu101麥克風發射機、drm141數字接收機模組、aci707音頻控制界面、cei007和充電器的加密接口[21]。在製造商方面，目前國外還有多家廠商開發推出了UWB晶片、套用開發平台和相關設備。
國內發展概況
我國在UWB領域也進行了一些研究，先後得到了國家863、國家自然科學基金等項目的支持。然而國內的研究多集中在系統驗證、電磁兼容分析等方面，針對UWB晶片尤其是射頻晶片的研究尚屬起步階段。中國科學院微電子研究所作為中國無線個域網標準組（C-WPAN）的成員單位，為我國UWB標準的制定提供了頻譜規劃和物理信道劃分方面的建議，並及時掌握了目前我國UWB頻譜的規劃現狀。信息與工業化部已經在其網站上對我國UWB的預開放頻段進行公示，公示頻段包含了低頻段的4.2~4.8GHz和高頻段的6~9GHz，UWB在中國的頻譜開放和市場開發已經為期不遠。中國科學院上海微系統與信息技術研究所和中芯國際聯合生產出首款低功耗超寬頻通信用混頻晶片。該款晶片是利用國內工藝建立了RFCMOS器件與電路設計模型。2005年國家自然科學基金資助了“超寬頻高速無線接入理論與關鍵技術”的重點研究項目，由哈爾濱工業大學、南京郵電大學和桂林電子科技大學共同承擔。863計畫信息領域通信主題的課題承擔單位――東南大學移動通信國家重點實驗室和毫米波國家重點實驗室，於2005年12月成功研製出我國第一套高速超寬頻無線通信實驗、演示系統。該項研究得到國家863計畫的支持和資助，已於2005年12月23日通過了國家863計畫通信技術主題專家組的現場驗收，驗收專家組認為該課題超額完成了契約要求的任務。該系統採用自主設計的雙載波-正交頻分復用（dualcarrierorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，DC-OFDM）方案，無線傳輸速率達到110Mbit/s，傳輸距離超過10m，可同時傳輸4路高清度電視節目、未壓縮視頻圖像和高速無線數據傳輸。據中國科學院微電子研究所訊息，該所射頻積體電路研究室與新加坡通信資訊研究院合作，已聯合開發出中國首個符合中國頻譜規劃和標準的超寬頻無線音視頻傳輸系統。超寬頻無線音視頻傳輸系統採用中國頻譜規劃的6~9GHz頻段，包括射頻收發前端模組、數字基帶收發模組和視頻編解碼模組，實現了1080p高清視頻的無線傳輸，視頻畫面清晰流.。2010年中國科學技術大學超寬頻無線通信研究取得重要進展。該校承擔的國家863計畫目標導向課題“超寬頻SoC晶片設計及組網試驗”順利通過驗收。但總體來說，在UWB通信研究方面，國內與國際先進水平還有相當大的差距。OFDMUWB和IR-UWB作為兩大並駕齊驅的UWB通信技術，在套用上各有千秋。IR-UWB技術是以TH-PPMUWB和直接序列超寬頻（directsequenceUWB，DS-UWB）技術來實現多址接入。基於這兩個體制的UWB技術，從系統模型到無線信道估計，都吸引了眾多的科研工作者進行研究。對於TH-UWB技術，從現有的研究狀況看，一方面大部分研究處於純理論的算法或仿真研究，而且傳統的TH-UWB通信系統模型實現難度很大；另一方面採用通用元器件電路來驗證系統模型限制了其性能指標，甚至無法實現所要求的功能。如何對其系統模型進行改進，使之不僅在理論上而且在現有技術上能實現原有通信目的，是使TH-UWB技術走向套用的迫切要求，而採用定製的專用積體電路設計技術是解決系統驗證難題的關鍵。
發展趨勢
UWB信號的獨有優勢在軍事、安全以及商業通信套用方面有極其重要的實用價值。預計今後UWB套用發展主要集中在以下方面：軍事通信：UWB技術在軍事領域最重要的套用方向是LPI/D保密通信，有可能取代擴頻技術在LPI/D保密通信中的地位，實現高性能、低成本的移動高速戰術通信網路。例如，可以將UWB通信設備和GPS系統直接裝備到單兵，在戰鬥小組中靈活機動地構建移動無線通信網路，而且一旦有其中一人由GPS準確定位，則戰鬥群體中每一個士兵均能實現準確定位，該網路還能與指揮中心相聯結，方便指揮中心掌握整個形式和實施命令傳達。
第1章 緒論
人類社會已發展到了信息化社會，社會的信息化進一步促進了現代通信技術的高速發展，而現代通信技術的發展，又加速了社會的信息化進程。目前通信系統的發展面臨若干問題，主要有：室內高速數據的傳輸問題；頻寬與數據率的矛盾問題，即提高數據率就必須增加系統頻寬；頻率資源不足的問題等。超寬頻（UltraWideband，UWB）信號傳輸技術正是很好地解決上述問題的一種通信方式。UWB信號指系統所傳遞的信號是非正弦、持續時間極短的單個周期或少數幾個周期的脈衝串無線電信號，而不是常規通信系統所採用的連續正弦波信號。國外文獻中曾使用過多個術語：impulse，carrier-free，base-band，timedomain，nonsinusoidal，orthogonalfunctionandlarge-relative-bandwidthradio/radarsignals。1989年美國國防部將其稱為UltraWideband後，一般均採用該術語，簡稱UWB[1]。本書亦採用這一術語。隨著UWB信號產生與接收技術的發展，對UWB信號傳播特性的認識逐漸完善。人們已意識到它在通信、雷達、定位、導航和電子對抗等諸多領域的廣泛套用前景，UWB已成為無線通信領域的一個研究熱點。UWB具有很多獨特的特點[2-8]：①低截獲/檢測機率。脈衝越窄，頻寬越寬，功率譜密度越低。低功率譜密度使信號難於被敵方截獲或檢測到，非常適合于軍事保密通信。同時信號對其他服務的干擾小，對商用通信也非常有利。②強抗多徑能力。由於脈衝很窄，且占空比低，經傳播延時的反射波與直射波的時間差一般會超過UWB脈衝寬度，所以多徑信號在時間上是分離的，其重合或部分重合的機率很低，從而UWB通信系統的抗多徑能力很強。這一特點使其非常適合密集多徑環境，特別適用於無線通信系統。③具有良好的穿透障礙物能力。UWB信號可以穿透牆壁或其他障礙物。這可用於對人或其他目標進行動目標檢測和測距，也可穿透地面檢測道路、橋樑的內部情況。④低成本、易維護。系統硬體構造簡單，發射機由窄帶數字系統和UWB極窄脈衝產生器構成，二者都工作於開關狀態，且成本低、功耗低、效率高。而接收機沒有傳統通信方式的中頻處理系統，實現簡單，除少數射頻（RF）電路外，整個系統可集成為前端電路、時基、微處理器三個部分，幾乎為全數字結構。UWB技術源於20世紀60年代初開始的對時域電磁學的研究，其目的在於用衝激回響來研究某類微波網路的瞬態特性。為測量微波網路的衝激回響，必須提供衝激函式的適當近似，產生持續時間極短的非正弦脈衝信號。Ross成功地將衝激測量技術套用於寬頻輻射天線基元設計後，人們開始採用同樣的裝置開發窄脈衝雷達和通信系統。1972年Robbins實現了高靈敏度的窄脈衝接收機，進一步加快了UWB技術開發的步伐。1973年Ross獲得了第一個關於UWB通信系統的專利[9]，這是UWB技術發展的一個里程碑。同年，Morey獲得了第一個用於地球物理測量的UWB穿地雷達專利[10]。1978年Ross首先實現了自由空間內的UWB通信，1984年認識到了UWB技術在低截獲/檢測機率（LPI/D）通信中存在巨大的潛在套用價值，並在1987年完成了UWBLPI/D通信的演示系統開發。1989年美國國防部正式將這一技術定名為UltraWideband，1990年美國國防預先研究項目局（DARPA）的UWB技術評價小組公開發表了UWB技術的評估報告，對UWB技術的先進性和套用前景作了充分肯定。1994年以前UWB領域的研究基本上都屬於美國政府的機密計畫，1994年以後才取消了保密限制，加快了UWB技術商業化的發展速度。2003年4月，英特爾公司在IDF（英特爾開發者論壇）上演示了以220Mbit/s的速度傳輸數據的超寬頻無線系統原型，是世界首次達到這一速度。該原型由英特爾通信和內聯技術實驗室負責人Kahn進行演示。Kahn稱，傳輸和接收組剛走出實驗室，就在英特爾開發者論壇的日本舞台上實現了在1m的距離內、約2小時即達到穩定的220Mbit/s的數據傳輸率。這一速率比英特爾公司一年前在日本展示的100Mbit/s的系統快了一倍多。超寬頻無線之所以能達到如此高的數據傳輸速率，是因為它通過一個極大容量的頻譜範圍傳輸數據。美聯邦通信委員會已批准其使用在3.1GHz和10.6GHz之間的7.5GHz頻寬，這一範圍是IEEE802.11b-WLAN頻譜範圍的80倍，是802.11a技術傳輸速度的25倍。2005年ITU確定了各國及各地區UWB頻譜分配的若干原則。2006年英國、日本、韓國等相繼開始根據ITU的規定，陸續公布了UWB的監管規範，以逐步開放民用超寬頻產品。2007年歐盟批准歐洲27個成員國家可以使用UWB有源RFID定位系統。2007年英國的OFCOM公布開放室內UWB民用設備的監管規定，從法律上批准了UWB設備的免授權民用，並自2008年8月13日開始生效。近年來，學術界和工業界在UWB通信相關理論和技術上做了大量工作，例如針對脈衝位置調製（pulsepositionmodulation，PPM）信號的盲信號均衡[11]、UWB天線理論與技術[12]、採用RAKE接收機處理UWB信號[13]、脈衝無線電UWB（impulseradioUWB，IR-UWB）網路的MAC層[14]、正交頻分復用UWB（orthogonalfrequencydivisionmultiplexingUWB，OFDMUWB）無線網路的信道特性分析及建模[15]、正交跳時超寬頻（time-hoppingUWB，TH-UWB）信號的功率譜分析[16]、列印式UWB天線技術[17]、低噪聲放大器技術[18]、UWB系統多脈衝設計[2]、UWB脈衝產生方法[19]、多徑環境下跳時脈位調製超寬頻（time-hoppingpulsepositionmodulationUWB，TH-PPMUWB）性能分析等[20]。全球最大的專業音視頻展覽會Infocomm2008正在美國拉斯維加斯隆重召開，著名話筒廠商鐵三角Audio-Technica展出了新款SpectraPulseUWB無線麥克風系統。通過已獲得專利的UWB技術，SpectraPulse繞過日益擠迫的射頻環境，提供了一個沒有性能和安裝部署問題的音頻無線系統。鐵三角聯合了MultispectralSolutions，Inc.（MSSI）一起推動UWB技術的套用。鐵三角的Spectra-PulseUWB無線麥克風系統將是UWB技術在音頻領域的首款商業化套用產品，其近期已經拿到FCC認證的牌照。鐵三角的SpectraPulseUWB無線麥克風系統的組成部分包括：mtu101麥克風發射機、drm141數字接收機模組、aci707音頻控制界面、cei007和充電器的加密接口[21]。在製造商方面，目前國外還有多家廠商開發推出了UWB晶片、套用開發平台和相關設備。
國內發展概況
我國在UWB領域也進行了一些研究，先後得到了國家863、國家自然科學基金等項目的支持。然而國內的研究多集中在系統驗證、電磁兼容分析等方面，針對UWB晶片尤其是射頻晶片的研究尚屬起步階段。中國科學院微電子研究所作為中國無線個域網標準組（C-WPAN）的成員單位，為我國UWB標準的制定提供了頻譜規劃和物理信道劃分方面的建議，並及時掌握了目前我國UWB頻譜的規劃現狀。信息與工業化部已經在其網站上對我國UWB的預開放頻段進行公示，公示頻段包含了低頻段的4.2~4.8GHz和高頻段的6~9GHz，UWB在中國的頻譜開放和市場開發已經為期不遠。中國科學院上海微系統與信息技術研究所和中芯國際聯合生產出首款低功耗超寬頻通信用混頻晶片。該款晶片是利用國內工藝建立了RFCMOS器件與電路設計模型。2005年國家自然科學基金資助了“超寬頻高速無線接入理論與關鍵技術”的重點研究項目，由哈爾濱工業大學、南京郵電大學和桂林電子科技大學共同承擔。863計畫信息領域通信主題的課題承擔單位――東南大學移動通信國家重點實驗室和毫米波國家重點實驗室，於2005年12月成功研製出我國第一套高速超寬頻無線通信實驗、演示系統。該項研究得到國家863計畫的支持和資助，已於2005年12月23日通過了國家863計畫通信技術主題專家組的現場驗收，驗收專家組認為該課題超額完成了契約要求的任務。該系統採用自主設計的雙載波-正交頻分復用（dualcarrierorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，DC-OFDM）方案，無線傳輸速率達到110Mbit/s，傳輸距離超過10m，可同時傳輸4路高清度電視節目、未壓縮視頻圖像和高速無線數據傳輸。據中國科學院微電子研究所訊息，該所射頻積體電路研究室與新加坡通信資訊研究院合作，已聯合開發出中國首個符合中國頻譜規劃和標準的超寬頻無線音視頻傳輸系統。超寬頻無線音視頻傳輸系統採用中國頻譜規劃的6~9GHz頻段，包括射頻收發前端模組、數字基帶收發模組和視頻編解碼模組，實現了1080p高清視頻的無線傳輸，視頻畫面清晰流.。2010年中國科學技術大學超寬頻無線通信研究取得重要進展。該校承擔的國家863計畫目標導向課題“超寬頻SoC晶片設計及組網試驗”順利通過驗收。但總體來說，在UWB通信研究方面，國內與國際先進水平還有相當大的差距。OFDMUWB和IR-UWB作為兩大並駕齊驅的UWB通信技術，在套用上各有千秋。IR-UWB技術是以TH-PPMUWB和直接序列超寬頻（directsequenceUWB，DS-UWB）技術來實現多址接入。基於這兩個體制的UWB技術，從系統模型到無線信道估計，都吸引了眾多的科研工作者進行研究。對於TH-UWB技術，從現有的研究狀況看，一方面大部分研究處於純理論的算法或仿真研究，而且傳統的TH-UWB通信系統模型實現難度很大；另一方面採用通用元器件電路來驗證系統模型限制了其性能指標，甚至無法實現所要求的功能。如何對其系統模型進行改進，使之不僅在理論上而且在現有技術上能實現原有通信目的，是使TH-UWB技術走向套用的迫切要求，而採用定製的專用積體電路設計技術是解決系統驗證難題的關鍵。
發展趨勢
UWB信號的獨有優勢在軍事、安全以及商業通信套用方面有極其重要的實用價值。預計今後UWB套用發展主要集中在以下方面：軍事通信：UWB技術在軍事領域最重要的套用方向是LPI/D保密通信，有可能取代擴頻技術在LPI/D保密通信中的地位，實現高性能、低成本的移動高速戰術通信網路。例如，可以將UWB通信設備和GPS系統直接裝備到單兵，在戰鬥小組中靈活機動地構建移動無線通信網路，而且一旦有其中一人由GPS準確定位，則戰鬥群體中每一個士兵均能實現準確定位，該網路還能與指揮中心相聯結，方便指揮中心掌握整個形式和實施命令傳達。
