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一、UWB技術(shù)簡介 

　　UWB技術(shù)是一種與其它技術(shù)有很大不同的無線通信技術(shù)，它將會為無線局域網(wǎng)LAN和個人域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術(shù)。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它開發(fā)了一個具有對信道衰落不敏感;發(fā)射信號功率譜密度低，有低截獲能力，系統(tǒng)復(fù)雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點。UWB尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應(yīng)用中。 

　　雖然超寬帶的描述并不詳細(xì)，它確實有助于將這項技術(shù)與傳統(tǒng)的“窄帶”系統(tǒng)分隔開，或者是更新的主要是指文獻(xiàn)中描述的未來3G蜂窩技術(shù)的“寬帶”系統(tǒng)。關(guān)于超寬帶和其它的“窄帶”或者是“寬帶”主要有兩方面的區(qū)別。一是超寬帶的帶寬，(FCC)所定義比中心頻率高25%或者是大于1.5G赫茲。很清楚，這一帶寬明顯大于目前所有通信技術(shù)的帶寬。二是，超寬帶典型的用于無載波應(yīng)用方式。傳統(tǒng)的“窄帶”和“寬帶”都是采用無線電頻率(RF)載波來傳送信號，頻率范圍從基帶到系統(tǒng)被允許使用的實際載波頻率。相反的，超寬帶的實現(xiàn)方式是能夠直接的調(diào)制一個大的激增和下降時間的“脈沖”，這樣所產(chǎn)生的波形占據(jù)了幾個GHz的帶寬。 

　　UWB無線通信技術(shù)與現(xiàn)有的無線通信技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，形象地說，這種電波就像是一個人拿著水管澆灌草坪時，水管中的水隨著人手的上下移動形成的連續(xù)的水流波動。幾乎所有的無線通信包括移動電話、無線局域網(wǎng)的通信都是這樣的:用某種調(diào)制方式將信號加載在連續(xù)的電波上。 

　　與此相比，UWB無線通信技術(shù)就像是一個人用旋轉(zhuǎn)的噴灑器來澆灌草坪一樣，它可以噴射出更多、更快的短促水流脈沖。UWB產(chǎn)品在工作時可以發(fā)送出大量的非常短、非�？斓哪芰棵}沖。這些脈沖都是經(jīng)過精確計時的，每個只有幾個毫微秒長，脈沖可以覆蓋非常廣泛的區(qū)域。脈沖的發(fā)送時間是根據(jù)一種復(fù)雜的編碼而改變的，脈沖本身可以代表數(shù)字通信中的0，也可以代表1。 

　　超寬帶技術(shù)在無線通訊方面的創(chuàng)新性、利益性具有很大的潛力，在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭和個人網(wǎng)絡(luò)方面極大地提高了一般消費者和專業(yè)人員的適應(yīng)性和滿意度。所以一些有眼光的工業(yè)界人士都在全力建立超寬帶技術(shù)及其產(chǎn)品。相信這一超寬帶技術(shù)，不僅為低端用戶所喜愛，而且在一些高端技術(shù)領(lǐng)域，如雷達(dá)跟蹤、精確定位和無線通信方面具有廣闊的前景。 

　　從時域上講， 超寬帶系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)。一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號調(diào)制，而UWB 是利用起、落點的時域脈沖(幾十n s) 直接實現(xiàn)調(diào)制， 超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進(jìn)行， 而且以這一過程中所持續(xù)的時間， 來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。由于UWB 發(fā)射功率受限， 進(jìn)而限制了其傳輸距離， 據(jù)資料表明，UWB 信號的有效傳輸距離在10m 以內(nèi)， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于個人局域網(wǎng)范疇。 

從頻域來看， 超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶， 它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比) 小于1% ， 相對帶寬在1% 到25% 之間的被稱為寬帶， 相對帶寬大于25% ， 而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。表1表示這三個概念 

　　信號帶寬/中心頻率 
　　窄帶 ≤1% 
　　寬帶 %1≤…≤25% 
　　超寬帶（UWB） ≥25%或帶寬≥500Mbps 

二、UWB技術(shù)原理

　　UWB技術(shù)最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，接收機直接用一級前端交叉相關(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。圖2顯示了實用的單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性，圖中脈沖的中心頻率在2GHz。

　　實際通信中使用一長串的脈沖，圖3顯示了周期性重復(fù)的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現(xiàn)了強烈的能量尖峰，這是由于時域中信號重復(fù)的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統(tǒng)無線電設(shè)備和信號構(gòu)成干擾，而且這種十分規(guī)則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調(diào)制PPM。

　　比如可以用每個脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖4是一個二進(jìn)制信息調(diào)制的示例。

　　圖中調(diào)制前脈沖的平均周期和調(diào)制量δ的數(shù)值都極小。因此調(diào)制后在接收端需要用匹配濾波技術(shù)才能正確接收，即用交叉相關(guān)器在達(dá)到零相位差的時候就可以檢測到這些調(diào)制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調(diào)制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因為時間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。

　　為了進(jìn)一步平滑信號頻譜，可以讓重復(fù)時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道，即實現(xiàn)通信系統(tǒng)的多址，可以對一個相對長的時間幀內(nèi)的脈沖串按位置調(diào)制進(jìn)行編碼，特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時間調(diào)制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。

　　圖中頻譜已經(jīng)接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機編碼產(chǎn)生的效果。適當(dāng)?shù)剡x擇碼組，保證組內(nèi)各個碼字相互正交或接近正交，就可以實現(xiàn)碼分多址。

　　UWB系統(tǒng)采用相關(guān)接收技術(shù)，關(guān)鍵部件稱為相關(guān)器（correlator）。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內(nèi)完成。相關(guān)器實質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關(guān)器的輸出結(jié)果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。圖6顯示了不同位置七個脈沖經(jīng)相關(guān)器后的波形走勢，750ns后的穩(wěn)定波形是輸出結(jié)果。

　　值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設(shè)備造成干擾。但是所有帶內(nèi)的無線電信號都是對UWB信號的干擾，UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)來解決這一問題。

三、UWB的技術(shù)特點

　　由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點：

　　(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單：當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時在接收端，UWB接收機也有別于傳統(tǒng)的接收機，不需要中頻處理，因此，UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單。

　　(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸：民用商品中，一般要求UWB 信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達(dá)500Mbit/ s，是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳

　　(3)功耗低：UWB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，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)移動電話所需功率的1/ 100 左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB 設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性。

　　(4)安全性高：作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB 信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB 信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下，UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。

　　(5)多徑分辨能力強：由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間， 多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應(yīng)小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10～ 30 dB 的多徑環(huán)境， 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。

　　(6)定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)； 與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達(dá)厘米級， 此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。

　　(7)工程簡單造價便宜：在工程實現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本將很低。

　　如前所述，現(xiàn)代意義上的超寬帶UWB 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)， 又稱脈沖無線電( IR ， Impulse Radio) 技術(shù)， 出現(xiàn)于1960年代， 當(dāng)時主要研究受時域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)動作。通過Harmuth 、Ross 和Robbins 等先行公司的研究， UWB 技術(shù)在70 年代獲得了重要的發(fā)展， 其中多數(shù)集中在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中，包括探地雷達(dá)系統(tǒng)。到80 年代后期， 該技術(shù)開始被稱為"無載波"無線電，或脈沖無線電。為了研究UWB在民用領(lǐng)域使用的可行性，自1998 年起， ( FCC) 對超寬帶無線設(shè)備對原有窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業(yè)界意見， 在有美國軍方和航空界等眾多不同意見的情況下，F(xiàn)CC 仍開放了UWB 技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用許可。這充分說明此項技術(shù)所具有的廣闊應(yīng)用前景和巨大的市場誘惑力。

　　2003年12月，在美國新墨西哥州的阿爾布克爾市舉行的IEEE有關(guān)UWB標(biāo)準(zhǔn)的大討論。那時關(guān)于UWB技術(shù)有兩種相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)，一方是以Intel與德州儀器為首支持的MBOA標(biāo)準(zhǔn)，一方是以摩托羅位為首的DS-UWB標(biāo)準(zhǔn)，雙方在這場討論中各不相讓，兩者的分歧體現(xiàn)在UWB技術(shù)的實現(xiàn)方式上，前者采用多頻帶方式，后者為單頻帶方式。目前，這兩個陣營均表示將單獨推動各自的技術(shù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)塵埃未定，但摩托羅拉已有了追隨者，三星在今年國際消費電子展上展示了全球第一套可同時播放三個不同的HSDTV視頻流的無線廣播系統(tǒng)，就采用了摩托羅拉公司的Xtreme　Spectrum芯片，該芯片組是摩托羅拉的第二代產(chǎn)品，目前已有樣片提供，其數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)114Mbps，而功耗不超過200mw。在另一陣營中，Intel公司近期在其開發(fā)商論壇上展示了該公司第一個采用90nm技術(shù)工藝處理的UWB芯片；同時，該公司還首次展示多家公司聯(lián)合支持的、采用UWB芯片的、應(yīng)用范圍超過10M的480Mbps無線USB技術(shù)。在今年5月中旬由IEEE802.15.3a工作組主持召開的標(biāo)準(zhǔn)大討論會議上對這種技術(shù)進(jìn)行投票選舉UWB標(biāo)準(zhǔn)，MBOA獲得60%的支持，DS-UWB獲取40%的支持，兩者都沒有達(dá)到成為標(biāo)準(zhǔn)必須達(dá)到75%選票的要求。因此標(biāo)準(zhǔn)之爭還要持續(xù)下去。

　　美國在UWB的積極投入，引起歐盟和日本的重視，也紛紛開展研究計劃。由Wisair、Philips等六家公司和團(tuán)體，成立了Ultrawaves組織，研究家庭內(nèi)，UWB在AV設(shè)備高速傳輸?shù)目尚行匝芯�。位于以色列的Wisair多次發(fā)表所開發(fā)的UWB芯片組。STMicro、Thales集團(tuán)和摩托羅拉等10家公司和團(tuán)體則成立了UCAN組織，利用UWB達(dá)成PWAN的技術(shù)，包括實體層、MAC層、路由與硬件技術(shù)等。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英國的Philips研究組織等45家以上的研究團(tuán)體組成，研究UWB的近距離無線界面技術(shù)和位置測量技術(shù)。日本在2003年元月成立了UWB研究開發(fā)協(xié)會，計有40家以上的業(yè)者和大學(xué)參加，并在同年3月構(gòu)筑UWB通信試驗設(shè)備。多個研究機構(gòu)可在不經(jīng)過核準(zhǔn)的情況下，先行從事研究。我國在2001年9月初發(fā)布的"十五"國家863計劃通信技術(shù)主題研究項目中，首次將"超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)"作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，鼓勵國內(nèi)學(xué)者加強這方面的研究工作。

　　在UWB的專業(yè)IC設(shè)計公司已有數(shù)家，如Time Domain，Wisair，Discrete　Time　Communications.最具代表性的Xtreme Spectrum在2003年夏天被摩托羅拉并購，該公司在2002年7月推出芯片組Trinity及其參考用電路板，芯片組由MAC、LNA、RF、Baseband所組成，耗電量為200mW，使用3.1G至7.5GHz頻段，速度為100Mbps。為了爭奪未來的家庭無線網(wǎng)絡(luò)市場，許多廠商都已推出了自己的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如Intel 的Digital Media Adapter，Sony 的RoomLink(這兩種適配器應(yīng)用的是802.11)，Xtreme Spectrum 則推出了基于UWB 技術(shù)的TRINITY 芯片組和一些消費電子產(chǎn)品。而Microsoft 推出了WindowsXP Media Center Edition 以確保PC 成為智能網(wǎng)絡(luò)的樞紐。