超寬帶無線通信

無線通信技術是當前發(fā)展最迅速、最具活力的技術領域之一，在這個領域中，各種新技術、新方法層出不窮。其中，超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術是在20世紀90年代以后發(fā)展起來的一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o線通信技術，被列為未來通信的十大技術之一。

1990年3月，在美國新墨西哥州的Los Alamo國家實驗室召開的超寬帶雷達會議上提出了"超寬帶(UWB)雷達"的概念。超寬帶雷達是一種新體制的雷達，它定義為:分數帶寬(FBW，Fractional Band-Width)大于25%的雷達為超寬帶雷達。

單頻帶系統(tǒng)僅使用單一的成形脈沖進行數據傳輸，其信號帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強。但由于信號的時間彌散嚴重，接收機的復雜度較高。此外，為解決共存性問題，避免與帶內窄帶系統(tǒng)的干擾，該系統(tǒng)采用的濾波器也是比較復雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA方案中，經過DS-CDMA擴頻之后的信號再對載波進行調制，從而可以在合適的頻帶范圍內傳輸。傳統(tǒng)的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足FCC規(guī)定的發(fā)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(tǒng)是指將規(guī)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。信號成形和數據調制在基帶完成通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)使用頻段。多頻帶系統(tǒng)根據調制方式分為多帶脈沖無線電和多帶正交頻分復用兩種方式。其多址問題采用跳頻技術來解決。相對于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。并采用正交頻分復用(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臺(系統(tǒng))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臺的各種干擾。DS-CDMA因為使用整個3.1~10.6GHz頻段，包括傳統(tǒng)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。

同傳統(tǒng)結構相比，UWB接收機的結構相對簡單，圖1給出了UWB發(fā)射和接收機的系統(tǒng)框圖。在UWB收發(fā)信機中，信息可被不同技術調制，在接收端，天線收集信號能量經放大后通過相關接收后處理，再經門限檢測后獲得原來信息。相對于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(huán))、VCO(壓控振蕩器)、混頻器等，成本低，而且UWB接收機可全數字化實現，采用軟件無線電技術，可動態(tài)調整數據率、功耗等。

隨著無線通信技術的發(fā)展，人們對高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶(UWB)技術的出現，實現了短距離內超帶寬、高速的數據傳輸。其調制方式和多址技術的特點使得它具有其他無線通信技術所無法具有的很寬的帶寬、高速的數據傳輸、功耗低、安全性能高等特點。本文介紹了UWB的主要技術特點，并把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通信技術進行了比較，最后對UWB的應用前景進行了分析與展望。

UWB是一種"特立獨行"的無線通信技術，它將會為無線局域網LAN和個人局域網PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。UWB具有以下特點:

UWB信號，在發(fā)射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于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。

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，有望高于藍牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾吉赫茲，并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開辟了一種新的時域無線電資源。

因為不需要產生正弦載波信號，可以直接發(fā)射沖激序列，因而UWB系統(tǒng)具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統(tǒng)容量。

在短距離的通信應用中，超寬帶發(fā)射機的發(fā)射功率通?？勺龅降陀?mW，從理論上而言，超寬帶信號所產生的干擾僅僅相當于一寬帶的白噪聲。這樣有助于超寬帶與現有窄帶通信之間的良好共存，對于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。并且超寬帶信號的隱蔽性較強，不容易被發(fā)現和攔截，具有較高的保密性 。

UWB保密性表現在兩方面:一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數據;另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低。用傳統(tǒng)的接收機無法接收。

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于短距離之間的通信。

因為其采用的是持續(xù)時間極短的窄脈沖，所以其時間上和空間上的分辨率都是極強的，方便進行測距、定位、跟蹤等活動的開展，并且窄脈沖具有良好的穿透性，所遇超寬帶在紅外通信中也得到廣泛的使用。

此技術使用基帶傳輸，無需射頻調制和解調，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于便攜型無線通信的使用。