超宽带无线通信技术及应用研究

随着无线通信技术的发展，现有的无线网络技术已经不能满足人们对短距离高速无线通信的需求。因此，当设计未来的短距离无线通信系统时，需要考虑通信的普遍特性和3G中提到的“任何人、任何时间、任何地点”的连接性。这就要求新的无线世界是现在和未来无线通信系统的综合，包括广域网（WAN）、无线局域网（WLAN）、无线个人局域网（WPAN）、Ad hoc网络以及家用局域网等的结合，同时还可以连接各种不同的设备，包括计算机和各种娱乐设备。要实现这些目标，就需要开发新的无线技术，超宽带（UWB）技术便应运而生。

1、UWB技术的定义及其特点

1.1　UWB技术的定义

2002年2月14日，美国联邦通信委员会修订了第15标准，第15标准是管理包括UWB设备在内的使用非授权频段的无线设备的标准。在美国联邦通信委员会（FCC）的指导下，对UWB的使用提供了在短距离（不足10m的范围）、低发射功率（平均等方向性辐射能为-41.3 dBm/MHz）、具有极高容量（几个Gbps）的要求。FCC对UWB信号的定义是UWB带宽大于500 MHz（UWB带宽指-10dB带宽），或分数带宽（即带宽与中心频率的比）大于0.20。传统通信系统一般分数带宽都小于0.01，宽带码分多址（WCDMA）系统的分数带宽约为0.02，而在UWB系统中其分数带宽等于0.2或0.25。FCC还规定了UWB系统在非授权的频段 3.1GHz～10.6GHz内以极低的功率工作。较低的带内带外发射功率限制确保了UWB设备不会对现存授权频段的设备及其他重要无线设备产生干扰。

从载波方面看，传统的通信技术是把信号从基带调制到载波上，而UWB技术是通过具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲对数据进行直接调制，从而具有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，它开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道。香农理论认为，信道的容量随带宽线性增加，随信噪比（SNR）的降低呈对数减小。这种关系说明，无线通信系统的容量可随所占带宽的增加、SNR的降低而增加。这样，对于 WPAN，在发射距离较近的情况下，信号的传播损耗较小，可以通过增加信号带宽来提高系统的容量。

从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）小于1%；相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带；相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。

从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十ns）直接实现调制。超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离，资料表明，UWB信号的有效传输距离在10m以内。故而在民用方面，UWB普遍定位于个人局域网的范畴。

1.2　UWB技术的特点

1）系统结构的实现比较简单

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器。因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器，同时在接收端UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理。因此，UWB系统结构的实现比较简单。

2）数据传输速率高

民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围在10m以内，根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/s，可见，这是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

3）功耗低

UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns～1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右；军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

4）安全性高

作为通信系统的物理层技术，UWB技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统而言，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。UWB安全性还表现在两方面：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。