浅析超宽带无线电技术

广义超宽带技术 (Ultra WideBand，UWB|0">UWB)是指以极窄脉冲方式进行无线发射和接收的特种技术。其特殊之处在于完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段，成为在时域中直接操作的无线技术，因此也称作脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)无线电技术。

1 UWB通信技术的特点

　　UWB系统的工作频带极宽，一般从几百MHz到几个GHz，将来还要向更高带宽发展。这意味着在一定信/噪比要求下，UWB系统可实现很高速率的可靠传输；或者在一定传输速率下，可以在很低的信/噪比或信号功率谱密度下实现可靠传输。UWB可实现高速传输和极大的系统空间容量,是实现个人通信和无线局域网的理想技术之一。目前实验超宽带短距系统的传输速率已经达到1Gbit/s，其空间通信容量（即每平方米面积可达到的通信容量）是无线局域网、蓝牙等系统的10～1000倍。

　　（1）发射功率低、功耗小

　　UWB系统在高速通信时耗电量仅为几百μW～几十mW。所需功率一般为几十到几百微瓦，其功率谱密度甚至低于环境噪声以下。

　　（2）系统结构比较简单、成本低

　　UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB系统不需要功用放大器与混频器，同时在接收端不需要过滤器、RF/IF转换器及本地振荡器等复杂元件。超宽带系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的，其射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单，容易实现全数字化的结构。

　　（3）电磁兼容性及安全性

　　由于单位频宽内的功率密度相当低且发射功率由美国FCC严格限制，UWB对其它无线通信设备的影响微乎其微。相反，令人担心的是其它设备对UWB设备以及多部UWB设备相互间的干扰。UWB系统一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，并且可以工作在极低的信/扰比门限，因而其平均发射功率很低。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，信号极难被非授权方所截获或检测，具有极强的安全性。

　　（4）抗衰落及多径分辨能力强

　　超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲，此脉冲多径信号在时间上不重叠且占空比极低，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。此外，UWB信道由于其均方根时延扩展远小于窄带信道，信号分辨率极高。

　　（5）定位精确

　　UWB技术可应用于穿透建筑物成像、检测、监视、测量等方面，尤其是室内和地下精确定位。

2 UWB系统方案及一些技术问题

　　UWB系统方案应根据具体应用需求、规则约束和信道特征进行优化选择，综合考虑频带规划、调制与多址方案、系统复杂度、成本与功耗及共存性等问题。目前已有的UWB系统方案分为单频带和多频带两种体制。

　　2.1 单频带系统

　　单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输，其信号带宽很大，多径分辨率很高，抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重，接收机的复杂度较高。此外，为解决共存性问题，避免与带内窄带系统的干扰，该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA|0">DS-CDMA。在单载波DS-CDMA 方案中，经过DS-CDMA 扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA 方案通过频谱搬移解决了这一难题。

　　2.2 多频带系统

　　多带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带，使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成，通过射频载波搬移到不同子带，避开传统窄带系统使用频段。多带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。其多址问题采用跳频技术来解决，相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA(MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance)多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段，并采用正交频分复用(OFDM)方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。

　　目前一些无线技术和UWB被批准的频带重叠，使用动态频率控制技术可避开干扰频段。这有利于采用同一标准适应多个国家在频段规划上的差异。因此，MBOA技术在相同条件下具有更高的速率和距离，但电路复杂度和成本较高。

　　从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的，我们究竟如何去判断孰优孰劣呢?对无线电频率管理来说，有两个基本的原则：一是新的无线电技术不得对已有的无线电台(系统)造成有害干扰；二是受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CDMA因为使用整个3.1 GHz～10.6 GHz频段，包括传统无线技术使用其中的一些频率，而MBOA使用多个频率子带，可以很方便地避开这些频率。

　　2.3 有待解决的问题

UWB是一种新兴无