淺析超寬帶無線電技術

1 UWB通信技術的特點

　　UWB系統(tǒng)的工作頻帶極寬，一般從幾百MHz到幾個GHz，將來還要向更高帶寬發(fā)展。這意味著在一定信/噪比要求下，UWB系統(tǒng)可實現很高速率的可靠傳輸；或者在一定傳輸速率下，可以在很低的信/噪比或信號功率譜密度下實現可靠傳輸。UWB可實現高速傳輸和極大的系統(tǒng)空間容量,是實現個人通信和無線局域網的理想技術之一。目前實驗超寬帶短距系統(tǒng)的傳輸速率已經達到1Gbit/s，其空間通信容量（即每平方米面積可達到的通信容量）是無線局域網、藍牙等系統(tǒng)的10～1000倍。

　?。?）發(fā)射功率低、功耗小

　　UWB系統(tǒng)在高速通信時耗電量僅為幾百μW～幾十mW。所需功率一般為幾十到幾百微瓦，其功率譜密度甚至低于環(huán)境噪聲以下。

　?。?）系統(tǒng)結構比較簡單、成本低

　　UWB通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB系統(tǒng)不需要功用放大器與混頻器，同時在接收端不需要過濾器、RF/IF轉換器及本地振蕩器等復雜元件。超寬帶系統(tǒng)不論是基帶脈沖的還是帶通調制載波的，其射頻、模擬以及信號處理部件都相對較簡單，容易實現全數字化的結構。

　?。?）電磁兼容性及安全性

　　由于單位頻寬內的功率密度相當低且發(fā)射功率由美國FCC嚴格限制，UWB對其它無線通信設備的影響微乎其微。相反，令人擔心的是其它設備對UWB設備以及多部UWB設備相互間的干擾。UWB系統(tǒng)一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內，并且可以工作在極低的信/擾比門限，因而其平均發(fā)射功率很低。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，信號極難被非授權方所截獲或檢測，具有極強的安全性。

　?。?）抗衰落及多徑分辨能力強

　　超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖，此脈沖多徑信號在時間上不重疊且占空比極低，很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。此外，UWB信道由于其均方根時延擴展遠小于窄帶信道，信號分辨率極高。

　?。?）定位精確

　　UWB技術可應用于穿透建筑物成像、檢測、監(jiān)視、測量等方面，尤其是室內和地下精確定位。

2 UWB系統(tǒng)方案及一些技術問題

　　UWB系統(tǒng)方案應根據具體應用需求、規(guī)則約束和信道特征進行優(yōu)化選擇，綜合考慮頻帶規(guī)劃、調制與多址方案、系統(tǒng)復雜度、成本與功耗及共存性等問題。目前已有的UWB系統(tǒng)方案分為單頻帶和多頻帶兩種體制。

　　2.1 單頻帶系統(tǒng)

　　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。

　　2.2 多頻帶系統(tǒng)

　　多帶系統(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(lián)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。

　　目前一些無線技術和UWB被批準的頻帶重疊，使用動態(tài)頻率控制技術可避開干擾頻段。這有利于采用同一標準適應多個國家在頻段規(guī)劃上的差異。因此，MBOA技術在相同條件下具有更高的速率和距離，但電路復雜度和成本較高。

　　從技術上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢?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 GHz～10.6 GHz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。

　　2.3 有待解決的問題

　　UWB是一種新興無線通信技術，有許多問題亟待研究，如可控窄脈沖產生技術、調制與多址技術、收發(fā)機、天線及傳播特性與信道模型等物理層技術。

　?。?） 脈沖成形技術

　　UWB目前有許多行之有效的信號成形方法，如基于載波調制的成形方法，可將信號頻譜在頻率軸上靈活地搬移；Hermite正交脈沖成形方法，可結合多進制脈沖調制有效地提高系統(tǒng)傳輸速率；橢圓球面波正交脈沖成形方法為無載波成形技術，不需要載波調制進行頻譜搬移，簡化了系統(tǒng)的復雜度。

　　（2） 調制與多址技術

　　由于UWB系統(tǒng)的復雜度和功率的限制，常用的調制方式為二進制脈位調制、二進制正交脈位調制及開關鍵控和二進制相移鍵控的脈幅調制。UWB多址技術包括跳時多址、跳頻多址、直序擴頻碼分多址、波分多址。合理的多址方案可以在減少用戶間干擾的同時極大地提高用戶容量。調制方式與多址方式的合理組合，還需根據系統(tǒng)設計要求，在系統(tǒng)的復雜度與系統(tǒng)的性能(包括傳輸速率、傳輸可靠性等)進行折中考慮。

　?。?）接收機

　　由于UWB信道嚴重的頻率選擇性衰落特征（UWB信道是典型的頻率選擇性衰落信道，在時域表現為多徑彌散且呈現多徑成簇達到的現象）和低輻射功率限制以及信號持續(xù)時間非常短，捕獲和跟蹤UWB信號很困難，信道的密集多徑特征進一步增加了接收機定時同步的復雜性。這些對接收機的設計提出了挑戰(zhàn)。在設計策略上應綜合考慮接收機功耗、復雜度與接收機性能等因素。

3 UWB 技術的應用前景

　　UWB 具有近距離內高速傳送大量多媒體數據以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點，因此，在短距離范圍內提供高速無線數據傳輸將是UWB 的重要應用領域。民用UWB主要包括以下幾個方面：穿墻成像、大地探測、生命探測、高速公路調度、車載雷達、UWB測量、無線通信、半導體布線等系統(tǒng)，地質勘探及可穿透障礙物的傳感器(imaging system) 、汽車防沖撞傳感器(vehicle radar system)，家用電視、集成電路設計及消費電子產品中的高速數據傳輸等領域。

　　UWB技術有著突出的優(yōu)勢，同時有許多亟待解決的問題。開展具有針對性的UWB技術研究，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，可以促進我國的UWB技術全面發(fā)展，對我國在該研究領域擁有自主知識產權和相關產品，營造新的經濟增長點具有重大意義。