摘要:UWB技術是目前最理想的低功耗、高帶寬的短距離無線傳輸技術。UWB技術的相關研究以及應用也成了目前研究的熱點話題。介紹了UWB的基本技術及相關知識，包括其定義、技術實現、相關調制技術及優缺點。并將UWB與其他幾種技術做簡單比較，突現了UWB在高速率傳輸、低功率發射、低功耗、大空間容量等多方面的優勢。最后，介紹了UWB在數字家庭及無繩USB方面的應用。
UWB（UltraWideBand）是一種短距離的無線通信方式。其傳輸距離通常在10m以內，使用1GHz以上帶寬，通信速度可以達到幾百Mbit/s以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此，其所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個人通信。FCC規定，UWB的工作頻段范圍從3.1GHz到10.6 GHz，最小工作頻寬為500MHz。超寬帶傳輸技術和傳統的窄帶、寬帶傳輸技術的區別主要有如下兩方面。一個是傳輸帶寬，另一個是采用不采用載波方式。從傳輸帶寬看，按照美國聯邦通信委員會FCC的定義：信號帶寬大于1.5G或者信號帶寬與中心頻率之比大于25%的為超寬帶。超寬帶傳輸技術直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發送脈沖無線電信號，每秒可以發送數10億個脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數Hz～數GHz。由于UWB發射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對于傳統的無線電波而言，相當于噪聲，對傳統的無線電波影響相當小。UWB的技術特點顯示出其具有傳統窄帶和寬帶技術不可比擬的優勢。
一、UWB的實現
UWB系統結構實現比較簡單，UWB發射器直接用脈沖小型激勵天線，允許采用非常低廉的寬帶發射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數據傳輸時，民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內，其傳輸速率可達到500Mbit/s以上。UWB系統使用間隙的脈沖來發送數據，有很低的占空因數，系統耗電可以做到很低。在高速通信時，系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設備功率一般是傳統移動電話功率的1/100左右，是藍牙設備功率的1/20左右。安全性方面，作為通信系統的物理層技術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，對一般通信系統，UWB信號相當于白噪聲信號，并且在大多數情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中難以檢測出脈沖信號。UWB比其它無線技術要簡單得多，只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，可實現全數字化，大大降低了設備的成本。UWB還具有多徑分辨能力強、定位精確等特點。圖1，示出超寬帶無線通信系統的基本結構[4]。
圖1超寬帶無線通信系統基本結構
二、UWB脈沖調制技術介紹
目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經典的超寬帶系統采用基帶脈沖波形。包含從低頻到GHz頻率的連續帶寬。常見的如矩形脈沖、高斯脈沖、高斯單脈沖和瑞利單脈沖等。但矩形脈沖和高斯脈沖具有很大的直流分量，只適用于學術研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數的各階導數作為發射脈沖，通常每個脈沖持續的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達到幾GHz。設H、L和C分別為帶寬的高端頻率、低端頻率和中心頻率，B為相對帶寬，MB為絕對帶寬，則在B為-10dB點處應有[1]：
或MB＞500MHz在信號調制時，可以采用單個脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調制；也可以用多個脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調制[1]。在實際中，為了降低單個脈沖的幅度，提高系統的抗干擾性，超寬帶脈沖無線通信系統往往用多脈沖調制。在多脈沖調制中，傳輸相同信息的多個脈沖稱為一組脈沖。因此，多脈沖調制的過程可以分成兩步：第一步是進行每組脈沖內對單個脈沖的調制。通常采用脈沖相位調制（PPM）或二相調制（BPM）。PPM稱為跳時擴譜（SpreadSpectrum）（THSS），每組脈沖內部的每一個脈沖具有相同的幅度和極性，但具有不同的時間位置。BPM稱為直接序列（DirectSequence）擴譜（SpreadSpectrum）（DSSS），其每組脈沖內部的每一個脈沖具有固定的時間間隔和相同的幅度，但具有不同的極性[1]。第二步為每組脈沖作為整體被調制，通常采用脈沖幅度調制（PAM）、脈沖相位調制（PPM）或二相調制（BPM）。在第二步中，根據需要傳輸的信息比特，PAM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調節每組脈沖的時間位置，BPM同時改變每組脈沖的極性。將第一步和第二步組合起來可形成多種調制技術：TH-SS PPM、DS.SS PPM、TH.SS PAM、DS-SSPAM、TH-SS BPM和DS.SS BPM。綜合考慮可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的組合方式是TH-SS PPM和TH，DS-BPM。二者的區別是采用匹配濾波器的單用戶檢測情況下，TH/DS.BPM的性能要優于TH SS PPM。而對TH BPM和DS-BPM而言，在速率低時，由于THSS對遠近效應的敏感程度沒有DSSS那么高，所以，此時應選擇TH.BPM；而在速率高時則優先考慮DS.BPM。在采用最小均方誤差準～IJ（MMSE）檢測方式的多用戶接收機應用情況時，兩者差別不大；但在速率比較高時，TH/DS.BPM的性能則比TH.PPM系統好。而利用不同SS序列之間的正交性，通過同時傳輸多路多脈沖調制的信號來提高系統的通信速率的碼分復用（Code Divison Multiplexing，CDM）技術也被用于UWB。
三、UWB的技術優勢及不足
1.技術優勢
（1）傳輸速率高理論上，一個寬度趨于0的脈沖具有無限的帶寬，因此，UWB即使把發送信號功率譜密度控制得很低，仍可實現高達100Mbit/s-500Mbit/s的傳輸速率。在民用方面，UWB脈沖寬度一般為納秒級。如果一個脈沖代表一個數位，那么，理論上UWB可達1Gbit/s的速率，這樣在實際中實現100Mbit/s以上的速率是完全可能的。
（2）發射功率低，功耗小因為不使用載波，UWB僅在發射窄脈沖時消耗少量能量。從而省略了發射連續載波的大量功耗。這使得UWB在通過縮小脈沖寬度的同時提高帶寬。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項傳輸技術的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應用中，UWB發射機的發射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對其它設備造成干擾而對UWB做出的技術指標要求）。雖然現在實際上使用芯片實現后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術的不斷成熟和進步，這項指標隨之會降下來。
（3）UWB通信的保密性強UWB系統的發射功率譜密度非常低，有用信息完全淹沒在噪聲中，被截獲概率很小，被檢測的概率也很低，這一點在軍事通信上有很大的應用前景。
（4）UWB通信采用調時序列，能夠抗多徑衰落多徑衰落是指反射波和直射波疊加后造成的接收點信號幅度隨機變化，而UWB系統每次的脈沖發射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發射和接收已經完成。因此，UWB系統特點適合于高速移動環境下使用。
更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，UWB通信系統幾乎實現了全數字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統的復雜性，降低成本。可以說，低成本、低功耗、高速率、簡單有效的UWB通信正是人們所期望的理想無線通信方式[4]。
2.不足之處
當然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統占用的帶寬很高，UWB系統可能會干擾現有其他無線通信系統，因此，UWB系統的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學者認為，盡管UWB系統發射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，這甚至會影響到民航等許多系統的正常工作。盡管如此，學術界的種種爭論并不影響UWB的開發和應用。2002年2月美國通信協會（FCC）批準了UWB用于短距離無線通信的申請[3]。
四、與其他技術的比較
表1給出UWB與其他短距離無線通信的簡單比較。從表中可見，除了在通信距離上UWB比其他三種短距離無線通信方式受限外，在傳輸速率、發射功率、空間容量、應用范圍等方面，UWB都占有較大優勢。
表1UWB與其它短距離無線通信的比較
五、應用
1.UWB在家庭中的應用
雖然無線通信網已經在企業和公共場所得到推廣和應用，但是這些現有技術很難為家庭多媒體網絡的無線互連提供一個合適的方案。按照傳統的無線電設計方法，如果要提高通信速率，必須要提高數字信號處理器的處理速度，這勢必要增加系統的成本和功耗，高速率的無線產品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭無線通信網有一些特殊的要求。首先，為了滿足無線數字視頻的要求，家庭無線互連產品需要更高的通信速率，以無線高清晰數字電視（WHDTV）為例，如果采用MPFG2HD數據格式，則視頻數據流的速率高達25Mbit/s；其次，讓家庭無線通信產品走向千家萬戶，系統成本必須很低。市場調查表明，如果無線產品的價格比同類有線產品的價格高出30%，將很難被眾多的消費者所接受。其次，家庭無線通信產品中用到的嵌入式網關和小型手持設備往往是電池供電，因此，降低功耗就是一個突出的問題。即家庭無線通信產品必須具備高速率、低成本和低功耗三個優點。傳統的無線電設計方案無法在速率、成本和功耗這三者之間找到一個合適的平衡點。UWB適用于兩類家庭消費電子的應用。一類是房間內應用，例如機頂盒和DVD播放機到數字電視的無線連接，這一類應用需要至少20～28Mbit/s的傳輸速率，如要實現畫中畫功能則需要56Mbit/s的傳輸速率，另外，還需要7～10米的距離實現多個通道的傳輸[5]。另一類是桌面的應用，如PDA、手機和數碼相機與PC機的同步，PC機實現視頻編輯等。這一類應用一般只需要支持2～4m的傳輸距離，但對傳輸速率的要求非常高，有時需要高至480Mbit/s的傳輸速率。
UWB有望滿足家庭消費者的其它重要需求。有線與衛星供應商正推出越來越多的高清電視廣播，通常需要標清信號五倍左右的帶寬。UWB具有110Mbit/s的數據傳輸速率及10m的傳輸距離，因此，只有它才能在住宅的幾乎所有空間內實現從機頂盒向電視顯示器無線傳輸高分辨率視頻流的功能。這使得消費者無須為每臺電視機都添置新的機頂盒，即可使家里多臺電視機都接收到高清節目源。
2.無繩USB
無繩USB（WirelessUSB）是一種無線接口標準，目標是以無線取代目前的USB連線。無線技術方面將使用超寬帶近距離高速通信技術“UWB”。目標傳送速度為USB2.0的最大通信速度480Mbit/s。可望UWB無線技術將取代USB，成為PC的外設接口。
無繩USB可以實現數字家庭的打印機共享、無線鼠標、鍵盤連接，掃描儀的數據傳輸，移動硬盤的無線接入，DV數據傳送等應用，是數字家庭標準外設接入的接口。通過UWB無繩USB連接，組成了以計算機為中心，USB標準外設作為從設備的互聯互通小網絡。這個小型網絡能夠完成系統協同工作，由軟件控制可智能完成用戶的特定任務。例如，用戶可以直接從數碼相機中瀏覽，選定自己喜歡的照片，通過無繩USB技術傳送到電腦，接著，電腦可以把它輸出到無線連接的便攜打印機，用戶就能及時打印出選出的照片。這樣，隨時隨地無任何連接限制地體現出數字家庭設備互聯互通人性化的特點。
圖2無線USB應用場景
六、結束語
UWB還可用于智能無線局域網、室外對等網，以及在對工廠、倉庫、超市中貴重物品的位置信息低速傳輸傳感、定位、識別[1]等方面。雖然基于UWB技術的802.15.3a標準尚未出臺，但鑒于其在短距離無線通信領域中所具有的優勢，以及在民用和軍用領域中的廣闊應用前景，UWB技術必將在無線通信領域中占據重要一席之地。
參考文獻
[1]龔江濤，尚琴，陳金鷹。UWB技術與應用[J].山東通信技術，2006年9月第26卷第3期。
[2]金京林，趙智能.DS-UWB技術及其應用[J].華南師范大學學報，2006年第4期。
[3]令寒億，談振輝.DS-UWB在家庭網絡中的應用[J].中興通訊技術，2006年12月，第12卷第6期。
[4]龐海生，朱詩兵.超寬帶及其關鍵技術[J].電信技術.2005年第4期。
[5]張士兵，超寬帶無線技術的應用前景及其挑戰[J].南通大學學報（自然科學版），2005年3月第4卷第1期。
