摘要:UWB技術(shù)是目前最理想的低功耗、高帶寬的短距離無線傳輸技術(shù)。UWB技術(shù)的相關(guān)研究以及應(yīng)用也成了目前研究的熱點話題。介紹了UWB的基本技術(shù)及相關(guān)知識，包括其定義、技術(shù)實現(xiàn)、相關(guān)調(diào)制技術(shù)及優(yōu)缺點。并將UWB與其他幾種技術(shù)做簡單比較，突現(xiàn)了UWB在高速率傳輸、低功率發(fā)射、低功耗、大空間容量等多方面的優(yōu)勢。最后，介紹了UWB在數(shù)字家庭及無繩USB方面的應(yīng)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(nèi)，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(shù)據(jù)，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(guī)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(shù)和傳統(tǒng)的窄帶、寬帶傳輸技術(shù)的區(qū)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(lián)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(shù)直接使用基帶傳輸。其傳輸方式是直接發(fā)送脈沖無線電信號，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個脈沖。然而，這些脈沖的頻域非常寬，可覆蓋數(shù)Hz～數(shù)GHz。由于UWB發(fā)射的載波功率比較小，頻率范圍很廣，所以，UWB相對于傳統(tǒng)的無線電波而言，相當(dāng)于噪聲，對傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小。UWB的技術(shù)特點顯示出其具有傳統(tǒng)窄帶和寬帶技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。
一、UWB的實現(xiàn)
UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)比較簡單，UWB發(fā)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(fā)射器。在接收端，不需要中頻處理。高速數(shù)據(jù)傳輸時，民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，其傳輸速率可達到500Mbit/s以上。UWB系統(tǒng)使用間隙的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低。在高速通信時，系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話功率的1/100左右，是藍牙設(shè)備功率的1/20左右。安全性方面，作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)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(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且在大多數(shù)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(shù)要簡單得多，只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，可實現(xiàn)全數(shù)字化，大大降低了設(shè)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(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[4]。
圖1超寬帶無線通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
二、UWB脈沖調(diào)制技術(shù)介紹
目前，用于UWB的滿足特定頻譜要求的脈沖波形，根據(jù)頻譜特性可分成基帶脈沖和特殊脈沖兩類。經(jīng)典的超寬帶系統(tǒng)采用基帶脈沖波形。包含從低頻到GHz頻率的連續(xù)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(xué)術(shù)研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用極短的高斯函數(shù)的各階導(dǎo)數(shù)作為發(fā)射脈沖，通常每個脈沖持續(xù)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(shè)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(yīng)有[1]：
或MB＞500MHz在信號調(diào)制時，可以采用單個脈沖傳遞不同的信息，即單脈沖調(diào)制；也可以用多個脈沖傳遞相同的信息，即多脈沖調(diào)制[1]。在實際中，為了降低單個脈沖的幅度，提高系統(tǒng)的抗干擾性，超寬帶脈沖無線通信系統(tǒng)往往用多脈沖調(diào)制。在多脈沖調(diào)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(diào)制的過程可以分成兩步：第一步是進行每組脈沖內(nèi)對單個脈沖的調(diào)制。通常采用脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。PPM稱為跳時擴譜（SpreadSpectrum）（THSS），每組脈沖內(nèi)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(nèi)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(diào)制，通常采用脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖相位調(diào)制（PPM）或二相調(diào)制（BPM）。在第二步中，根據(jù)需要傳輸?shù)男畔⒈忍兀琍AM同時改變每組脈沖的幅度，PPM同時調(diào)節(jié)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(diào)制技術(shù)：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(qū)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(yōu)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(yīng)的敏感程度沒有DSSS那么高，所以，此時應(yīng)選擇TH.BPM；而在速率高時則優(yōu)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(yīng)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(tǒng)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(diào)制的信號來提高系統(tǒng)的通信速率的碼分復(fù)用（Code Divison Multiplexing，CDM）技術(shù)也被用于UWB。
三、UWB的技術(shù)優(yōu)勢及不足
1.技術(shù)優(yōu)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(fā)送信號功率譜密度控制得很低，仍可實現(xiàn)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(shù)位，那么，理論上UWB可達1Gbit/s的速率，這樣在實際中實現(xiàn)100Mbit/s以上的速率是完全可能的。
（2）發(fā)射功率低，功耗小因為不使用載波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時消耗少量能量。從而省略了發(fā)射連續(xù)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(shù)的功耗和帶寬成正比的定律。在短距離應(yīng)用中，UWB發(fā)射機的發(fā)射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對其它設(shè)備造成干擾而對UWB做出的技術(shù)指標要求）。雖然現(xiàn)在實際上使用芯片實現(xiàn)后的整體電路能耗在300mw左右，但隨著技術(shù)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(tǒng)的發(fā)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(yīng)用前景。
（4）UWB通信采用調(diào)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(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時間很短，在反射波到達之前，直射波的發(fā)射和接收已經(jīng)完成。因此，UWB系統(tǒng)特點適合于高速移動環(huán)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(tǒng)幾乎實現(xiàn)了全數(shù)字化，所需要的射頻和微波器件很少，這樣可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本?？梢哉f，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(dāng)然，UWB通信也存在不足，主要問題是UWB系統(tǒng)占用的帶寬很高，UWB系統(tǒng)可能會干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)，因此，UWB系統(tǒng)的頻率許可問題一直在爭論之中；另外，還有學(xué)者認為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但是，由于其脈沖持續(xù)時間很短，瞬時功率峰值可能會很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。盡管如此，學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國通信協(xié)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(shù)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(fā)射功率、空間容量、應(yīng)用范圍等方面，UWB都占有較大優(yōu)勢。
表1UWB與其它短距離無線通信的比較
五、應(yīng)用
1.UWB在家庭中的應(yīng)用
雖然無線通信網(wǎng)已經(jīng)在企業(yè)和公共場所得到推廣和應(yīng)用，但是這些現(xiàn)有技術(shù)很難為家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)的無線互連提供一個合適的方案。按照傳統(tǒng)的無線電設(shè)計方法，如果要提高通信速率，必須要提高數(shù)字信號處理器的處理速度，這勢必要增加系統(tǒng)的成本和功耗，高速率的無線產(chǎn)品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭無線通信網(wǎng)有一些特殊的要求。首先，為了滿足無線數(shù)字視頻的要求，家庭無線互連產(chǎn)品需要更高的通信速率，以無線高清晰數(shù)字電視（WHDTV）為例，如果采用MPFG2HD數(shù)據(jù)格式，則視頻數(shù)據(jù)流的速率高達25Mbit/s；其次，讓家庭無線通信產(chǎn)品走向千家萬戶，系統(tǒng)成本必須很低。市場調(diào)查表明，如果無線產(chǎn)品的價格比同類有線產(chǎn)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(chǎn)品中用到的嵌入式網(wǎng)關(guān)和小型手持設(shè)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(chǎn)品必須具備高速率、低成本和低功耗三個優(yōu)點。傳統(tǒng)的無線電設(shè)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(yīng)用。一類是房間內(nèi)應(yīng)用，例如機頂盒和DVD播放機到數(shù)字電視的無線連接，這一類應(yīng)用需要至少20～28Mbit/s的傳輸速率，如要實現(xiàn)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(xiàn)多個通道的傳輸[5]。另一類是桌面的應(yīng)用，如PDA、手機和數(shù)碼相機與PC機的同步，PC機實現(xiàn)視頻編輯等。這一類應(yīng)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(wèi)星供應(yīng)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(shù)據(jù)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(nèi)實現(xiàn)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(jié)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(shù)方面將使用超寬帶近距離高速通信技術(shù)“UWB”。目標傳送速度為USB2.0的最大通信速度480Mbit/s?？赏鸘WB無線技術(shù)將取代USB，成為PC的外設(shè)接口。
無繩USB可以實現(xiàn)數(shù)字家庭的打印機共享、無線鼠標、鍵盤連接，掃描儀的數(shù)據(jù)傳輸，移動硬盤的無線接入，DV數(shù)據(jù)傳送等應(yīng)用，是數(shù)字家庭標準外設(shè)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(shè)作為從設(shè)備的互聯(lián)互通小網(wǎng)絡(luò)。這個小型網(wǎng)絡(luò)能夠完成系統(tǒng)協(xié)同工作，由軟件控制可智能完成用戶的特定任務(wù)。例如，用戶可以直接從數(shù)碼相機中瀏覽，選定自己喜歡的照片，通過無繩USB技術(shù)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?zé)o任何連接限制地體現(xiàn)出數(shù)字家庭設(shè)備互聯(lián)互通人性化的特點。
圖2無線USB應(yīng)用場景
六、結(jié)束語
UWB還可用于智能無線局域網(wǎng)、室外對等網(wǎng)，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(shù)的802.15.3a標準尚未出臺，但鑒于其在短距離無線通信領(lǐng)域中所具有的優(yōu)勢，以及在民用和軍用領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景，UWB技術(shù)必將在無線通信領(lǐng)域中占據(jù)重要一席之地。
參考文獻
[1]龔江濤，尚琴，陳金鷹。UWB技術(shù)與應(yīng)用[J].山東通信技術(shù)，2006年9月第26卷第3期。
[2]金京林，趙智能.DS-UWB技術(shù)及其應(yīng)用[J].華南師范大學(xué)學(xué)報，2006年第4期。
[3]令寒億，談?wù)褫x.DS-UWB在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].中興通訊技術(shù)，2006年12月，第12卷第6期。
[4]龐海生，朱詩兵.超寬帶及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電信技術(shù).2005年第4期。
[5]張士兵，超寬帶無線技術(shù)的應(yīng)用前景及其挑戰(zhàn)[J].南通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005年3月第4卷第1期。
