近年來，超寬帶(UWB)無線通信成為短距離、高速無線網絡最熱門的物理層技術之一。
1 UWB的產生與發(fā)展
超寬帶(UWB)有著悠久的發(fā)展歷史，但在1989年之前，超寬帶這一術語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結構方面也沒有明確的規(guī)定。1989年，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術語，并規(guī)定：若信號在-20dB處的絕對帶寬大于1.5GHz或相對帶寬大于25%，則該信號為超寬帶信號。此后，超寬帶這個術語才被沿用下來。
其中，fH為信號在-20dB輻射點對應的上限頻率、fL為信號在-20 dB輻射點對應的下限頻率。圖1給出了帶寬計算示意圖?？梢?，UWB是指具有很高帶寬比(射頻帶寬與其中心頻率之比)的無線電技術。
為探索UWB應用于民用領域的可行性，自1998年起，美國聯邦通信委員會(FCC)開始在產業(yè)界廣泛征求意見。美國NTIA等通信團體對此大約提交了800多份意見書。
2002年2月，FCC批準UWB技術進入民用領域，并對UWB進行了重新定義，規(guī)定UWB信號為相對帶寬大于20%或-10dB帶寬大于500MHz的無線電信號。根據UWB系統的具體應用，分為成像系統、車載雷達系統、通信與測量系統三大類。根據FCCPart15規(guī)定，UWB通信系統可使用頻段為3.1 GHz～10.6 GHz。為保護現有系統(如GPRS、移動蜂窩系統、WLAN等)不被UWB系統干擾，針對室內、室外不同應用，對UWB系統的輻射譜密度進行了嚴格限制，規(guī)定UWB系統的最高輻射譜密度為-41.3 dBm/MHz.。圖2示出了FCC對室內、室外UWB系統的輻射功率譜密度限制。當前，人們所說的UWB是指FCC給出的新定義。
自2002年至今，新技術和系統方案不斷涌現，出現了基于載波的多帶脈沖無線電超寬帶(IR-UWB)系統、基于直擴碼分多址(DS-CDMA)的UWB系統、基于多帶正交頻分復用(OFDM)的UWB系統等。在產品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司紛紛推出UWB芯片組，超寬帶天線技術也日趨成熟。當前，UWB技術已成為短距離、高速無線連接最具競爭力的物理層技術。IEEE已經將UWB技術納入其IEEE802系列無線標準，正在加緊制訂基于UWB技術的高速無線個域網(WPAN)標準IEEE802.15.3a和低速無線個域網標準IEEE802.15.4a。以Intel領銜的無線USB促進組織制訂的基于UWB的W-USB2.0標準即將出臺。無線1394聯盟也在抓緊制訂基于UWB技術的無線標準?？梢灶A見，在未來的幾年中，UWB將成為無線個域網、無線家庭網絡、無線傳感器網絡等短距離無線網絡中占據主導地位的物理層技術之一。
2 UWB的技術特點
(1)傳輸速率高，空間容量大
根據仙農(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，系統無差錯傳輸速率的上限為：
C=B×log2(1+SNR) (1)
其中，B(單位：Hz)為信道帶寬，SNR為信噪比。在UWB系統中，信號帶寬B高達500MHz～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系統也可以在短距離上實現幾百兆至1Gb/s的傳輸速率。例如，如果使用7 GHz帶寬，即使信噪比低至-10 dB，其理論信道容量也可達到1 Gb/s。因此，將UWB技術應用于短距離高速傳輸場合(如高速WPAN)是非常合適的，可以極大地提高空間容量。理論研究表明，基于UWB的WPAN可達的空間容量比目前WLAN標準IEEE 802.11.a高出1～2個數量級。
(2)適合短距離通信
按照FCC規(guī)定，UWB系統的可輻射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz頻段總輻射功率僅0.55mW，遠低于傳統窄帶系統。隨著傳輸距離的增加，信號功率將不斷衰減。因此，接收信噪比可以表示成傳輸距離的函數SNRr (d )。根據仙農公式，信道容量可以表示成距離的函數
C(d)=B×log2[1+SNRr(d )] (2)
另外，超寬帶信號具有極其豐富的頻率成分。眾所周知，無線信道在不同頻段表現出不同的衰落特性。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號衰落極快，這導致UWB信號產生失真，從而嚴重影響系統性能。研究表明，當收發(fā)信機之間距離小于10m時，UWB系統的信道容量高于5GHz頻段的WLAN系統，收發(fā)信機之間距離超過12m時，UWB系統在信道容量上的優(yōu)勢將不復存在。因此，UWB系統特別適合于短距離通信。
(3)具有良好的共存性和保密性
由于UWB系統輻射譜密度極低(小于-41.3dBm/MHz)，對傳統的窄帶系統來講，UWB信號譜密度甚至低至背景噪聲電平以下，UWB信號對窄帶系統的干擾可以視作寬帶白噪聲。因此，UWB系統與傳統的窄帶系統有著良好的共存性，這對提高日益緊張的無線頻譜資源的利用率是非常有利的。同時，極低的輻射譜密度使UWB信號具有很強的隱蔽性，很難被截獲，這對提高通信保密性非常有利。
(4)多徑分辨能力強，定位精度高
由于UWB信號采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨能力都很強。因此，UWB信號的多徑分辨率極高。極高的多徑分辨能力賦予UWB信號高精度的測距、定位能力。對于通信系統，必須辯證地分析UWB信號的多徑分辨力。無線信道的時間選擇性和頻率選擇性是制約無線通信系統性能的關鍵因素。在窄帶系統中，不可分辨的多徑將導致衰落，而UWB信號可以將它們分開并利用分集接收技術進行合并。因此，UWB系統具有很強的抗衰落能力。但UWB信號極高的多徑分辨力也導致信號能量產生嚴重的時間彌散(頻率選擇性衰落)，接收機必須通過犧牲復雜度(增加分集重數)以捕獲足夠的信號能量。這將對接收機設計提出嚴峻挑戰(zhàn)。在實際的UWB系統設計中，必須折衷考慮信號帶寬和接收機復雜度，得到理想的性價比。
(5)體積小、功耗低
傳統的UWB技術無需正弦載波，數據被調制在納秒級或亞納秒級基帶窄脈沖上傳輸，接收機利用相關器直接完成信號檢測。收發(fā)信機不需要復雜的載頻調制/解調電路和濾波器。因此，可以大大降低系統復雜度，減小收發(fā)信機體積和功耗。FCC對UWB的新定義在一定程度上增加了無載波脈沖成形的實現難度，但隨著半導體技術的發(fā)展和新型脈沖產生技術的不斷涌現，UWB系統仍然繼承了傳統UWB體積小、功耗低的特點。
3 UWB脈沖成形技術
任何數字通信系統，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息。對于線性調制系統，已調制信號可以統一表示為：
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
其中，In為承載信息的離散數據符號序列；T為數據符號持續(xù)時間；
g(t)為時域成形波形。通信系統的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現復雜度等諸多因素都取決于g(t)的設計。
對于UWB通信系統，成形信號g(t)的帶寬必須大于500MHz，且信號能量應集中于3.1 GHz～10.6 GHz頻段。早期的UWB系統采用納秒/亞納秒級無載波高斯單周脈沖，信號頻譜集中于2 GHz以下。FCC對UWB的重新定義和頻譜資源分配對信號成形提出了新的要求，信號成形方案必需進行調整。近年來，出現了許多行之有效的方法，如基于載波調制的成形技術、Hermit正交脈沖成形、橢圓球面波(PSWF)正交脈沖成形等。
3.1高斯單周脈沖
高斯單周脈沖即高斯脈沖的各階導數，是最具代表性的無載波脈沖。各階脈沖波形均可由高斯一階導數通過逐次求導得到。
隨著脈沖信號階數的增加，過零點數逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。早期UWB系統采用1階、2階脈沖，信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz。按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。圖3為典型的2ns高斯單周脈沖。
3.2載波調制的成形技術
原理上講，只要信號-10dB帶寬大于500MHz即可滿足UWB要求。因此，傳統的用于有載波通信系統的信號成形方案均可移植到UWB系統中。此時，超寬帶信號設計轉化為低通脈沖設計，通過載波調制可以將信號頻譜在頻率軸上靈活地搬移。
有載波的成形脈沖可表示為：
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
其中，p(t)為持續(xù)時間為Tp的基帶脈沖；fc為載波頻率，即信號中心頻率。若基帶脈沖p(t)的頻譜為P(f )，則最終成形脈沖的頻譜為：
可見，成形脈沖的頻譜取決于基帶脈沖p(t)，只要使p(t)的-10dB帶寬大于250 MHz，即可滿足UWB設計要求。通過調整載波頻率fc可以使信號頻譜在3.1 GHz～10.6 GHz范圍內靈活移動。若結合跳頻(FH)技術，則可以方便地構成跳頻多址(FHMA)系統。在許多IEEE 802.15.3a標準提案中采用了這種脈沖成形技術。圖4為典型的有載波修正余弦脈沖，中心頻率為3.35 GHz，-10 dB帶寬為525 MHz。
3.3Hermite正交脈沖
Hermite脈沖是一類最早被提出用于高速UWB通信系統的正交脈沖成形方法。結合多進制脈沖調制可以有效地提高系統傳輸速率。這類脈沖波形是由Hermite多項式導出的。這種脈沖成形方法的特點在于：能量集中于低頻，各階波形頻譜相差大，需借助載波搬移頻譜方可滿足FCC要求。
3.4PSWF正交脈沖
PSWF脈沖是一類近似的“時限-帶限”信號，在帶限信號分析中有非常理想的效果。
與Hermite脈沖相比，PSWF脈沖可以直接根據目標頻段和帶寬要求進行設計，不需要復雜的載波調制進行頻譜般移。因此，PSWF脈沖屬于無載波成形技術，有利于簡化收發(fā)信機復雜度。
4 UWB調制與多址技術
調制方式是指信號以何種方式承載信息，它不但決定著通信系統的有效性和可靠性，同時也影響信號的頻譜結構、接收機復雜度。對于多址技術解決多個用戶共享信道的問題，合理的多址方案可以在減小用戶間干擾的同時極大地提高多用戶容量。在UWB系統中采用的調制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調制、基于OFDM的正交多載波調制。多址技術包括：跳時多址、跳頻多址、直擴碼分多址、波分多址等。系統設計中，可以對調制方式與多址方式進行合理的組合。
4.1UWB調制技術
(1)脈位調制
脈位調制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數據信息的調制方式。按照采用的離散數據符號狀態(tài)數可以分為二進制PPM(2PPM)和多進制PPM(MPPM)。在這種調制方式中，一個脈沖重復周期內脈沖可能出現的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應。根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重疊的PPM中，為保證系統傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關函數的負峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位。接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測。鑒于UWB系統的復雜度和功率限制，實際應用中，常用的調制方式為2PPM或2OPPM。
PPM的優(yōu)點在于：它僅需根據數據符號控制脈沖位置，不需要進行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復雜度實現調制與解調。因此，PPM是早期UWB系統廣泛采用的調制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。如果不對這些譜線進行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求。
(2)脈幅調制
脈幅調制(PAM)是數字通信系統最為常用的調制方式之一。在UWB系統中，考慮到實現復雜度和功率有效性，不宜采用多進制PAM(MPAM)。UWB系統常用的PAM有兩種方式：開關鍵控(OOK)和二進制相移鍵控(BPSK)。前者可以采用非相干檢測降低接收機復雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。
與2PPM相比，在輻射功率相同的前提下，BPSK可以獲得更高的傳輸可靠性，且輻射譜中沒有離散譜線。
(3)波形調制
波形調制(PWSK)是結合Hermite脈沖等多正交波形提出的調制方式。在這種調制方式中，采用M個相互正交的等能量脈沖波形攜帶數據信息，每個脈沖波形與一個M進制數據符號對應。在接收端，利用M個并行的相關器進行信號接收，利用最大似然檢測完成數據恢復。由于各種脈沖能量相等，因此可以在不增加輻射功率的情況下提高傳輸效率。在脈沖寬度相同的情況下，可以達到比MPPM更高的符號傳輸速率。在符號速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于這種調制方式需要較多的成形濾波器和相關器，其實現復雜度較高。因此，在實際系統中較少使用，目前僅限于理論研究。
(4)正交多載波調制
傳統意義上的UWB系統均采用窄脈沖攜帶信息。FCC對UWB的新定義拓廣了UWB的技術手段。原理上講，-10dB帶寬大于500MHz的任何信號形式均可稱作UWB。在OFDM系統中，數據符號被調制在并行的多個正交子載波上傳輸，數據調制/解調采用快速傅里葉變換/逆快速傅里葉變換(FFT/IFFT)實現。由于具有頻譜利用率高、抗多徑能力強、便于DSP實現等優(yōu)點，OFDM技術已經廣泛應用于數字音頻廣播(DAB)、數字視頻廣播(DVB)、WLAN等無線網絡中，且被作為B3G/4G蜂窩網的主流技術。
4.2UWB多址技術
(1)跳時多址
跳時多址(THMA)是最早應用于UWB通信系統的多址技術，它可以方便地與PPM調制、BPSK調制相結合形成跳時-脈位調制(TH-PPM)、跳時-二進制相移鍵控系統方案。這種多址技術利用了UWB信號占空比極小的特點，將脈沖重復周期(Tf，又稱幀周期)劃分成Nh個持續(xù)時間為Tc的互不重疊的碼片時隙，每個用戶利用一個獨特的隨機跳時序列在Nh個碼片時隙中隨機選擇一個作為脈沖發(fā)射位置。在每個碼片時隙內可以采用PPM調制或BPSK調制。接收端利用與目標用戶相同的跳時序列跟蹤接收。
由于用戶跳時碼之間具有良好的正交性，多用戶脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。將跳時技術與PPM結合可以有效地抑制PPM信號中的離散譜線，達到平滑信號頻譜的作用。由于每個幀周期內可分的碼片時隙數有限，當用戶數很大時必然產生多用戶干擾。因此，如何選擇跳時序列是非常重要的問題。
(2)直擴-碼分多址
直擴-碼分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移動蜂窩系統中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應用于UWB系統。在這種多址方式中，每個用戶使用一個專用的偽隨機序列對數據信號進行擴頻，用戶擴頻序列之間互相關很小，即使用戶信號間發(fā)生沖突，解擴后互干擾也會很小。但由于用戶擴頻序列之間存在互相關，遠近效應是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系統中需要進行功率控制。在UWB系統中，DS-CDMA通常與BPSK結合。
(3)跳頻多址
跳頻多址(FHMA)是結合多個頻分子信道使用的一種多址方式，每個用戶利用專用的隨機跳頻碼控制射頻頻率合成器，以一定的跳頻圖案周期性地在若干個子信道上傳輸數據，數據調制在基帶完成。若用戶跳頻碼之間無沖突或沖突概率極小，則多用戶信號之間在頻域正交，可以很好地消除用戶間干擾。原理上講，子信道數量越多則容納的用戶數量越大，但這是以犧牲設備復雜度和功耗為代價的。在UWB系統中，將3.1GHz～10.6GHz頻段分成若干個帶寬大于500MHz的子信道，根據用戶數量和設備復雜度要求選擇一定數量的子信道和跳頻碼解決多址問題。FHMA通常與多帶脈沖調制或OFDM相結合，調制方式采用BPSK或正交移相鍵控(QPSK)。
(4)PWDMA
PWDMA是結合Hermite等正交多脈沖提出的一種波分多址方式。每個用戶分別使用一種或幾種特定的成形脈沖，調制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用戶使用的脈沖波形之間相互正交，在同步傳輸的情況下，即使多用戶信號間相互沖突也不會產生互干擾。通常正交波形之間的異步互相關不為零，因此在異步通信的情況下用戶間將產生互干擾。目前，PWDMA僅限于理論研究，尚未進入實用階段。