超宽带(UWB)技术综述

一、UWB技术简介

　　UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。

　　虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会(FCC)所定义比中心频率高25%或者是大于1.5G赫兹。很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率(RF)载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。

　　UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。

　　与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。

　　超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术，不仅为低端用户所喜爱，而且在一些高端技术领域，如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。

　　从时域上讲， 超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB 是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行， 而且以这一过程中所持续的时间， 来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB 发射功率受限， 进而限制了其传输距离， 据资料表明，UWB 信号的有效传输距离在10m 以内， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。

    从频域来看， 超宽带有别于传统的窄带和宽带， 它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1% ， 相对带宽在1% 到25% 之间的被称为宽带， 相对带宽大于25% ， 而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1表示这三个概念

	信号带宽/中心频率
窄带	≤1%
宽带	%1≤…≤25%
超宽带（UWB）	≥25%或带宽≥500Mbps

二、UWB技术原理

　　UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。

　　UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽0.1-1.5ns (1纳秒= 一亿分之一秒)，重复周期在25-1000ns。图2显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，图中脉冲的中心频率在2GHz。

　　实际通信中使用一长串的脉冲，图3显示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰，即采用脉冲位置调制PPM。

　　比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间δ来表示一个特定的信息。图4是一个二进制信息调制的示例。

　　图中调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收，即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大，也不够杂乱。

　　为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量δ大小不一，变化随机，同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道，即实现通信系统的多址，可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码，特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。图4显示了伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱。

　　图中频谱已经接近白噪声频谱，功率也小了许多，这就是伪随机编码产生的效果。适当地选择码组，保证组内各个码字相互正交或接近正交，就可以实现码分多址。

　　UWB系统采用相关接收技术，关键部件称为相关器（correlator）。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内，间歇期则没有。处理过程一般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。图6显示了不同位置七个脉冲经相关器后的波形走势，750ns后的稳定波形是输出结果。

　　值得注意的是，虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰，UWB可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。

     

三、UWB的技术特点

　　由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：

　　(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。

　　(2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传

　　(3)功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

　　(4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

　　(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～ 30 dB 的多径环境， 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

　　(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。

　　(7)工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

　　如前所述，现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术， 又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术， 出现于1960年代， 当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过Harmuth 、Ross 和Robbins 等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展， 其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到80 年代后期， 该技术开始被称为"无载波"无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989 年首次使用了"超带宽"这一术语。为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起， 美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见， 在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。

　　2003年12月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行的IEEE有关UWB标准的大讨论。那时关于UWB技术有两种相互竞争的标准，一方是以Intel与德州仪器为首支持的MBOA标准，一方是以摩托罗位为首的DS-UWB标准，双方在这场讨论中各不相让，两者的分歧体现在UWB技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方式。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已有了追随者，三星在今年国际消费电子展上展示了全球第一套可同时播放三个不同的HSDTV视频流的无线广播系统，就采用了摩托罗拉公司的Xtreme　Spectrum芯片，该芯片组是摩托罗拉的第二代产品，目前已有样片提供，其数据传输速度最高可达114Mbps，而功耗不超过200mw。在另一阵营中，Intel公司近期在其开发商论坛上展示了该公司第一个采用90nm技术工艺处理的UWB芯片；同时，该公司还首次展示多家公司联合支持的、采用UWB芯片的、应用范围超过10M的480Mbps无线USB技术。在今年5月中旬由IEEE802.15.3a工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举UWB标准，MBOA获得60%的支持，DS-UWB获取40%的支持，两者都没有达到成为标准必须达到75%选票的要求。因此标准之争还要持续下去。

　　美国在UWB的积极投入，引起欧盟和日本的重视，也纷纷开展研究计划。由Wisair、Philips等六家公司和团体，成立了Ultrawaves组织，研究家庭内，UWB在AV设备高速传输的可行性研究。位于以色列的Wisair多次发表所开发的UWB芯片组。STMicro、Thales集团和摩托罗拉等10家公司和团体则成立了UCAN组织，利用UWB达成PWAN的技术，包括实体层、MAC层、路由与硬件技术等。PULSERS是由位于瑞士的IBM研究公司、英国的Philips研究组织等45家以上的研究团体组成，研究UWB的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在2003年元月成立了UWB研究开发协会，计有40家以上的业者和大学参加，并在同年3月构筑UWB通信试验设备。多个研究机构可在不经过核准的情况下，先行从事研究。我国在2001年9月初发布的"十五"国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将"超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术"作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。

　　在UWB的专业IC设计公司已有数家，如Time Domain，Wisair，Discrete　Time　Communications.最具代表性的Xtreme Spectrum在2003年夏天被摩托罗拉并购，该公司在2002年7月推出芯片组Trinity及其参考用电路板，芯片组由MAC、LNA、RF、Baseband所组成，耗电量为200mW，使用3.1G至7.5GHz频段，速度为100Mbps。为了争夺未来的家庭无线网络市场，许多厂商都已推出了自己的网络产品，如Intel 的Digital Media Adapter，Sony 的RoomLink(这两种适配器应用的是802.11)，Xtreme Spectrum 则推出了基于UWB 技术的TRINITY 芯片组和一些消费电子产品。而Microsoft 推出了WindowsXP Media Center Edition 以确保PC 成为智能网络的枢纽。

三、与其它短距离无线技术的比较

　　从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。

　　(1)IEEE802.11a与UWB

　　IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。

　　(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB

　　蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。

　　(3)HomeRF与UWB

　　HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频50 次，即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。

　　总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下：

	UWB	蓝芽	802.11a	HomeRF
速率（bps）	最高达1G	＜1M	54M	1~2M
距离（米）	＜10	10	10~100	50
功率	1毫瓦以下	1~100毫瓦	1瓦以上	1瓦以下
应用范围	探距离多媒体	家庭或办公室	电脑和Internet网关	电脑、电话及移动设备

四、UWB应用概述

　　UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。

　　在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体；在民用方面，自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ；汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements　system) 。下面对两个重要应用展开论述。

　　UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1. 3～1. 7 GHz ，相对带宽为27 % ，符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务，其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。

　　UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是"旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。举例来说，你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遥控你的PC，让它控制你的信息家电，让它们有条不紊地工作，你也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。

五、UWB的发展前景

　　如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出，2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。

　　同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于待开发状态，通过UWB技术的研究，可以充分发挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在UWB技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。