淺析超寬帶無(wú)線電技術(shù)

1 UWB通信技術(shù)的特點(diǎn)

　　UWB系統(tǒng)的工作頻帶極寬，一般從幾百M(fèi)Hz到幾個(gè)GHz，將來(lái)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(shí)現(xiàn)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(hào)功率譜密度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。UWB可實(shí)現(xiàn)高速傳輸和極大的系統(tǒng)空間容量,是實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信和無(wú)線局域網(wǎng)的理想技術(shù)之一。目前實(shí)驗(yàn)超寬帶短距系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到1Gbit/s，其空間通信容量（即每平方米面積可達(dá)到的通信容量）是無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等系統(tǒng)的10～1000倍。

　　（1）發(fā)射功率低、功耗小

　　UWB系統(tǒng)在高速通信時(shí)耗電量?jī)H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(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、成本低

　　UWB通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。UWB系統(tǒng)不需要功用放大器與混頻器，同時(shí)在接收端不需要過(guò)濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件。超寬帶系統(tǒng)不論是基帶脈沖的還是帶通調(diào)制載波的，其射頻、模擬以及信號(hào)處理部件都相對(duì)較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)。

　　（3）電磁兼容性及安全性

　　由于單位頻寬內(nèi)的功率密度相當(dāng)?shù)颓野l(fā)射功率由美國(guó)FCC嚴(yán)格限制，UWB對(duì)其它無(wú)線通信設(shè)備的影響微乎其微。相反，令人擔(dān)心的是其它設(shè)備對(duì)UWB設(shè)備以及多部UWB設(shè)備相互間的干擾。UWB系統(tǒng)一般把信號(hào)能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，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(duì)脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后，信號(hào)極難被非授權(quán)方所截獲或檢測(cè)，具有極強(qiáng)的安全性。

　?。?）抗衰落及多徑分辨能力強(qiáng)

　　超寬帶無(wú)線電發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的單周期脈沖，此脈沖多徑信號(hào)在時(shí)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(hào)的能量。此外，UWB信道由于其均方根時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)小于窄帶信道，信號(hào)分辨率極高。

　?。?）定位精確

　　UWB技術(shù)可應(yīng)用于穿透建筑物成像、檢測(cè)、監(jiān)視、測(cè)量等方面，尤其是室內(nèi)和地下精確定位。

2 UWB系統(tǒng)方案及一些技術(shù)問(wèn)題

　　UWB系統(tǒng)方案應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求、規(guī)則約束和信道特征進(jìn)行優(yōu)化選擇，綜合考慮頻帶規(guī)劃、調(diào)制與多址方案、系統(tǒng)復(fù)雜度、成本與功耗及共存性等問(wèn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其信號(hào)帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強(qiáng)。但由于信號(hào)的時(shí)間彌散嚴(yán)重，接收機(jī)的復(fù)雜度較高。此外，為解決共存性問(wèn)題，避免與帶內(nèi)窄帶系統(tǒng)的干擾，該系統(tǒng)采用的濾波器也是比較復(fù)雜的。其典型代表是單載波DS-CDMA。在單載波DS-CDMA 方案中，經(jīng)過(guò)DS-CDMA 擴(kuò)頻之后的信號(hào)再對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。傳統(tǒng)的無(wú)載波UWB方案存在較多低頻分量，無(wú)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(guò)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(gè)頻段劃分成若干個(gè)子帶，使用部分或全部子帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)成形和數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成，通過(guò)射頻載波搬移到不同子帶，避開(kāi)傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)使用頻段。多帶系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制方式分為多帶脈沖無(wú)線電和多帶正交頻分復(fù)用兩種方式。其多址問(wèn)題采用跳頻技術(shù)來(lái)解決，相對(duì)于符號(hào)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(gè)頻段，并采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。

　　目前一些無(wú)線技術(shù)和UWB被批準(zhǔn)的頻帶重疊，使用動(dòng)態(tài)頻率控制技術(shù)可避開(kāi)干擾頻段。這有利于采用同一標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)多個(gè)國(guó)家在頻段規(guī)劃上的差異。因此，MBOA技術(shù)在相同條件下具有更高的速率和距離，但電路復(fù)雜度和成本較高。

　　從技術(shù)上來(lái)講，MBOA和DS-CDMA是無(wú)法彼此妥協(xié)的，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢?對(duì)無(wú)線電頻率管理來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)基本的原則：一是新的無(wú)線電技術(shù)不得對(duì)已有的無(wú)線電臺(tái)(系統(tǒng))造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護(hù)要求，即要能忍受已有無(wú)線電臺(tái)的各種干擾。DS-CDMA因?yàn)槭褂谜麄€(gè)3.1 GHz～10.6 GHz頻段，包括傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個(gè)頻率子帶，可以很方便地避開(kāi)這些頻率。

　　2.3 有待解決的問(wèn)題

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

　?。?） 脈沖成形技術(shù)

　　UWB目前有許多行之有效的信號(hào)成形方法，如基于載波調(diào)制的成形方法，可將信號(hào)頻譜在頻率軸上靈活地搬移；Hermite正交脈沖成形方法，可結(jié)合多進(jìn)制脈沖調(diào)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(wú)載波成形技術(shù)，不需要載波調(diào)制進(jìn)行頻譜搬移，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　?。?） 調(diào)制與多址技術(shù)

　　由于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率的限制，常用的調(diào)制方式為二進(jìn)制脈位調(diào)制、二進(jìn)制正交脈位調(diào)制及開(kāi)關(guān)鍵控和二進(jìn)制相移鍵控的脈幅調(diào)制。UWB多址技術(shù)包括跳時(shí)多址、跳頻多址、直序擴(kuò)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(shí)極大地提高用戶容量。調(diào)制方式與多址方式的合理組合，還需根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)的復(fù)雜度與系統(tǒng)的性能(包括傳輸速率、傳輸可靠性等)進(jìn)行折中考慮。

　　（3）接收機(jī)

　　由于UWB信道嚴(yán)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(shí)域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)多徑成簇達(dá)到的現(xiàn)象）和低輻射功率限制以及信號(hào)持續(xù)時(shí)間非常短，捕獲和跟蹤UWB信號(hào)很困難，信道的密集多徑特征進(jìn)一步增加了接收機(jī)定時(shí)同步的復(fù)雜性。這些對(duì)接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)策略上應(yīng)綜合考慮接收機(jī)功耗、復(fù)雜度與接收機(jī)性能等因素。

3 UWB 技術(shù)的應(yīng)用前景

　　UWB 具有近距離內(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點(diǎn)，因此，在短距離范圍內(nèi)提供高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將是UWB 的重要應(yīng)用領(lǐng)域。民用UWB主要包括以下幾個(gè)方面：穿墻成像、大地探測(cè)、生命探測(cè)、高速公路調(diào)度、車載雷達(dá)、UWB測(cè)量、無(wú)線通信、半導(dǎo)體布線等系統(tǒng)，地質(zhì)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(shè)計(jì)及消費(fèi)電子產(chǎn)品中的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。

　　UWB技術(shù)有著突出的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有許多亟待解決的問(wèn)題。開(kāi)展具有針對(duì)性的UWB技術(shù)研究，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，可以促進(jìn)我國(guó)的UWB技術(shù)全面發(fā)展，對(duì)我國(guó)在該研究領(lǐng)域擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和相關(guān)產(chǎn)品，營(yíng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)具有重大意義。