浅析超宽带无线电技术

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1 UWB通信技术的特点
　　UWB系统的工作频带极宽，一般从几百MHz到几个GHz，将来还要向更高带宽发展。这意味着在一定信/噪比要求下，UWB系统可实现很高速率的可靠传输；或者在一定传输速率下，可以在很低的信/噪比或信号功率谱密度下实现可靠传输。UWB可实现高速传输和极大的系统空间容量,是实现个人通信和无线局域网的理想技术之一。目前实验超宽带短距系统的传输速率已经达到1Gbit/s，其空间通信容量（即每平方米面积可达到的通信容量）是无线局域网、蓝牙等系统的10～1000倍。
　　（1）发射功率低、功耗小
　　UWB系统在高速通信时耗电量仅为几百μW～几十mW。所需功率一般为几十到几百微瓦，其功率谱密度甚至低于环境噪声以下。
　　（2）系统结构比较简单、成本低
　　UWB通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB系统不需要功用放大器与混频器，同时在接收端不需要过滤器、RF/IF转换器及本地振荡器等复杂元件。超宽带系统不论是基带脉冲的还是带通调制载波的，其射频、模拟以及信号处理部件都相对较简单，容易实现全数字化的结构。
　　（3）电磁兼容性及安全性
　　由于单位频宽内的功率密度相当低且发射功率由美国FCC严格限制，UWB对其它无线通信设备的影响微乎其微。相反，令人担心的是其它设备对UWB设备以及多部UWB设备相互间的干扰。UWB系统一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，并且可以工作在极低的信/扰比门限，因而其平均发射功率很低。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，信号极难被非授权方所截获或检测，具有极强的安全性。
　　（4）抗衰落及多径分辨能力强
　　超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲，此脉冲多径信号在时间上不重叠且占空比极低，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。此外，UWB信道由于其均方根时延扩展远小于窄带信道，信号分辨率极高。
　　（5）定位精确
　　UWB技术可应用于穿透建筑物成像、检测、监视、测量等方面，尤其是室内和地下精确定位。
2 UWB系统方案及一些技术问题
　　UWB系统方案应根据具体应用需求、规则约束和信道特征进行优化选择，综合考虑频带规划、调制与多址方案、系统复杂度、成本与功耗及共存性等问题。目前已有的UWB系统方案分为单频带和多频带两种体制。
　　2.1 单频带系统
　　单频带系统仅使用单一的成形脉冲进行数据传输，其信号带宽很大，多径分辨率很高，抗衰落能力强。但由于信号的时间弥散严重，接收机的复杂度较高。此外，为解决共存性问题，避免与带内窄带系统的干扰，该系统采用的滤波器也是比较复杂的。其典型代表是单载波DS-CDMA。在单载波DS-CDMA 方案中，经过DS-CDMA 扩频之后的信号再对载波进行调制，从而可以在合适的频带范围内传输。传统的无载波UWB方案存在较多低频分量，无法满足FCC规定的发射功率的限制。而单载波DS-CDMA 方案通过频谱搬移解决了这一难题。
　　2.2 多频带系统
　　多带系统是指将规划UWB的整个频段划分成若干个子带，使用部分或全部子带进行数据传输。信号成形和数据调制在基带完成，通过射频载波搬移到不同子带，避开传统窄带系统使用频段。多带系统根据调制方式分为多带脉冲无线电和多带正交频分复用两种方式。其多址问题采用跳频技术来解决，相对于符号速率又可分为快跳和慢跳。MBOA(MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance)多频带联盟提议将UWB频带分为最少三个频段，并采用正交频分复用(OFDM)方式将三个频段进一步分为大量的窄通道。
　　目前一些无线技术和UWB被批准的频带重叠，使用动态频率控制技术可避开干扰频段。这有利于采用同一标准适应多个国家在频段规划上的差异。因此，MBOA技术在相同条件下具有更高的速率和距离，但电路复杂度和成本较高。
　　从技术上来讲，MBOA和DS-CDMA是无法彼此妥协的，我们究竟如何去判断孰优孰劣呢?对无线电频率管理来说，有两个基本的原则：一是新的无线电技术不得对已有的无线电台(系统)造成有害干扰；二是受到干扰不得提出保护要求，即要能忍受已有无线电台的各种干扰。DS-CDMA因为使用整个3.1 GHz～10.6 GHz频段，包括传统无线技术使用其中的一些频率，而MBOA使用多个频率子带，可以很方便地避开这些频率。
　　2.3 有待解决的问题
　　UWB是一种新兴无线通信技术，有许多问题亟待研究，如可控窄脉冲产生技术、调制与多址技术、收发机、天线及传播特性与信道模型等物理层技术。
　　（1） 脉冲成形技术
　　UWB目前有许多行之有效的信号成形方法，如基于载波调制的成形方法，可将信号频谱在频率轴上灵活地搬移；Hermite正交脉冲成形方法，可结合多进制脉冲调制有效地提高系统传输速率；椭圆球面波正交脉冲成形方法为无载波成形技术，不需要载波调制进行频谱搬移，简化了系统的复杂度。
　　（2） 调制与多址技术
　　由于UWB系统的复杂度和功率的限制，常用的调制方式为二进制脉位调制、二进制正交脉位调制及开关键控和二进制相移键控的脉幅调制。UWB多址技术包括跳时多址、跳频多址、直序扩频码分多址、波分多址。合理的多址方案可以在减少用户间干扰的同时极大地提高用户容量。调制方式与多址方式的合理组合，还需根据系统设计要求，在系统的复杂度与系统的性能(包括传输速率、传输可靠性等)进行折中考虑。
　　（3）接收机
　　由于UWB信道严重的频率选择性衰落特征（UWB信道是典型的频率选择性衰落信道，在时域表现为多径弥散且呈现多径成簇达到的现象）和低辐射功率限制以及信号持续时间非常短，捕获和跟踪UWB信号很困难，信道的密集多径特征进一步增加了接收机定时同步的复杂性。这些对接收机的设计提出了挑战。在设计策略上应综合考虑接收机功耗、复杂度与接收机性能等因素。
3 UWB 技术的应用前景
　　UWB 具有近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，因此，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。民用UWB主要包括以下几个方面：穿墙成像、大地探测、生命探测、高速公路调度、车载雷达、UWB测量、无线通信、半导体布线等系统，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(vehicle radar system)，家用电视、集成电路设计及消费电子产品中的高速数据传输等领域。
　　UWB技术有着突出的优势，同时有许多亟待解决的问题。开展具有针对性的UWB技术研究，充分发挥后发优势，可以促进我国的UWB技术全面发展，对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，营造新的经济增长点具有重大意义。