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(diǎn)話題,。介紹了UWB的基本技術(shù)及相關(guān)知識(shí),，包括其定義、技術(shù)實(shí)現(xiàn),、相關(guān)調(diào)制技術(shù)及優(yōu)缺點(diǎn),。并將UWB與其他幾種技術(shù)做簡(jiǎn)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(shì),。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(dá)到幾百M(fèi)bit/s以上。UWB不采用載波,，而是利用納秒至微微秒級(jí)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(gè)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(gè)是傳輸帶寬，另一個(gè)是采用不采用載波方式,。從傳輸帶寬看,，按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC的定義：信號(hào)帶寬大于1.5G或者信號(hào)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(hào)，每秒可以發(fā)送數(shù)10億個(gè)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(duì)于傳統(tǒng)的無線電波而言,，相當(dāng)于噪聲，對(duì)傳統(tǒng)的無線電波影響相當(dāng)小,。UWB的技術(shù)特點(diǎn)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(shì),。
一、UWB的實(shí)現(xiàn)
UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單,，UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵(lì)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(shí),，民用商品中，一般要求UWB信號(hào)的傳輸范圍為10m以內(nèi),，其傳輸速率可達(dá)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(shí)，系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百μW～幾十mW,。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動(dòng)電話功率的1/100左右,，是藍(lán)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(hào)一般把信號(hào)能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對(duì)一般通信系統(tǒng),，UWB信號(hào)相當(dāng)于白噪聲信號(hào),，并且在大多數(shù)情況下，UWB信號(hào)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(cè)出脈沖信號(hào),。UWB比其它無線技術(shù)要簡(jiǎn)單得多，只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖,，并對(duì)脈沖調(diào)制,，而這些電路都可以被集成到一個(gè)芯片上，可實(shí)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(qiáng)、定位精確等特點(diǎn),。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(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間,，這些脈沖所占用的頻帶范圍很寬，可達(dá)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(duì)帶寬,，MB為絕對(duì)帶寬，則在B為-10dB點(diǎn)處應(yīng)有[1]：
或MB＞500MHz在信號(hào)調(diào)制時(shí),，可以采用單個(gè)脈沖傳遞不同的信息,，即單脈沖調(diào)制；也可以用多個(gè)脈沖傳遞相同的信息,，即多脈沖調(diào)制[1],。在實(shí)際中，為了降低單個(gè)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(gè)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(jìn)行每組脈沖內(nèi)對(duì)單個(gè)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(shí)擴(kuò)譜（SpreadSpectrum）（THSS）,，每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有相同的幅度和極性,，但具有不同的時(shí)間位置。BPM稱為直接序列（DirectSequence）擴(kuò)譜（SpreadSpectrum）（DSSS）,，其每組脈沖內(nèi)部的每一個(gè)脈沖具有固定的時(shí)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?，PAM同時(shí)改變每組脈沖的幅度，PPM同時(shí)調(diào)節(jié)每組脈沖的時(shí)間位置,，BPM同時(shí)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(cè)情況下,，TH/DS.BPM的性能要優(yōu)于TH SS PPM。而對(duì)TH BPM和DS-BPM而言,，在速率低時(shí),，由于THSS對(duì)遠(yuǎn)近效應(yīng)的敏感程度沒有DSSS那么高，所以,，此時(shí)應(yīng)選擇TH.BPM,；而在速率高時(shí)則優(yōu)先考慮DS.BPM。在采用最小均方誤差準(zhǔn)～I(xiàn)J（MMSE）檢測(cè)方式的多用戶接收機(jī)應(yīng)用情況時(shí),，兩者差別不大,；但在速率比較高時(shí)，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(shí)傳輸多路多脈沖調(diào)制的信號(hào)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(shì)及不足
1.技術(shù)優(yōu)勢(shì)
（1）傳輸速率高理論上，一個(gè)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(hào)功率譜密度控制得很低，仍可實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(jí)。如果一個(gè)脈沖代表一個(gè)數(shù)位,，那么,，理論上UWB可達(dá)1Gbit/s的速率，這樣在實(shí)際中實(shí)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?yàn)椴皇褂幂d波，UWB僅在發(fā)射窄脈沖時(shí)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(shí)提高帶寬,。并且不增加功耗。這就打破了過去任何一項(xiàng)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(jī)的發(fā)射功率通常低于1mw（這也是FCC為了避免對(duì)其它設(shè)備造成干擾而對(duì)UWB做出的技術(shù)指標(biāo)要求）。雖然現(xiàn)在實(shí)際上使用芯片實(shí)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(jìn)步,，這項(xiàng)指標(biāo)隨之會(huì)降下來。
（3）UWB通信的保密性強(qiáng)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(cè)的概率也很低,，這一點(diǎn)在軍事通信上有很大的應(yīng)用前景,。
（4）UWB通信采用調(diào)時(shí)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(diǎn)信號(hào)幅度隨機(jī)變化,，而UWB系統(tǒng)每次的脈沖發(fā)射時(shí)間很短,，在反射波到達(dá)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(diǎn)適合于高速移動(dòng)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(shí)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(jiǎn)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(huì)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(zhēng)論之中；另外,，還有學(xué)者認(rèn)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(shí)間很短,，瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)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(zhēng)論并不影響UWB的開發(fā)和應(yīng)用。2002年2月美國(guó)通信協(xié)會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請(qǐng)[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(jiǎn)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(shì),。
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(chǎng)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(gè)合適的方案,。按照傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方法,，如果要提高通信速率，必須要提高數(shù)字信號(hào)處理器的處理速度,，這勢(shì)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(dá)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(chǎng)調(diào)查表明，如果無線產(chǎn)品的價(jià)格比同類有線產(chǎn)品的價(jià)格高出30%,，將很難被眾多的消費(fèi)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(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn),。傳統(tǒng)的無線電設(shè)計(jì)方案無法在速率、成本和功耗這三者之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn),。UWB適用于兩類家庭消費(fèi)電子的應(yīng)用,。一類是房間內(nèi)應(yīng)用，例如機(jī)頂盒和DVD播放機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的傳輸[5],。另一類是桌面的應(yīng)用，如PDA,、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)與PC機(jī)的同步,，PC機(jī)實(shí)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(duì)傳輸速率的要求非常高,，有時(shí)需要高至480Mbit/s的傳輸速率。
UWB有望滿足家庭消費(fèi)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(biāo)清信號(hào)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(shí)現(xiàn)從機(jī)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(fèi)者無須為每臺(tái)電視機(jī)都添置新的機(jī)頂盒,，即可使家里多臺(tái)電視機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)數(shù)字家庭的打印機(jī)共享,、無線鼠標(biāo),、鍵盤連接，掃描儀的數(shù)據(jù)傳輸,，移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接入的接口,。通過UWB無繩USB連接,，組成了以計(jì)算機(jī)為中心，USB標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)作為從設(shè)備的互聯(lián)互通小網(wǎng)絡(luò),。這個(gè)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(jī)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(jī)，用戶就能及時(shí)打印出選出的照片,。這樣,，隨時(shí)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(diǎn)。
圖2無線USB應(yīng)用場(chǎng)景
六,、結(jié)束語
UWB還可用于智能無線局域網(wǎng),、室外對(duì)等網(wǎng)，以及在對(duì)工廠,、倉(cāng)庫(kù),、超市中貴重物品的位置信息低速傳輸傳感、定位,、識(shí)別[1]等方面,。雖然基于UWB技術(shù)的802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，但鑒于其在短距離無線通信領(lǐng)域中所具有的優(yōu)勢(shì),，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。
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