超宽带无线通信技术简介

1.超宽带无线通信的工作原理

无线通信技术是当前发展最快、活力最大的技术领域之一。这个领域中的各种新技术、新方法层出不穷。其中，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）无线通信技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术，被列为未来通信的十大技术之一[189]。

随着无线通信技术的发展，人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。UWB技术的出现，实现了短距离内超宽带、高速的数据传输。其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的一些优点，比如很宽的带宽、很高的数据传输速度，加上功耗低、安全性能高等特点，使之成为无线通信领域的宠儿[90]。

UWB是指信号带宽大于500 MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。与常见的无线电通信方式使用连续的载波不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间[190]。这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此其最大数据传输速率可高达几百Mb/s。在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非超宽带接收机来说近似于噪声。从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，有望在无线通信领域得到广泛的应用。

TM-UWB（时间调制超宽带）最基本的单元是单脉冲小波，如图5-48所示，它是由高斯函数在时域中推导得出的，其中心频率和带宽依赖于单脉冲的宽度[191]。实际上，空间频谱是由发射天线的带宽和暂时响应特性决定的，时域编码、时域调制系统采用长序列单脉冲小波来进行通信，数据调制和信道分配是通过改变脉冲和脉冲之间的时间间隔进行的。另外，数据编码也可以通过脉冲的极性进行。

脉冲的发送如果以固定的间隔进行时，结果会导致频谱中包含一种不希望见到的由脉冲重复率分割的“梳状线”，而且梳状线的峰值功率将会限制总的传输功率。因此，为了平滑频谱，使频谱更接近噪声，而且能够提供信道选择，单脉冲利用伪噪声（PN）序列进行时域加扰，即在等于平均脉冲重复率的倒数时间间隔内，在3 ns精度内加载单脉冲，如图5-49所示，这是一个小波序列，或称为PN时域编码的“脉冲”串。

TM-UWB系统通过脉冲位置进行调制，或通过脉冲的极性来进行调制。脉冲位置调制是在相对标准PN编码位置提前或晚1/4周期的位置上放置脉冲。调制进一步平滑了信号的频谱，使得系统更不容易被检测到，增加了隐蔽性。

图5-48　时域内的单脉冲小波

图5-49　时域内PN时域编码单脉冲小波序列

2.超宽带无线通信的使用方式及技术特点

图5-50中显示了TM-UWB发射器的结构组成示意图。从图中可以发现TM-UWB发射器并不包含功率放大器，替代它的是一个脉冲生成器，它根据要求按一定的功率发射脉冲。可编程时延实现了PN时域编码和时域调制。另外，系统中的调制也可以用脉冲极性来实现。定时器的性能不仅能够影响到精确的时间调制和精确的PN编码，而且还会影响到精确的距离定位，是TM-UWB系统的关键技术。

如图5-51所示，TM-UWB接收器把接收到的射频信号经放大后直接送到前端交叉相关器处理，相关器将收到的电磁脉冲序列直接转变为基带数字或模拟输出信号，没有中间频率范围，因而极大地减小了复杂度。TM-UWB接收器的一个重要特点就是它的工作步骤相对简单，没有功放、混频器等，制作成本低，可以实现全数字化，采用软件无线电技术，还可实现动态调整数据速率、功耗等。

UWB技术相比其他通信技术还具有如下的技术特点：

图5-50　TM-UWB发射器组成示意图

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图5-51　TM-UWB接收器组成示意图

（1）隐蔽性。

无线电波在空间传播时的“公开性”是无线通信方式较之有线通信方式的“先天不足”。UWB无线通信发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲宽度通常在1 ns以下，射频带宽可达1 GHz以上，所需平均功率很小，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以被敌方检测。这是UWB较常规无线通信方式最为突出的特点[192]。

（2）简单性。

这里所说的简单性是指UWB无线通信的系统结构十分简单，常规无线通信技术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[193]。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 发射器直接用小型脉冲进行激励，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽频发射器。同时在接收端，UWB的接收器也有别于传统的接收器，不需要中频处理，因此UWB系统结构比较简单。

（3）高速性。

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。在军事中，UWB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输。

（4）增益性。

增益指信号的射频带宽与信息带宽之比。UWB无线通信可以做到比目前实际扩谱系统高得多的处理增益。例如，对信息带宽为8 kHz、信道带宽为1.25 MHz的码分多址直接序列扩谱系统，其处理增益为156（22 dB）；对于UWB系统，可以采用窄脉冲将8 kHz带宽的基带信号变换为2 GHz带宽的射频信号，处理增益为250 000。

（5）分辨能力强。

由于常规无线通信中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，于是大量多径分量的交叠造成严重的多径衰落，限制了通信质量和数据传输速率。而UWB无线通信发射的是持续时间极短、占空比极低的脉冲，在接收端，多径信号在时间上能做到有效分离。发射窄脉冲的UWB无线信号，在多径环境中的衰落不像连续波信号那样严重。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30 dB的环境，对UWB无线通信信号的衰落最多不到5 dB。此外，由于脉冲多径信号在时间上很容易分离，可以极为方便地采用Rake接收技术（一种路径分集技术），以充分利用发射信号的能量来提高信噪比，从而改善通信质量。

（6）传输速率快。

数字化、综合化、宽频化、智能化和个人化是无线通信技术发展的主要趋势。对于高质量的多媒体业务，高速率传输技术是必不可少的基础。从信号传播的角度考虑，UWB无线通信由于能有效减小多径传播的影响而使其可以高速率传输数据。目前的演示系统表明，在近距离上（3～4 m），其传输速率可达480 Mb/s。

（7）穿透能力强。

相关实验证明，UWB无线通信具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，有望弥补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的不足。同时，相关实验还表明，适用于窄带系统的丛林通信模型同样适用于UWB系统，UWB技术也能实现隔墙成像等[194]。

基于UWB技术的应用成果非常丰富，图5-52所示为UWB技术的应用实例。

图5-52　基于超宽带无线通信技术的地下采矿管理系统