管文明 万晓榆 罗忠生
万晓榆,副教授，硕士生导师，重庆市通信行业互联互通专家组成员，中国通信学会高级会士，重庆邮电学院信科股份有限公司副总经理。
１９８４年毕业于重庆邮电学院电信工程系通信工程专业，后留校任教至今，１９７５年７月电子科技大学硕士研究生毕业，主要从事下一代网络（ＮＧＮ），移动通信等领域的教学与科研工作。已出版学术著作有：《下一代网络技术及应用》、《ＣＤＭＡ移动通信网络化》、《小灵通原理与应用》；发表论文数十篇。
管文明，现为重庆邮电学院通信与信息系统专业在读研究生，主要研究方向为下一代网络（ＮＧＮ）技术与应用，参编和主编了学术著作３本，已发表论文数篇.
摘要:短距离无线系统是今后较长时间内通信界研究的热点，其中个人局域网（PAN）概念的提出，更推动了个人化信息网络的发展。实现PAN的主要技术有：IEEE802.11b、Home RF、蓝牙（Bluetooth）以及超宽带（UWB）等4种，其中高性能、低功耗和低成本的UWB技术优点极为突出。本文着重介绍了超宽带（UWB）的系统结构、信号调制方式、传输速率、安全性。并与其它PAN无线通信系统进行了比较，对其当前应用和未来发展方面作了相关论述。
一、引言
UWB技术是一种与传统技术有很大不同的无线通信技术，它能够实现无线局域网LAN和个人区域网PAN中无线接口的互联和接入，其特点是低功耗、高带宽、低复杂度。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。下面对这一技术的原理、实现方法以及未来的发展趋势作详细的介绍和分析。
二、UWB技术概述
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，按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25％为超宽带；信号带宽与中心频率之比在1％～25％之间为宽带，小于1％为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是超宽带的无载波传输方式。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，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。相反的，超宽带以基带传输。实现方式是发送脉冲无线电（IR）信号传送声音和图像数据，每秒可发送多至10亿个代表0和1的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄（0.1至1.5纳秒），频域极宽（数Hz到数GHz，可超过10GHz），其中的低频部分可以实现穿墙通信。UWB脉冲信号的发射功率都十分低，仅仅相当于一些背景噪音，不会对其他窄带信号产生任何干扰。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。此外，传统的无线通信在通信时需要连续发出载波（电波），要消耗不少电能。而UWB是发出脉冲电波——直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送出脉冲电波，因而大大减少了耗电量（仅为传统无线技术的1/100）。
一般而言，超宽带宽（UWB）系统能达到如下优秀性能特点：信号的功率谱密度极低，发射系统比现有的传统无线电技术功耗低得多；数据传输速率极高；非常可贵的对其他无线系统的低干扰特性；很强的抗多径干扰能力；比构造扩频系统简单，成本低。正是由于上述特点，UWB技术可以广泛地应用于个人通信、高速局域网、无绳电话、保安探测、近距离高精度定位等领域。
三、超宽带技术原理
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。
图2 典型高斯单周期脉冲的时域和频域
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。
图3 单周期脉冲序列的时、频域特性
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4 PPM调制的示意图
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。
图5伪随机时间调制编码后的脉冲序列
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。
图6 相关解调输出（时间单位ps）
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。
四、UWB与其他几种PAN技术的比较
无线个人区域网络（WPAN，Wireless Personal Area Network）的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆以低价格和低功耗在10米范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等。目前实现PAN的主要技术有：IEEE802.11b(Wi-Fi)、Home RF、IrDA、蓝牙（Bluetooth）以及超宽带（UWB）等5种。
从表1可以看到UWB技术的优势较为明显，主要的不足是发射功率过小限制了其传输的距离。也就是说，对于10米以内的距离，UWB可以发挥出高达数百Mbit/s的传输性能，对于远距离应用IEEE802.11b或HomeRF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802.11b以及HomeRF不会进行直接竞争，因为UWB更多的是应用于10米左右距离的室内。在家庭无线网络，UWB良好的多媒体应用恰好弥补了它们的不足，三者更是可以相得益彰，共同发展。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，尽管蓝牙技术有廉价和能耗低的优点，但其速度却远不及UWB技术，只能达到500kbit/s～1Mbit／s，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。
五、发展现状与前景
UWB并不是一件新生事物，它已经有几十年的历史了。但是过去它仅仅应用在军事雷达和定位设备中。2002年2月14日，美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）才正式将3.1G～10.6GHz频带向作为室内通信用途的UWB开放。FCC准许UWB技术进入民用领域的条件就是“在发送功率低于美国放射噪音规定值－41.3dBm/MHz(换算为功率则为1mW/MHz)的条件下，可将3.1GHz～10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。
目前，英特尔公司正在进行研究和开发，以便将UWB集成到个人电脑芯片组中。这是因为与使用载波的无线技术不同，由于脉冲发生的电路结构简单，因此相对来说比较容易在芯片组中集成。因为UWB是在笔记本电脑与外围设备（电脑、PDA、数字电视以及数字相机等）之间实现无线接口连接的物理层技术。所以英特尔将UWB定位于"无线USB2.0"。将其作为10m以内的近距离高速无线传输接口使用。目前已达到100Mbit/s，实现了最初的目标，而下一个目标则是500Mbit/s。如果能达到这一目标，离实现无线版USB 2.0、下一代蓝牙就更近了一步。预计到2003年底，使用试验机实现500Mbit/s，那个时候调制方式将会改变。直接扩展频谱技术、窄带调制技术与UWB结合的方式将更具优势。
----《中国通信》
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