淺析超寬帶無線電技術(shù)

廣義超寬帶技術(shù) (Ultra WideBand，UWB)是指以極窄脈沖方式進行無線發(fā)射和接收的特種技術(shù)。其特殊之處在于完全擺脫了一般無線收發(fā)中必須采用載波調(diào)制的傳統(tǒng)手段，成為在時域中直接操作的無線技術(shù)，因此也稱作脈沖無線電( Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)無線電技術(shù)。

1 UWB通信技術(shù)的特點

UWB系統(tǒng)的工作頻帶極寬，一般從幾百MHz到幾個GHz，將來還要向更高帶寬發(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/噪比或信號功率譜密度下實現(xiàn)可靠傳輸。UWB可實現(xiàn)高速傳輸和極大的系統(tǒng)空間容量,是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的理想技術(shù)之一。目前實驗超寬帶短距系統(tǒng)的傳輸速率已經(jīng)達到1Gbit/s，其空間通信容量（即每平方米面積可達到的通信容量）是無線局域網(wǎng)、藍牙等系統(tǒng)的10～1000倍。

（1）發(fā)射功率低、功耗小

UWB系統(tǒng)在高速通信時耗電量僅為幾百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。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單、成本低

UWB通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB系統(tǒng)不需要功用放大器與混頻器，同時在接收端不需要過濾器、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、模擬以及信號處理部件都相對較簡單，容易實現(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FCC嚴格限制，UWB對其它無線通信設(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。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，信號極難被非授權(quán)方所截獲或檢測，具有極強的安全性。

（4）抗衰落及多徑分辨能力強

超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖，此脈沖多徑信號在時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)射信號的能量。此外，UWB信道由于其均方根時延擴展遠小于窄帶信道，信號分辨率極高。

（5）定位精確

UWB技術(shù)可應(yīng)用于穿透建筑物成像、檢測、監(jiān)視、測量等方面，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行數(shù)據(jù)傳輸，其信號帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強。但由于信號的時間彌散嚴重，接收機的復(fù)雜度較高。此外，為解決共存性問題，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DS-CDMA 擴頻之后的信號再對載波進行調(diào)制，從而可以在合適的頻帶范圍內(nèi)傳輸。傳統(tǒng)的無載波UWB方案存在較多低頻分量，無法滿足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的整個頻段劃分成若干個子帶，使用部分或全部子帶進行數(shù)據(jù)傳輸。信號成形和數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成，通過射頻載波搬移到不同子帶，避開傳統(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線電和多帶正交頻分復(fù)用兩種方式。其多址問題采用跳頻技術(shù)來解決，相對于符號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頻帶分為最少三個頻段，并采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個頻段進一步分為大量的窄通道。

目前一些無線技術(shù)和UWB被批準的頻帶重疊，使用動態(tài)頻率控制技術(shù)可避開干擾頻段。這有利于采用同一標準適應(yīng)多個國家在頻段規(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)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢?對無線電頻率管理來說，有兩個基本的原則：一是新的無線電技術(shù)不得對已有的無線電臺(系統(tǒng))造成有害干擾；二是受到干擾不得提出保護要求，即要能忍受已有無線電臺的各種干擾。DS-CDMA因為使用整個3.1 GHz～10.6 GHz頻段，包括傳統(tǒng)無線技術(shù)使用其中的一些頻率，而MBOA使用多個頻率子帶，可以很方便地避開這些頻率。

2.3 有待解決的問題

UWB是一種新興無線通信技術(shù)，有許多問題亟待研究，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、天線及傳播特性與信道模型等物理層技術(shù)。

（1） 脈沖成形技術(shù)

UWB目前有許多行之有效的信號成形方法，如基于載波調(diào)制的成形方法，可將信號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載波成形技術(shù)，不需要載波調(diào)制進行頻譜搬移，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

（2） 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)制方式為二進制脈位調(diào)制、二進制正交脈位調(diào)制及開關(guān)鍵控和二進制相移鍵控的脈幅調(diào)制。UWB多址技術(shù)包括跳時多址、跳頻多址、直序擴頻碼分多址、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)進行折中考慮。

（3）接收機

由于UWB信道嚴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，在時域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)多徑成簇達到的現(xiàn)象）和低輻射功率限制以及信號持續(xù)時間非常短，捕獲和跟蹤UWB信號很困難，信道的密集多徑特征進一步增加了接收機定時同步的復(fù)雜性。這些對接收機的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。在設(shè)計策略上應(yīng)綜合考慮接收機功耗、復(fù)雜度與接收機性能等因素。

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，因此，在短距離范圍內(nèi)提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸將是UWB 的重要應(yīng)用領(lǐng)域。民用UWB主要包括以下幾個方面：穿墻成像、大地探測、生命探測、高速公路調(diào)度、車載雷達、UWB測量、無線通信、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)計及消費電子產(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，同時有許多亟待解決的問題。開展具有針對性的UWB技術(shù)研究，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，可以促進我國的UWB技術(shù)全面發(fā)展，對我國在該研究領(lǐng)域擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和相關(guān)產(chǎn)品，營造新的經(jīng)濟增長點具有重大意義。

作者：淮南無線電管理處 李志農(nóng) 來源：中國無線電管理