超寬帶無線通信

無線通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最迅速、最具活力的技術(shù)領(lǐng)域之一，在這個(gè)領(lǐng)域中，各種新技術(shù)、新方法層出不窮。其中，超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)是在20世紀(jì)90年代以后發(fā)展起來的一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦蜔o線通信技術(shù)，被列為未來通信的十大技術(shù)之一。

1990年3月，在美國新墨西哥州的Los Alamo國家實(shí)驗(yàn)室召開的超寬帶雷達(dá)會(huì)議上提出了"超寬帶(UWB)雷達(dá)"的概念。超寬帶雷達(dá)是一種新體制的雷達(dá)，它定義為:分?jǐn)?shù)帶寬(FBW，F(xiàn)ractional Band-Width)大于25%的雷達(dá)為超寬帶雷達(dá)。

單頻帶系統(tǒng)僅使用單一的成形脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其信號(hào)帶寬很大，多徑分辨率很高，抗衰落能力強(qiáng)。但由于信號(hào)的時(shí)間彌散嚴(yán)重，接收機(jī)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(kuò)頻之后的信號(hào)再對(duì)載波進(jìn)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。

多頻帶系統(tǒng)是指將規(guī)劃UWB的整個(gè)頻段劃分成若干個(gè)子帶。使用部分或全部子帶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)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。多頻帶系統(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(duì)于符號(hào)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(gè)頻段。并采用正交頻分復(fù)用(OFDM)方式將三個(gè)頻段進(jìn)一步分為大量的窄通道。

從技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的。對(duì)無線電頻率管理來說，有兩個(gè)基本的原則:一是新的無線電技術(shù)不得對(duì)已有的無線電臺(tái)(系統(tǒng))造成有害干擾;二是受到干擾不得提出保護(hù)要求，即要能忍受已有無線電臺(tái)的各種干擾。DS-CDMA因?yàn)槭褂谜麄€(gè)3.1~10.6GHz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(gè)頻率子帶可以很方便地避開這些頻率。

同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，UWB接收機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，圖1給出了UWB發(fā)射和接收機(jī)的系統(tǒng)框圖。在UWB收發(fā)信機(jī)中，信息可被不同技術(shù)調(diào)制，在接收端，天線收集信號(hào)能量經(jīng)放大后通過相關(guān)接收后處理，再經(jīng)門限檢測后獲得原來信息。相對(duì)于超外差式接收機(jī)來說，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，沒有本振、功放、PLL(鎖相環(huán))、VCO(壓控振蕩器)、混頻器等，成本低，而且UWB接收機(jī)可全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，采用軟件無線電技術(shù)，可動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)率、功耗等。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)高速短距離無線通信的要求越來越高。超寬帶(UWB)技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)超帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸。其調(diào)制方式和多址技術(shù)的特點(diǎn)使得它具有其他無線通信技術(shù)所無法具有的很寬的帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸、功耗低、安全性能高等特點(diǎn)。本文介紹了UWB的主要技術(shù)特點(diǎn)，并把UWB與目前較為廣泛使用的IEEE 802.11、Bluetooth等短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行了比較，最后對(duì)UWB的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析與展望。

UWB是一種"特立獨(dú)行"的無線通信技術(shù)，它將會(huì)為無線局域網(wǎng)LAN和個(gè)人局域網(wǎng)PAN的接口卡和接入技術(shù)帶來低功耗、高帶寬并且相對(duì)簡單的無線通信技術(shù)。UWB具有以下特點(diǎn):

UWB信號(hào)，在發(fā)射時(shí)將微弱的無線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能量還原出來，在解擴(kuò)過程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，與IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和藍(lán)牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。

UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十兆比特每秒到幾百兆比特每秒，有望高于藍(lán)牙100倍，也可以高于IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。

UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達(dá)幾吉赫茲，并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。這在頻率資源日益緊張的今天。開辟了一種新的時(shí)域無線電資源。

因?yàn)椴恍枰a(chǎn)生正弦載波信號(hào)，可以直接發(fā)射沖激序列，因而UWB系統(tǒng)具有很寬的頻譜和很低的平均功率，有利于與其他系統(tǒng)共存，從而提高頻譜利用率，帶來了極大的系統(tǒng)容量。

在短距離的通信應(yīng)用中，超寬帶發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率通?？勺龅降陀?mW，從理論上而言，超寬帶信號(hào)所產(chǎn)生的干擾僅僅相當(dāng)于一寬帶的白噪聲。這樣有助于超寬帶與現(xiàn)有窄帶通信之間的良好共存，對(duì)于提高無線頻譜的利用率具有很大的意義，更好的緩解日益緊張的無線頻譜資源問題。并且超寬帶信號(hào)的隱蔽性較強(qiáng)，不容易被發(fā)現(xiàn)和攔截，具有較高的保密性 。

UWB保密性表現(xiàn)在兩方面:一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù);另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低。用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收。

信號(hào)傳輸受到距離的影響和高頻信號(hào)強(qiáng)度會(huì)衰減很快，因此超寬頻帶的使用更加適用于短距離之間的通信。

因?yàn)槠洳捎玫氖浅掷m(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，所以其時(shí)間上和空間上的分辨率都是極強(qiáng)的，方便進(jìn)行測距、定位、跟蹤等活動(dòng)的開展，并且窄脈沖具有良好的穿透性，所遇超寬帶在紅外通信中也得到廣泛的使用。

此技術(shù)使用基帶傳輸，無需射頻調(diào)制和解調(diào)，因此其設(shè)備功耗小，成本也較低，靈活的使用特性也使其更適合于便攜型無線通信的使用。