近年來，超寬帶(UWB)無線通信成為短距離、高速無線網(wǎng)絡(luò)最熱門的物理層技術(shù)之一。

1 UWB的產(chǎn)生與發(fā)展

超寬帶(UWB)有著悠久的發(fā)展歷史，但在1989年之前，超寬帶這一術(shù)語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結(jié)構(gòu)方面也沒有明確的規(guī)定。1989年，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術(shù)語，并規(guī)定：若信號在-20dB處的絕對帶寬大于1.5GHz或相對帶寬大于25%，則該信號為超寬帶信號。此后，超寬帶這個術(shù)語才被沿用下來。

其中，fH為信號在-20dB輻射點對應(yīng)的上限頻率、fL為信號在-20 dB輻射點對應(yīng)的下限頻率。圖1給出了帶寬計算示意圖?？梢?，UWB是指具有很高帶寬比(射頻帶寬與其中心頻率之比)的無線電技術(shù)。

為探索UWB應(yīng)用于民用領(lǐng)域的可行性，自1998年起，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)開始在產(chǎn)業(yè)界廣泛征求意見。美國NTIA等通信團(tuán)體對此大約提交了800多份意見書。

2002年2月，F(xiàn)CC批準(zhǔn)UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，并對UWB進(jìn)行了重新定義，規(guī)定UWB信號為相對帶寬大于20%或-10dB帶寬大于500MHz的無線電信號。根據(jù)UWB系統(tǒng)的具體應(yīng)用，分為成像系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)三大類。根據(jù)FCCPart15規(guī)定，UWB通信系統(tǒng)可使用頻段為3.1 GHz～10.6 GHz。為保護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)(如GPRS、移動蜂窩系統(tǒng)、WLAN等)不被UWB系統(tǒng)干擾，針對室內(nèi)、室外不同應(yīng)用，對UWB系統(tǒng)的輻射譜密度進(jìn)行了嚴(yán)格限制，規(guī)定UWB系統(tǒng)的最高輻射譜密度為-41.3 dBm/MHz.。圖2示出了FCC對室內(nèi)、室外UWB系統(tǒng)的輻射功率譜密度限制。當(dāng)前，人們所說的UWB是指FCC給出的新定義。

自2002年至今，新技術(shù)和系統(tǒng)方案不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)了基于載波的多帶脈沖無線電超寬帶(IR-UWB)系統(tǒng)、基于直擴碼分多址(DS-CDMA)的UWB系統(tǒng)、基于多帶正交頻分復(fù)用(OFDM)的UWB系統(tǒng)等。在產(chǎn)品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司紛紛推出UWB芯片組，超寬帶天線技術(shù)也日趨成熟。當(dāng)前，UWB技術(shù)已成為短距離、高速無線連接最具競爭力的物理層技術(shù)。IEEE已經(jīng)將UWB技術(shù)納入其IEEE802系列無線標(biāo)準(zhǔn)，正在加緊制訂基于UWB技術(shù)的高速無線個域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3a和低速無線個域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4a。以Intel領(lǐng)銜的無線USB促進(jìn)組織制訂的基于UWB的W-USB2.0標(biāo)準(zhǔn)即將出臺。無線1394聯(lián)盟也在抓緊制訂基于UWB技術(shù)的無線標(biāo)準(zhǔn)?？梢灶A(yù)見，在未來的幾年中，UWB將成為無線個域網(wǎng)、無線家庭網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等短距離無線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位的物理層技術(shù)之一。

2 UWB的技術(shù)特點

(1)傳輸速率高，空間容量大

根據(jù)仙農(nóng)(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，系統(tǒng)無差錯傳輸速率的上限為：

C=B×log2(1+SNR)　　　(1)

其中，B(單位：Hz)為信道帶寬，SNR為信噪比。在UWB系統(tǒng)中，信號帶寬B高達(dá)500MHz～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系統(tǒng)也可以在短距離上實現(xiàn)幾百兆至1Gb/s的傳輸速率。例如，如果使用7 GHz帶寬，即使信噪比低至-10 dB，其理論信道容量也可達(dá)到1 Gb/s。因此，將UWB技術(shù)應(yīng)用于短距離高速傳輸場合(如高速WPAN)是非常合適的，可以極大地提高空間容量。理論研究表明，基于UWB的WPAN可達(dá)的空間容量比目前WLAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11.a高出1～2個數(shù)量級。

(2)適合短距離通信

按照FCC規(guī)定，UWB系統(tǒng)的可輻射功率非常有限，3.1GHz～10.6GHz頻段總輻射功率僅0.55mW，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)。隨著傳輸距離的增加，信號功率將不斷衰減。因此，接收信噪比可以表示成傳輸距離的函數(shù)SNRr (d )。根據(jù)仙農(nóng)公式，信道容量可以表示成距離的函數(shù)

C(d)=B×log2[1+SNRr(d )]　 (2)

另外，超寬帶信號具有極其豐富的頻率成分。眾所周知，無線信道在不同頻段表現(xiàn)出不同的衰落特性。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號衰落極快，這導(dǎo)致UWB信號產(chǎn)生失真，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。研究表明，當(dāng)收發(fā)信機之間距離小于10m時，UWB系統(tǒng)的信道容量高于5GHz頻段的WLAN系統(tǒng)，收發(fā)信機之間距離超過12m時，UWB系統(tǒng)在信道容量上的優(yōu)勢將不復(fù)存在。因此，UWB系統(tǒng)特別適合于短距離通信。

(3)具有良好的共存性和保密性

由于UWB系統(tǒng)輻射譜密度極低(小于-41.3dBm/MHz)，對傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)來講，UWB信號譜密度甚至低至背景噪聲電平以下，UWB信號對窄帶系統(tǒng)的干擾可以視作寬帶白噪聲。因此，UWB系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)有著良好的共存性，這對提高日益緊張的無線頻譜資源的利用率是非常有利的。同時，極低的輻射譜密度使UWB信號具有很強的隱蔽性，很難被截獲，這對提高通信保密性非常有利。

(4)多徑分辨能力強，定位精度高

由于UWB信號采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨能力都很強。因此，UWB信號的多徑分辨率極高。極高的多徑分辨能力賦予UWB信號高精度的測距、定位能力。對于通信系統(tǒng)，必須辯證地分析UWB信號的多徑分辨力。無線信道的時間選擇性和頻率選擇性是制約無線通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在窄帶系統(tǒng)中，不可分辨的多徑將導(dǎo)致衰落，而UWB信號可以將它們分開并利用分集接收技術(shù)進(jìn)行合并。因此，UWB系統(tǒng)具有很強的抗衰落能力。但UWB信號極高的多徑分辨力也導(dǎo)致信號能量產(chǎn)生嚴(yán)重的時間彌散(頻率選擇性衰落)，接收機必須通過犧牲復(fù)雜度(增加分集重數(shù))以捕獲足夠的信號能量。這將對接收機設(shè)計提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在實際的UWB系統(tǒng)設(shè)計中，必須折衷考慮信號帶寬和接收機復(fù)雜度，得到理想的性價比。

(5)體積小、功耗低

傳統(tǒng)的UWB技術(shù)無需正弦載波，數(shù)據(jù)被調(diào)制在納秒級或亞納秒級基帶窄脈沖上傳輸，接收機利用相關(guān)器直接完成信號檢測。收發(fā)信機不需要復(fù)雜的載頻調(diào)制/解調(diào)電路和濾波器。因此，可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小收發(fā)信機體積和功耗。FCC對UWB的新定義在一定程度上增加了無載波脈沖成形的實現(xiàn)難度，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和新型脈沖產(chǎn)生技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，UWB系統(tǒng)仍然繼承了傳統(tǒng)UWB體積小、功耗低的特點。

3 UWB脈沖成形技術(shù)

任何數(shù)字通信系統(tǒng)，都要利用與信道匹配良好的信號攜帶信息。對于線性調(diào)制系統(tǒng)，已調(diào)制信號可以統(tǒng)一表示為：

s(t)=∑Ing(t -T )　　　　　　　　　　　 (3)

其中，In為承載信息的離散數(shù)據(jù)符號序列；T為數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間；

g(t)為時域成形波形。通信系統(tǒng)的工作頻段、信號帶寬、輻射譜密度、帶外輻射、傳輸性能、實現(xiàn)復(fù)雜度等諸多因素都取決于g(t)的設(shè)計。

對于UWB通信系統(tǒng)，成形信號g(t)的帶寬必須大于500MHz，且信號能量應(yīng)集中于3.1 GHz～10.6 GHz頻段。早期的UWB系統(tǒng)采用納秒/亞納秒級無載波高斯單周脈沖，信號頻譜集中于2 GHz以下。FCC對UWB的重新定義和頻譜資源分配對信號成形提出了新的要求，信號成形方案必需進(jìn)行調(diào)整。近年來，出現(xiàn)了許多行之有效的方法，如基于載波調(diào)制的成形技術(shù)、Hermit正交脈沖成形、橢圓球面波(PSWF)正交脈沖成形等。

3.1高斯單周脈沖

高斯單周脈沖即高斯脈沖的各階導(dǎo)數(shù)，是最具代表性的無載波脈沖。各階脈沖波形均可由高斯一階導(dǎo)數(shù)通過逐次求導(dǎo)得到。

隨著脈沖信號階數(shù)的增加，過零點數(shù)逐漸增加，信號中心頻率向高頻移動，但信號的帶寬無明顯變化，相對帶寬逐漸下降。早期UWB系統(tǒng)采用1階、2階脈沖，信號頻率成分從直流延續(xù)到2GHz。按照FCC對UWB的新定義，必須采用4階以上的亞納秒脈沖方能滿足輻射譜要求。圖3為典型的2ns高斯單周脈沖。

3.2載波調(diào)制的成形技術(shù)

原理上講，只要信號-10dB帶寬大于500MHz即可滿足UWB要求。因此，傳統(tǒng)的用于有載波通信系統(tǒng)的信號成形方案均可移植到UWB系統(tǒng)中。此時，超寬帶信號設(shè)計轉(zhuǎn)化為低通脈沖設(shè)計，通過載波調(diào)制可以將信號頻譜在頻率軸上靈活地搬移。

有載波的成形脈沖可表示為：

w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp)　　　 (4)

其中，p(t)為持續(xù)時間為Tp的基帶脈沖；fc為載波頻率，即信號中心頻率。若基帶脈沖p(t)的頻譜為P(f )，則最終成形脈沖的頻譜為：

可見，成形脈沖的頻譜取決于基帶脈沖p(t)，只要使p(t)的-10dB帶寬大于250 MHz，即可滿足UWB設(shè)計要求。通過調(diào)整載波頻率fc可以使信號頻譜在3.1 GHz～10.6 GHz范圍內(nèi)靈活移動。若結(jié)合跳頻(FH)技術(shù)，則可以方便地構(gòu)成跳頻多址(FHMA)系統(tǒng)。在許多IEEE 802.15.3a標(biāo)準(zhǔn)提案中采用了這種脈沖成形技術(shù)。圖4為典型的有載波修正余弦脈沖，中心頻率為3.35 GHz，-10 dB帶寬為525 MHz。

3.3Hermite正交脈沖

Hermite脈沖是一類最早被提出用于高速UWB通信系統(tǒng)的正交脈沖成形方法。結(jié)合多進(jìn)制脈沖調(diào)制可以有效地提高系統(tǒng)傳輸速率。這類脈沖波形是由Hermite多項式導(dǎo)出的。這種脈沖成形方法的特點在于：能量集中于低頻，各階波形頻譜相差大，需借助載波搬移頻譜方可滿足FCC要求。

3.4PSWF正交脈沖

PSWF脈沖是一類近似的“時限-帶限”信號，在帶限信號分析中有非常理想的效果。

與Hermite脈沖相比，PSWF脈沖可以直接根據(jù)目標(biāo)頻段和帶寬要求進(jìn)行設(shè)計，不需要復(fù)雜的載波調(diào)制進(jìn)行頻譜般移。因此，PSWF脈沖屬于無載波成形技術(shù)，有利于簡化收發(fā)信機復(fù)雜度。

4 UWB調(diào)制與多址技術(shù)

調(diào)制方式是指信號以何種方式承載信息，它不但決定著通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，同時也影響信號的頻譜結(jié)構(gòu)、接收機復(fù)雜度。對于多址技術(shù)解決多個用戶共享信道的問題，合理的多址方案可以在減小用戶間干擾的同時極大地提高多用戶容量。在UWB系統(tǒng)中采用的調(diào)制方式可以分為兩大類：基于超寬帶脈沖的調(diào)制、基于OFDM的正交多載波調(diào)制。多址技術(shù)包括：跳時多址、跳頻多址、直擴碼分多址、波分多址等。系統(tǒng)設(shè)計中，可以對調(diào)制方式與多址方式進(jìn)行合理的組合。

4.1UWB調(diào)制技術(shù)

(1)脈位調(diào)制

脈位調(diào)制(PPM)是一種利用脈沖位置承載數(shù)據(jù)信息的調(diào)制方式。按照采用的離散數(shù)據(jù)符號狀態(tài)數(shù)可以分為二進(jìn)制PPM(2PPM)和多進(jìn)制PPM(MPPM)。在這種調(diào)制方式中，一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)脈沖可能出現(xiàn)的位置有2個或M個，脈沖位置與符號狀態(tài)一一對應(yīng)。根據(jù)相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關(guān)系，又可分為部分重疊的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分重疊的PPM中，為保證系統(tǒng)傳輸可靠性，通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關(guān)函數(shù)的負(fù)峰值點，從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在OPPM中，通常以脈沖寬度為間隔確定脈位。接收機利用相關(guān)器在相應(yīng)位置進(jìn)行相干檢測。鑒于UWB系統(tǒng)的復(fù)雜度和功率限制，實際應(yīng)用中，常用的調(diào)制方式為2PPM或2OPPM。

PPM的優(yōu)點在于：它僅需根據(jù)數(shù)據(jù)符號控制脈沖位置，不需要進(jìn)行脈沖幅度和極性的控制，便于以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。因此，PPM是早期UWB系統(tǒng)廣泛采用的調(diào)制方式。但是，由于PPM信號為單極性，其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。如果不對這些譜線進(jìn)行抑制，將很難滿足FCC對輻射譜的要求。

(2)脈幅調(diào)制

脈幅調(diào)制(PAM)是數(shù)字通信系統(tǒng)最為常用的調(diào)制方式之一。在UWB系統(tǒng)中，考慮到實現(xiàn)復(fù)雜度和功率有效性，不宜采用多進(jìn)制PAM(MPAM)。UWB系統(tǒng)常用的PAM有兩種方式：開關(guān)鍵控(OOK)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)。前者可以采用非相干檢測降低接收機復(fù)雜度，而后者采用相干檢測可以更好地保證傳輸可靠性。

與2PPM相比，在輻射功率相同的前提下，BPSK可以獲得更高的傳輸可靠性，且輻射譜中沒有離散譜線。

(3)波形調(diào)制

波形調(diào)制(PWSK)是結(jié)合Hermite脈沖等多正交波形提出的調(diào)制方式。在這種調(diào)制方式中，采用M個相互正交的等能量脈沖波形攜帶數(shù)據(jù)信息，每個脈沖波形與一個M進(jìn)制數(shù)據(jù)符號對應(yīng)。在接收端，利用M個并行的相關(guān)器進(jìn)行信號接收，利用最大似然檢測完成數(shù)據(jù)恢復(fù)。由于各種脈沖能量相等，因此可以在不增加輻射功率的情況下提高傳輸效率。在脈沖寬度相同的情況下，可以達(dá)到比MPPM更高的符號傳輸速率。在符號速率相同的情況下，其功率效率和可靠性高于MPAM。由于這種調(diào)制方式需要較多的成形濾波器和相關(guān)器，其實現(xiàn)復(fù)雜度較高。因此，在實際系統(tǒng)中較少使用，目前僅限于理論研究。

(4)正交多載波調(diào)制

傳統(tǒng)意義上的UWB系統(tǒng)均采用窄脈沖攜帶信息。FCC對UWB的新定義拓廣了UWB的技術(shù)手段。原理上講，-10dB帶寬大于500MHz的任何信號形式均可稱作UWB。在OFDM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號被調(diào)制在并行的多個正交子載波上傳輸，數(shù)據(jù)調(diào)制/解調(diào)采用快速傅里葉變換/逆快速傅里葉變換(FFT/IFFT)實現(xiàn)。由于具有頻譜利用率高、抗多徑能力強、便于DSP實現(xiàn)等優(yōu)點，OFDM技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻廣播(DAB)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、WLAN等無線網(wǎng)絡(luò)中，且被作為B3G/4G蜂窩網(wǎng)的主流技術(shù)。

4.2UWB多址技術(shù)

(1)跳時多址

跳時多址(THMA)是最早應(yīng)用于UWB通信系統(tǒng)的多址技術(shù)，它可以方便地與PPM調(diào)制、BPSK調(diào)制相結(jié)合形成跳時-脈位調(diào)制(TH-PPM)、跳時-二進(jìn)制相移鍵控系統(tǒng)方案。這種多址技術(shù)利用了UWB信號占空比極小的特點，將脈沖重復(fù)周期(Tf，又稱幀周期)劃分成Nh個持續(xù)時間為Tc的互不重疊的碼片時隙，每個用戶利用一個獨特的隨機跳時序列在Nh個碼片時隙中隨機選擇一個作為脈沖發(fā)射位置。在每個碼片時隙內(nèi)可以采用PPM調(diào)制或BPSK調(diào)制。接收端利用與目標(biāo)用戶相同的跳時序列跟蹤接收。

由于用戶跳時碼之間具有良好的正交性，多用戶脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。將跳時技術(shù)與PPM結(jié)合可以有效地抑制PPM信號中的離散譜線，達(dá)到平滑信號頻譜的作用。由于每個幀周期內(nèi)可分的碼片時隙數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)很大時必然產(chǎn)生多用戶干擾。因此，如何選擇跳時序列是非常重要的問題。

(2)直擴-碼分多址

直擴-碼分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移動蜂窩系統(tǒng)中廣泛采用的多址方式，這種多址方式同樣可以應(yīng)用于UWB系統(tǒng)。在這種多址方式中，每個用戶使用一個專用的偽隨機序列對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行擴頻，用戶擴頻序列之間互相關(guān)很小，即使用戶信號間發(fā)生沖突，解擴后互干擾也會很小。但由于用戶擴頻序列之間存在互相關(guān)，遠(yuǎn)近效應(yīng)是限制其性能的重要因素。因此，在DS-CDMA系統(tǒng)中需要進(jìn)行功率控制。在UWB系統(tǒng)中，DS-CDMA通常與BPSK結(jié)合。

(3)跳頻多址

跳頻多址(FHMA)是結(jié)合多個頻分子信道使用的一種多址方式，每個用戶利用專用的隨機跳頻碼控制射頻頻率合成器，以一定的跳頻圖案周期性地在若干個子信道上傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)制在基帶完成。若用戶跳頻碼之間無沖突或沖突概率極小，則多用戶信號之間在頻域正交，可以很好地消除用戶間干擾。原理上講，子信道數(shù)量越多則容納的用戶數(shù)量越大，但這是以犧牲設(shè)備復(fù)雜度和功耗為代價的。在UWB系統(tǒng)中，將3.1GHz～10.6GHz頻段分成若干個帶寬大于500MHz的子信道，根據(jù)用戶數(shù)量和設(shè)備復(fù)雜度要求選擇一定數(shù)量的子信道和跳頻碼解決多址問題。FHMA通常與多帶脈沖調(diào)制或OFDM相結(jié)合，調(diào)制方式采用BPSK或正交移相鍵控(QPSK)。

(4)PWDMA

PWDMA是結(jié)合Hermite等正交多脈沖提出的一種波分多址方式。每個用戶分別使用一種或幾種特定的成形脈沖，調(diào)制方式可以是BPSK、PPM或PWSK。由于用戶使用的脈沖波形之間相互正交，在同步傳輸?shù)那闆r下，即使多用戶信號間相互沖突也不會產(chǎn)生互干擾。通常正交波形之間的異步互相關(guān)不為零，因此在異步通信的情況下用戶間將產(chǎn)生互干擾。目前，PWDMA僅限于理論研究，尚未進(jìn)入實用階段。