UWB——一種實現PAN的前沿技術

2019-11-03 09:04:41

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管文明萬曉榆　羅忠生

　　萬曉榆,副教授，碩士生導師，重慶市通信行業互聯互通專家組成員，中國通信學會高級會士，重慶郵電學院信科股份有限公司副總經理。１９８４年畢業于重慶郵電學院電信工程系通信工程專業，后留校任教至今，１９７５年７月電子科技大學碩士研究生畢業，主要從事下一代網絡（ＮＧＮ），移動通信等領域的教學與科研工作。已出版學術著作有：《下一代網絡技術及應用》、《ＣＤＭＡ移動通信網絡化》、《小靈通原理與應用》；發表論文數十篇。

　　管文明，現為重慶郵電學院通信與信息系統專業在讀研究生，主要研究方向為下一代網絡（ＮＧＮ）技術與應用，參編和主編了學術著作３本，已發表論文數篇.

　　摘要:短距離無線系統是今后較長時間內通信界研究的熱點，其中個人局域網（PAN）概念的提出，更推動了個人化信息網絡的發展。實現PAN的主要技術有：IEEE802.11b、Home RF、藍牙（Bluetooth）以及超寬帶（UWB）等4種，其中高性能、低功耗和低成本的UWB技術優點極為突出。本文著重介紹了超寬帶（UWB）的系統結構、信號調制方式、傳輸速率、安全性。并與其它PAN無線通信系統進行了比較，對其當前應用和未來發展方面作了相關論述。

一、引言

　　UWB技術是一種與傳統技術有很大不同的無線通信技術，它能夠實現無線局域網LAN和個人區域網PAN中無線接口的互聯和接入，其特點是低功耗、高帶寬、低復雜度。超寬帶技術解決了困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、安全性高、系統復雜度低，能提供數厘米的定位精度等優點。UWB尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。下面對這一技術的原理、實現方法以及未來的發展趨勢作詳細的介紹和分析。

二、UWB技術概述

　　超寬帶和其它的"窄帶"或者是"寬帶"主要有兩方面的區別。一是超寬帶的帶寬，按照美國聯邦通信委員會（FCC）的定義信號帶寬大于1.5GHz，或信號帶寬與中心頻率之比大于25％為超寬帶；信號帶寬與中心頻率之比在1％～25％之間為寬帶，小于1％為窄帶，可見UWB的帶寬明顯大于目前所有通信技術的帶寬。二是超寬帶的無載波傳輸方式。傳統的"窄帶"和"寬帶"都是采用無線電頻率（RF）載波來傳送信號，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。相反的，超寬帶以基帶傳輸。實現方式是發送脈沖無線電（IR）信號傳送聲音和圖像數據，每秒可發送多至10億個代表0和1的脈沖信號。這些脈沖信號的時域極窄（0.1至1.5納秒），頻域極寬（數Hz到數GHz，可超過10GHz），其中的低頻部分可以實現穿墻通信。UWB脈沖信號的發射功率都十分低，僅僅相當于一些背景噪音，不會對其他窄帶信號產生任何干擾。由于UWB系統發射功率譜密度非常低，因而被截獲概率很小，被檢測概率也很低，與窄帶系統相比，有較好的電磁兼容和頻譜利用率。此外，傳統的無線通信在通信時需要連續發出載波（電波），要消耗不少電能。而UWB是發出脈沖電波——直接按照0或1發送出去。由于只在需要時發送出脈沖電波，因而大大減少了耗電量（僅為傳統無線技術的1/100）。

　　　一般而言，超寬帶寬（UWB）系統能達到如下優秀性能特點：信號的功率譜密度極低，發射系統比現有的傳統無線電技術功耗低得多；數據傳輸速率極高；非常可貴的對其他無線系統的低干擾特性；很強的抗多徑干擾能力；比構造擴頻系統簡單，成本低。正是由于上述特點，UWB技術可以廣泛地應用于個人通信、高速局域網、無繩電話、保安探測、近距離高精度定位等領域。

三、超寬帶技術原理

　　UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。

　　UWB技術采用脈沖位置調制PPM單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 一億分之一秒)，重復周期在25-1000ns。圖2顯示了實用的單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性，圖中脈沖的中心頻率在2GHz。

圖2 典型高斯單周期脈沖的時域和頻域

　　實際通信中使用一長串的脈沖，圖3顯示了周期性重復的單脈沖的時域和頻域特性。頻譜中出現了強烈的能量尖峰，這是由于時域中信號重復的周期性造成了頻譜的離散化。這些尖峰將會對傳統無線電設備和信號構成干擾，而且這種十分規則的脈沖序列也沒有攜帶什么有用信息。改變時域的周期性可以減低這種尖峰，即采用脈沖位置調制PPM。

圖3 單周期脈沖序列的時、頻域特性

　　比如可以用每個脈沖出現位置超前或落后于標準時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。圖4是一個二進制信息調制的示例。

圖4 PPM調制的示意圖

　　圖中調制前脈沖的平均周期和調制量δ的數值都極小。因此調制后在接收端需要用匹配濾波技術才能正確接收，即用交叉相關器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調制信息，哪怕信號電平低于周圍噪聲電平。由圖還可見調制后降低了頻譜的尖峰幅度，之所以仍不夠十分平滑是因為時間位置偏移量不夠大，也不夠雜亂。

　　為了進一步平滑信號頻譜，可以讓重復時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時也為了在共同的信道比如空中取得自己專用的信道，即實現通信系統的多址，可以對一個相對長的時間幀內的脈沖串按位置調制進行編碼，特別是采用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。圖4顯示了偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列的波形和頻譜。

　　圖中頻譜已經接近白噪聲頻譜，功率也小了許多，這就是偽隨機編碼產生的效果。適當地選擇碼組，保證組內各個碼字相互正交或接近正交，就可以實現碼分多址。

圖5偽隨機時間調制編碼后的脈沖序列

　　UWB系統采用相關接收技術，關鍵部件稱為相關器（correlator）。相關器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發生在脈沖持續時間內，間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內完成。相關器實質上是改進了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關器的輸出結果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。圖6顯示了不同位置七個脈沖經相關器后的波形走勢，750ns后的穩定波形是輸出結果。

圖6 相關解調輸出（時間單位ps）

　　值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設備造成干擾。但是所有帶內的無線電信號都是對UWB信號的干擾，UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調制以及相關解調技術來解決這一問題。

四、UWB與其他幾種PAN技術的比較

　　無線個人區域網絡（WPAN，Wireless Personal Area Network）的目標是用無線電或紅外線代替傳統的有線電纜以低價格和低功耗在10米范圍內實現個人信息終端的智能化互聯，組建個人化的信息網絡。其最普遍的應用是連接電腦、打印機、無繩電話、PDA以及信息家電等。目前實現PAN的主要技術有：IEEE802.11b(Wi-Fi)、Home RF、IrDA、藍牙（Bluetooth）以及超寬帶（UWB）等5種。

　　從表1可以看到UWB技術的優勢較為明顯，主要的不足是發射功率過小限制了其傳輸的距離。也就是說，對于10米以內的距離，UWB可以發揮出高達數百Mbit/s的傳輸性能，對于遠距離應用IEEE802.11b或HomeRF無線PAN的性能將強于UWB。UWB和同為熱門的IEEE802.11b以及HomeRF不會進行直接競爭，因為UWB更多的是應用于10米左右距離的室內。在家庭無線網絡，UWB良好的多媒體應用恰好彌補了它們的不足，三者更是可以相得益彰，共同發展。事實上，把UWB看作藍牙技術的替代者可能更為適合，盡管藍牙技術有廉價和能耗低的優點，但其速度卻遠不及UWB技術，只能達到500kbit/s～1Mbit／s，另外藍牙技術的協議也較為復雜。

五、發展現狀與前景

　　UWB并不是一件新生事物，它已經有幾十年的歷史了。但是過去它僅僅應用在軍事雷達和定位設備中。2002年2月14日，美國聯邦通信委員會（FCC：Federal Communications Commission）才正式將3.1G～10.6GHz頻帶向作為室內通信用途的UWB開放。FCC準許UWB技術進入民用領域的條件就是“在發送功率低于美國放射噪音規定值－41.3dBm/MHz(換算為功率則為1mW/MHz)的條件下，可將3.1GHz～10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物進行掃描的成像系統、汽車防撞雷達以及在家電終端和便攜式終端間進行測距和無線數據通信”。

　　目前，英特爾公司正在進行研究和開發，以便將UWB集成到個人電腦芯片組中。這是因為與使用載波的無線技術不同，由于脈沖發生的電路結構簡單，因此相對來說比較容易在芯片組中集成。因為UWB是在筆記本電腦與外圍設備（電腦、PDA、數字電視以及數字相機等）之間實現無線接口連接的物理層技術。所以英特爾將UWB定位于"無線USB2.0"。將其作為10m以內的近距離高速無線傳輸接口使用。目前已達到100Mbit/s，實現了最初的目標，而下一個目標則是500Mbit/s。如果能達到這一目標，離實現無線版USB 2.0、下一代藍牙就更近了一步。預計到2003年底，使用試驗機實現500Mbit/s，那個時候調制方式將會改變。直接擴展頻譜技術、窄帶調制技術與UWB結合的方式將更具優勢。

----《中國通信》