UWB技术简介

UWB技术凭借其超宽的信号带宽、较低的发射功耗以及高数据传输速率等特点，被认为是最有发展前景的无线电技术之一。近年来随着“泛在无线通信”概念的提出，无线局域网、无线个域网和无线体域网等短距离无线应用逐渐渗透到人们的生活当中。UWB技术正是定位于短距离无线通信这一广阔的应用领域，特别是最近物联网应用的兴起，UWB技术可以作为物联网的基础通信技术之一，实现不同设备之间的互联互通。同时UWB技术还可以应用于精确定位、雷达跟踪等领域，成为目前学术研究和业界关注的重点技术。

UWB无线通信的历史可以追溯到20世纪50年代，早期的超宽带系统利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达以及低截获率/低侦测率的通信系统。2002年4月，美国联邦通信委员会（FCC）发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。规定中将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统。FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1～10.6GHz，发射机的有效各向同性发射功率不得高于-41dBm/MHz，如图3-24所示。

图3-24　FCC规定的室内UWB发射功率和频谱限制(www.xing528.com)

FCC关于“超宽带”的定义是：信号的相对带宽（信号频谱的带宽与其中心频率之比，又称相对带宽）大于等于20%，或者绝对带宽大于等于500MHz。显然此定义没有界定信号的时域波形特征，因此，有多种方式产生超宽带信号。其中，传统而且典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲（又称为冲激脉冲，Impulse）的宽频谱特性来实现，直接发射经过调制的窄脉冲，无需正弦载波，通常将其称为冲激无线电（Impulse Radio，IR）。当IR的带宽达到超宽带定义的要求时，称为超宽带冲激无线电（UltraWideBand ImpulSe Radio，IR-UWB），其信号调制主要是对脉冲的幅度和脉冲在时间轴上的位置偏移进行调制。此外，因为IR-UWB发射非连续的脉冲串，因此很适合运用跳时（Time-Hopping）技术（事实上，也正是IR-UWB的发展推动了近几年来跳时技术的进步）。另一类的超宽带无线技术仍然基于正弦载波的概念发射连续波，其超宽带的实现可以采用扩展频谱技术或者提高数据传输速率进而提高射频带宽，典型的例子是IEEE 802.15.3a高速WPAN的多频带（Multi-Band，MB）超宽带物理层提案，它的基本特点是将FCC规定的3.1～10.6GHz带宽划分为多个满足超宽带定义的子带（大于500MHz），在每个子带上采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Divi-sion Multiplexing，OFDM）技术。

超宽带无线通信应用大体上可以分为两类，一类是短距离高速应用，数据传输速率可以高达数百Mbit/s，主要是构建短距离高速WPAN、家庭无限多媒体网络以及替代高速短程有线连接，如无线USB和DVD等，典型的通信距离是10m；另一类中长距离（几十米以上）低速率应用，通常数据传输速率为1Mbit/s量级，主要应用于无线传感器网络和低速率连接。超宽带无线通信的网络形式主要是自组织（Ad-Hoc）网络。就对应标准而言，高速率应用对于IEEE 802.15.3，低速率应用对应于IEEE 802.15.4。此外，值得一提的是，超宽带冲击无线电具有特别的军事应用特色，因为发射的是窄脉冲串，因而功率谱很低，具有很好的低截获率特性，这正是超宽带技术首先在军事领域得到关注的原因所在。在军事应用上，超宽带无线通信的距离可达十几千米。