生活中的无线通信（公选课）结课论文2014 — 2015学年第一学期题目：超宽带（UWB）技术专业班级：海洋13-1班学号：0116姓名：张然指导老师：梁娜日期：2014-12-12摘要本文主要对UWB通信技术进行简要的阐释。

首先对UWB的技术背景、基本概念和特点进行介绍。

技术应用范围脉冲无线电技术技术解决方案无载波脉冲方案单载波DS-CDMA方案关键词：USB；脉冲；调制；家庭目录1 前言 (4)1 UWB基本概念 (5)2 UWB的主要特点及其应用 (5)3 UWB的发展现状 (6)4 关键技术，研究热点 (7)4.1脉冲信号的产生 (7)4.2调制方式 (8) (8) (8)4.3收发机的设计 (9)4.4中国对UWB电磁兼容性研究 (9)5 家庭无线通信是UWB的发展方向之一 (10)参考文献 (11)1 前言目前一种新的无线通信技术引起了人们的广泛关注，这就是所谓"UWB(Ultra WideBand，超宽带无线技术)"技术。

正如其名称一样，UWB技术是一种使用1GHz 以上带宽的最先进的无线通信技术，被认为是未来五年电信热门技术之一。

但是UWB不是一个全新的技术，它实际上是整合了业界已经成熟的技术如无线USB、无线1394等连接技术，本文就是对UWB做一简单的介绍。

1 UWB基本概念超宽带（Ultra-wideband,UWB）技术起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使对高速无线通信提出了更高的要求，超宛带技术又被重新提出，并倍受关注。

UWB是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%。

与常见的通信方式使用连续的载波不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。

这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。

在高速通信的同时，UWB设备的发射功率却很小，仅仅是现有设备的几百分之一，对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，因此从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽。

所以，UWB是一种高速而又低功耗的数据通信方式，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。

目前，Intel、Motorola、Sony等知名大公司正在进行UWB无线设备的开发和推广。

2 UWB的主要特点及其应用鉴于UWB信号是持续时间非常短的脉冲串，占用带宽大，因此它有一些十分独特的优点和用途。

在通信领域，UWB可以提供高速率的无线通信。

在雷达方面，UWB雷达具有高分辨力（ns级）。

当前的隐身技术采用的是隐射涂料和隐身特殊结构，但都只能在一个不大的频带内有效，在超宽频带内，目标就会原形毕露。

UWB雷达还具有很强的穿透能力，UWB信号能穿透树叶、土地、混凝土、水体等介质，因此军事上UWB雷达可用来探测地雷，民用上可以查找地下金属管道、探测高速公路地基等。

在定位方面，UWB可以提供很高的定位精度。

UWB使用极微弱的同步脉冲可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，定位误差只有一两厘米。

也就是说，同一个UWB设备可以实现通信、雷达和定位三大功能。

UWB无线通信除了带宽大，通信速率高之外，还有更多的优点。

首先，UWB 通信的保密性强。

UWB系统的发射功率谱密度非常低，有用信息完全淹没在噪声中，被截获概率很小，被检测的概率也很低，这一点在军事通信上有很大的应用前景。

其次，UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落。

多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成。

因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用。

更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基带通信，UWB通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。

可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的UWB通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。

当然，UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统，因此UWB系统的频率许可问题一直在争论之中；另外，还有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短，它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。

但是学术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，2002年2月美国通信协会（FCC）批准了UWB用于短距离无线通信的申请。

UWB的用途有很少，主要分为军事和民用两个方面。

在军事上UWB可以用于低截获率（LPI/D）的内部无线通信系统、LPI/D地波通信、LPI/D高度计、战场手持和网络LPI/D电台、UWB雷达、防撞雷达、警戒雷达、无线标签、接近引信、高精度定位系统、无人驾驶飞行器和地面战车及其通信链路、探测地雷、检测地址目标等等。

在民用方面，UWB可用于20Mbps以上的高速无线局域网、高度计、民航防撞雷达、汽车防撞感应器、高精度定位、无线标签和工业射频监控等。

3 UWB的发展现状UWB技术虽然被看作一种新技术，但这项技术已经有几十年的历史了。

UWB 最初的定义是来自于60年代兴起的脉冲通信技术，又称为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。

与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输（baseband transmission）或无载波（carrierless）技术。

目前大多数商用的无线通信方式使用的通信载波是连续的电波，再通过某种调制方式将数据信号加载在其上。

而UWB信号以非常短、非常快的脉冲形式发送（多径发送），这些脉冲经过精确计时，每个只有几个到几十个皮（毫微）秒长。

所以这种技术能以较小的功耗进行数据传输。

由于UWB技术的工作频宽较宽，信号发送又分布在整个信号频宽内，信号速度和容量都较高，比较适合大量数据的传输，尤其是数字多媒体信号的传送。

同时，UWB可以与其他的无线技术较好地协同工作，不容易互相干扰，因为分散传输的UWB信号强度较弱，对其他无线信号看起来就好像噪音一样。

那么，对于这么弱的信号，UWB接收器又如何分辨呢？对UWB接收设备来说，真正的噪音是连续频率范围内的信号，而UWB发出的脉冲是“有形的噪音”，是时间的某种特定函数。

脉冲的发送时间根据一种复杂的编码而改变，只要能够精确“定时”，就可以比较容易地从“噪音”中分离出正常的信号。

UWB技术可以根据传输的距离和所传输数据量的大小调整信号频宽和发射功率，其功耗量级为微瓦级。

不过，UWB芯片组的功耗要高一些，其典型功耗大约是毫瓦量级。

由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。

由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mW的发射功率实现几公里的通信。

如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。

有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。

4 关键技术，研究热点4.1脉冲信号的产生从本质上讲，产生脉冲宽度为纳秒级（10-9s）的信号源是UWB技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。

目前产生脉冲源的两类方法为：（1）光电方法，基本原理是录用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。

由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒(10-12s)量级，是最有发展前景的一种方法。

(2)电子方法，基本原理是利用晶体管PN结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。

受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到1ns以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。

4.2调制方式对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。

适用于UWB的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制TH/DS-BPSK等。

PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。

PAM既可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。

通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。

BPM和OOK是PAM的两种简化形式。

BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。

OOK通过脉冲的有无来传递信息。

在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。

实际上，我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，这就是PPM的基本原理。

在PPM中，脉冲的极性和幅度都不改变。

就上述5种调制方式而言，综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素，目前广泛受关注的是后两种调制方式TH-PPM和TH/DS-BPSK。

两者的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS-BPSK的性能要优于TH-PPM。

而对TH/DS-BPSK而言，在速率较高时，应优先选择DS-BPSK方式；速率较低时，由于TH-BPSK受远近效应的影响较小，应选择TH-BPSK方式。

在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK的性能还是要优于TH-PPM系统。

而BPM则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。

对于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线系统，为了获得更好的通信质量或更高的通信容量，BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。

实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在UWB脉冲无线系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。

当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每组脉冲作为整体被调制。

在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM 调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。

多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制，也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。

在多脉冲调制中，利用不同SS序列之间的正交性，还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率，这样的技术通常被称为码分复用(CDMA)技术。