宽带技术论文范文

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篇1

美国联邦通信委员会FCC（FederalCommunicationsCommision）于2002年2月14日通过了一项曾经只应用于军事和政府部门，现今可民用化的超宽带UWB（UltraWideBand）无线通信技术。UWB完全迥异于其它无线技术，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低，系统复杂度低，功耗小，定位精度精确等优点。在无线通信、网络、雷达系统、图像处理和定位系统中都具有其它技术无法比拟的优点。它不用载波而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信，因此也可称作脉冲无线电(ImpulseRadio)，与二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，超宽带不采用余弦波进行载波调制而是发送间隔小于1ns的能量脉冲，因此它的带宽极宽，高达数GHz，且由于频谱的功率密度极小，它具有扩频通信的特点。目前，为保障全球定位系统GPS，导航系统和军事通信频段，FCC限定UWB频域在3.1至10.6GHz，且发射功率低于41dB。UWB向民用解禁后，我们更为关注的是它带来的商业和民用价值。

1UWB的特点

⑴带宽非常宽

UWB使用带宽高达几个GHz，频率范围从3.1GHz到10.6GHz。超宽带系统容量大，不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其它无线技术所使用的频段，这使得频率资源日益紧张的今天有了实质性的缓解。

⑵传输速率高

UWB自问世后一直被看作是蓝牙技术的替代品，它可以使电子通信设备之间通过无线互传信息，速率可以达到480Mbps，远高于IEEE：802.11a、IEEE：802.11b和蓝牙数据速率的无线连接。

⑶发送功率非常小

UWB消耗功率很小，一般不超过200微瓦，不及Wi-Fi的千分之五。超低的发射功率极大延长了系统电源工作时间。另外，发射功率小，其产生的电磁波辐射对人体的影响也微乎其微。

⑷抗干扰性能强及保密性好

UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，发射时，微弱的脉冲信号分散在极宽的频带中，其输出功率甚至低于一般电子设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与蓝牙、IEEE802.11a和IEEE802.11b相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。同时超短而微弱的脉冲信念也使得UWB与其它无线通信设施之间的干扰大幅度降低。UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。

⑸精准的定位功能

UWB系统具备良好的时间解析能力，使其能拥有精确的测距和定位功能，这一功能，可以将通信与定位融合，从而建立更为广阔的应用领域，包括建立高度安全、较佳效能的网络架构，以及精准的存货追踪管理。而在商业用途上，精准的定位功能将可应用到企业的仓储管理上，协助物料与资材的追踪定位。

⑹低廉的芯片成本

由于UWB不调制和解调复杂的载波信号，所以不需要混频器、过滤器、RF/IF转换器、本地振荡器(Localoscillator)以及802.11x常用的超外差所需额外的表面声波滤波器(SAWfilters)等复杂的元件，因而能量消耗很小，也更容易集成进CMOS里。除此之外，也可将射频设计成不需要功率放大器，同时也可以使用CMOS制程，因此具备低成本的芯片结构。

2当前发展状况

UWB的标准目前主要有两大类，分别是摩托罗拉旗下子公司飞思卡尔(Freescale)引领的DS-UWB和由IEEE倡导的MBOA，两者的分歧体现在UWB技术的实现方式上，前者采用直接序列扩展频谱的技术，它可以使很多传输共享相同的频率范围，这使很多小批量(piconets)的UWB设备互相连接更为容易。而后者则采用多频带方式，OFDM方案是将可用的频段分为多个子带，每个子带带宽大于500Mb/s，每一个子带的信号为一个OFDM信号。这两种技术各自有各自的优势和特点，但无法兼容，两种标准的牵头羊为了各自的利益，进行了激烈的角逐，但到目前为止还没有哪一方胜出。从这两个方案竞

争的激烈程度，我们可以预测到UWB技术巨大的潜在市场。技术的成功发展必定会反映在市场的不断成熟和发展上，因此UWB技术所带给世界无线通信市场的冲击将是无法避免和前所未见的，它带来的商业市场前景也是不可估量的。

3商业应用前景

无线通信历来都是一个技术创新层出不穷的领域，超宽带(UWB)实现了通信行业的设想：UWB在噪音标准之下调制数据，与频带内的其它无线通信标准并存而不相互干扰。随着UWB技术逐渐成为标准，行业领先者已经开发出UWB芯片产品，开始推出支持UWB的激动人心的商业应用。

家庭网络的应用中，UWB可以为无线局域网和个人局域网的接入技术带来高速率、低功耗、高带宽和低复杂度的无线通信解决方案，借助于UWB技术，可以家庭为单位建立局域网，使电脑和其它电子通信设备之间通过无线互传信息，从而减少房间布线、提高设施移动性。作为一项正在迅速发展的新技术，UWB将显著改善消费者的家用娱乐产品体验。消费者开始使用家中的PC机或笔记本电脑享受UWB无线技术带来的优越，其独特的优势就会让家庭中的娱乐电器也受益，例如，UWB可以把数码相机和数码摄像机的数据资料，传输给PC机，可以将DVD、VCD等各种视频数据传输到隔壁房间的电视，UWB将实现速度高达每秒110Mbit乃至更快的无线连接，使其非常适合连接电视与DVD播放机和录像机、个人视频记录器以及家庭音响。可以认为UWB是家庭网络更加合理的解决途径。

在定位检测应用中，由于UWB技术具有很好的定位能力，这一特性也可以使其拥有极其广泛的应用前景。由于UWB的高频信号具有很强的穿透力，所以消防员、警察和灾难救援人员可以利用UWB技术侦察出藏在厚墙另一侧、深埋在地下甚至是人体内部的目标物；汽车制造商可利用UWB技术建立汽车传感器、防撞系统、智能高速公路感测系统；此外其定位精度甚至超越了GPS全球定位系统，所以UWB将在定位检测领域有更大的突破。

当前，人们看好UWB技术的利用价值，最主要集中在消费电子应用领域。英特尔、德州仪器、西门子等业界知名厂商也对UWB技术在此领域的应用前景保持乐观。笔记本电脑、PDA、数码相机、扫描仪、打印机、摄录像机、以及MP3播放器等消费电子产品，均可以利用UWB技术进行高效率高品质的视频和音频数据传输。许多国家都已明确了全面实现数字电视网络的目标，UWB技术将在数字电视网络的许多环节上，充分发挥高速、无线和低干扰等优势。用UWB技术传输数字视频信号的速率，是当前有线电视调制解调器的10倍之多。XtremeSpectrum公司在不久前展示的一块UWB芯片样品，可以将数字电视信号同时沿着6个不同的信道传向6台电视机。美国飞思卡尔半导体(FreescaleSemiconductor)不久前在飞思卡尔技术论坛宣布，海尔采用了该公司的UWB(超宽带)无线芯片，推全球首款UWB电视，即将先后在中国和美国捆绑上市液晶电视和媒体服务器。新加坡Cellonics公司研发的一种新调制技术，更是将UWB的应用拉近了现实当中，它演示了UWB技术在消费电子产品中传输多媒体信号的过程，其质量之高、功耗之低而技术之简单，使更多的人对UWB在消费电子中的应用更加满怀信心。

目前，在业界的推动下，UWB技术已经日臻成熟，一些厂商已经推出了UWB芯片和相关产品。目前在试验室，UWB无线传送装置已经可以进行速率为480Mbit/s的数据传送。鉴于UWB技术所表现出来的优越特性和上述广泛的潜在应用领域，乐观者预计到了2006年，UWB技术将可能产生10亿美元的市场。

4小结

一项只用于10米范围之内，传输速率达到几百兆的无线通信技术引起了英特尔、摩托罗拉、西门子等通信业界巨头们的关注，也使家电业各大厂商们看到了UWB的应用前景。自UWB被批准民用后，家电厂商和PC厂商便蜂拥而至进行产品开发，积极拓展此项技术的商业化应用和发展，加快了UWB技术的商业化步伐。总之，UWB可定位于家用类设备和终端间的无线连接。众多的家电类设备，决定了UWB的应用范围相当广泛。UWB向人们清楚地展示了家用电子设备更为简洁的美好前景，在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。基于此，业界必须致力于提供标准与实现技术努力挖掘UWB的潜力。当然，UWB作为民用技术任重而道远，尚有一些应用中产生的信号干扰和频段开放引起的诸如安全性和干扰问题亟待解决。军方、政府、无线运营商和设备制造商等各方之间的利益冲突使得他们在UWB技术的民用化问题上尚有疑虑。但不管怎么说，我们有理由相信，由UWB技术所带来的技术发展和革新会使得UWB技术进入更多的应用领域，带来更为广阔的应用前景。

参考文献

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无线蜂窝网络为每个用户提供的服务需要满足一定的服务质量（QOS），然而QOS主要由每个用户接收到信号的信干比（SIR）决定。因此，无线蜂窝网络对无线资源的分配，特别是对每个用户链路的功率分配就更加重要。对于CDMA蜂窝系统，同一小区内所有用户使用相同的频段和时隙，用户之间仅靠扩频码的（准）正交特性相互隔离。然而由于无线信道的多径、延时等原因使得各个用户信号间的互相关特性不理想，其它用户的信号对当前用户信号产生干扰，这类干扰被称为多址干扰（MAI）。这样，当小区中用户个数增加或者其它用户功率提升时都会增加对当前用户的干扰，导致当前用户的接收信号SIR下降，当这类干扰大到一定程度时，当前用户就不能正常通信了，因此CDMA系统是一个严重的干扰受限系统，干扰的大小直接影响到系统容量。解决这个问题主要有两个办法：多用户检测技术和功控技术。多用户检测技术充分考虑用户间存在的MAI，通过在接收端重构这些干扰，然后消除它的影响，提高性能，但由于其算法过于复杂，目前还没有进行商业应用。功控技术十分简单实用，被认为是CDMA系统的关键技术之一。功控技术调整每个用户的发射功率，补偿信道衰落、抵消远近效应，使各个用户维持在能保持正常通信的最低标准上，这样都能最大地减少对其他用户的干扰，从而提高系统容量，同时延长手机的待机时间。

功控技术的控制准则大致可分为两大类：功率平衡准则和SIR平衡准则。它们分别控制各个用户信号在接收端的有用功率相等或SIR相等。从而不同的角度，可以有不同的功控技术分类。按功控效果可分为内环功控和外环功控。内环功控主要用来对抗信道衰落和损耗，使得接收端信号SIR或功率达到特定的目标值；外环功控根据特定环境下的服务质量要求，产生内环功控的SIR或功率门限值。按链路可分为反向功控和前向功控，由于CDMA系统容量主要受反向链路容量限制，因此反向功控尤为重要。按功控的环路类型可分为开环和闭环功控，开环功控是基于上下行信道对称假设的，它能够抵消路径损耗和阴影衰落，闭环功控不需作此假设，它同时还能抵消快衰落。按功控实现的方式可分为集中式功控和分布式功控，集中式功控考虑小区内所有用户的信息（链路增益等），对每个用户进行统一的调整，这个算法复杂度高，难以实现，但算法的收敛特性好；分布式控制只根据单个用户信息产生控制指令，易于实现，但分布式算法需要满足一定的条件才能收敛。

1WCDMA系统的功控技术方案

WCDMA系统同时采用了反向开环、闭环、外环功控技术和前向闭环、外环功控技术。鉴于反向闭环功控的重要性和篇幅所限，本文将主要针对反向闭环功控进行讨论，后面的仿真曲线也是基于反向闭环功控做出的。WCDMA系统闭环轼控主要由四部分构成：SIR估计、功控比特（TPC）产生、本地TPC判决和功率高速单元等，如图1所示。

SIR估计单元采用某种SIR估计算法对接收专用数据信道（DPDCH）的SIR进行估计，然后将估计值送给TPC产生单元。WCDMA协议并没有规定SIR估计的算法，主要有两种算法：相干SIR估计和非相干SIR估计，后面将分析这两种方法的性能差异。另外，限制SIR估计精度的另一主要因素是SIR估计的长度，即可以用来估计样本数的多少，对于非相干估计样本数较多、相干估计样本数较少，它主要受前、反向功控的定时关系限制。TPC产生单元将SIR估计值SIResti和外环功控所产生的SIR参考门限SIRtarget相减，根据其差值的符号，即sign(SIResti-SIRtarget)，产生TPC比特。TPC判决单元根据本地接收的TPC比特重新生成本地TPC命令送给功控调整单元，用于调整前向或反向信道的发射功率。文献给出了WCDMA系统本地TPC命令生成的几种算法，其中在非宏分集状态下有两种算法。

算法一，针对当前的隙接收到的TPC指令，每个时隙产生一个TPC_cmd。

如果接收到的TPC命令等于0，那么该时隙的TPC_cmd为-1。

如果接收到的TPC命令等于1，那么该时隙的TPC_cmd为1。

算法二，在5个时隙中的前4个时隙，TPC_cmd=0,即不改变发送功率。在第5个时隙，对收到的5个TPC命令采用如下硬判决：

如果所有5个TPC命令的硬件判决都为1，那么第5个时隙的TPC_cmd=1

如果所有5个TPC命令的硬判决都为0，那么第5个时隙的TPC_cmd=-1

否则，在第5个时隙的TPC_cmd=0。

可以看到算法一在每个时隙都产生一次功控命令（±1），功率调整的频率为1.5kHz。算法二每5个时隙产生一次功控命令（±1），功率调整的最快频率为300Hz，它具有近0.2dB(1dB/5)功控步长的性能。算法二还具有防止功控误调的功能，当接收的功控比特交换±1时，产生的功控命令始终为0，从而不进行功率调整。功率调整单元在前一次发射功率p[k-1]基础上，根据当前第k个TPC命令按照如下公式调整当前发射功率p[k][dB]:

p[k]=p[k-1]+β.TPC_cmd（1）

其中，β为功控步长，WCDMA系统采用固定步长，前向功控采用0.5、1、1.5或2db四种步长，反向功控采用1或2dB两种步长，而TPC_cmd就是本地产生的TPC命令。

WCDMA标准规定功控速率为1.5kHz，即一个时隙内必须完成一次闭环功率调整，这就要求上述功控所有操作要在一定时间内完成。文献图B.1列出了WCDMA功控定时关系，经分析得出可用于SIR估计的时间为：

TSIR=2560+Tdata1-1024-2×Tprop-Tprocess(2)

Tprocess为接收机处理延时，2×Tprop是双程路径延时，而处理延时一般等于总路径延时，若忽略data1数据处理延时Tdata1,得出SIR估计时间大致为：

TSIR=1536-4×Tprop（3）

当单程延时Tprop≥384chips，对应小区半径大于30km时，基站没有时间在当前的时隙完成SIR估计并发送功控比特。此时必须延时一个时隙进行SIR估计并发送功控比特。此时必须采用延时一个时隙进行SIR估计的750Hz功控方案。

2WCDMA系统的功控性能仿真

本节将通过计算机仿真的方法，说明SIR估计方法、估计精度、步长选择、功控比特传输错误以及功控比特时延等主要因素对功控性能的影响，给出反向闭环功控的仿真曲线并对结果做出一定的分析和解释。

首先分析SIR估计的两种方法，相干估计和非相干估计的原理。对于相干估计，由于导频信号已知，假设导频序列数值固定为1，则接收信号y(i)近似为一个高斯平稳随机过程，可以用其时间平均代替集平均。假设接收信号y(i)的N个采样点为{y1,y2,y3,…，yn},则接收信号功率、哭声功率和信干比估计值可分别表示如下：

当采用非相干估计时，处理的数据不再是已知的导频信号，而是数据信道上的数据，其数值未知。可以采用如下方法进行信干比的估计：

当相干估计和非相干估计具有相同的估计样本数目的，相干估计的性能要优于非相干估计。从上一节的定时约束分析可知，相干估计的样本数受小区半径等因素的限制，而样本数太少时相干估计的性能恶化很严重。而非相干估计虽然能够获得较多的估计样本，但它的性能也受很多因素的制约，文献详细研究了非相干估计算法的问题，并得出相干SIR估计算法在多数情况下具有比非相干估计更为优良的性能，后面的仿真结果也会说明这个问题。

闭环功率控制的目标是把接收信号的实际信干比控制在目标值上，因此衡量算法性能的最直接的方法就是考察实际信干比与目标信干比的一臻性，为此定义功控误差（PCE）如下：

PCE=SIResti-SIRtanget(10)

用其衡量各个功控算法性能的好坏。文献证明了在理想功控情况下，PCE的对数值呈正态分布，其均值为零，而均方差的大小反映了功控算法的优劣，均方差越小功控算法越好。

图2给出相干估计情况、不同车速条件、不同功控调节步长的PCE性能。可以看到，在低速情况下，1dB步长的算法比较好，算法二次之，而中速情况下2dB步长的算法比较好，高速情况下三者的性能都比较差。图2中也给出了没有功控时的PCE均方差，在车速80km/h以下，功控能够带来好处，而在这个车速以上，从PCE的角度来看，功控就不能带来增益了。由此可以得出，在固定步长算法中，低速时采用1dB步长，中速时采用2dB或1db步长，而高速时虽然不能补偿快衰落，但考虑到补偿路径损耗和减少对其他用户的影响，此时应采用算法二进行慢速功率调整。

图3给出了非相干估计时不同车速条件下不同功控调节步长的PCE性能。这里非相干估计的长度为整个时隙，所以采用了延时一个时隙进行功控的方法。为了进行比较，也画出了同样估计长度，但是没有延时的非相干估计的性能。可以看出：在采用非相干估计方法时，车速与最佳步长之间的关系和采用相干估计方法时类似。值得注意的是，仅在低车速20km/h左右时，PCE的性能就比关闭功控时差，而在采用相干估计方法时，这个临界车速达到了80km/h以上。由此，可以得出结论：非相干估计算法的性能差于相干估计。因此，后面的仿真都采用相干SIR估计算法。

从以上的仿真结果可以看出：不同车速条件下，若想功率控制性能最优，需要不同的调整步长。因此为了提高功控的性能，一个很自然的想法就是通过估计车速选择对应该车速下最优的功控步长进行功控。文献讨论了这方面的问题，仿真了构造新变量，电平通过率和盲估计变步长等算法，能取得一定的性能增益。

图4给出了不同车速条件下SIR估计长度对功控性能的影响。显然，相干估计长度越大，性能越好。由图4可见，估计长度在3～5pilotbits,即768～1280chips的情况下，功控的性能差异不大；如果估计长度只有2bits，即512chips时，性能变化比较大；若只有1bits，即256chips的估计长度，性能劣化很厉害，甚至不如关闭功控时的性能。从图4中还可以看到，若小区半径太大，在一个时隙内不可能完成SIR相干估计和一次闭环功率调整，这时可以降低功控频率。这样虽然功率调整有一个时隙延时，但是由此获得的高精度SIR估计可以在一定程序上抵消延时带来的性能损失。从图4中可看到，这种方案与没延时、估计长度512chips时性能差不多。所以，当小区半径较小时，应采用1.5kHz功控方案且采用尽可能长的SIR估计长度，当小区半径较大且移动台在小区边缘时，可以采用750Hz功控方案。

另外，功控比特延时带来的性能损失也可以采用延时补偿（TDC）方法进行补偿，文献详细研究了这个问题。这里给出一点有用结论。在功控延时一个时隙的情况下，中低车速时，功控比特延时带来的影响并不大，高车速时影响比较明显，这是因为在高车速时750Hz功控频率已经不能跟踪快速信道变化，但此时应该还能补偿路径损耗。因此，当需采用750Hz功控方案时，若移动台处于高速运动状态，此时最好用算法二进进慢速功率调整。

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UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

1超宽带信号及其特点

美联邦通信委员会(FCC)规定：

部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。

一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为：

Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量：

（1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(FrameTime)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。

(2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。

由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussNoise)信号。

由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。

(3)数据调制：第k个用户发送的数据序列｛di(k)｝为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。

在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为：

显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1％～0．1％)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为：

例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。

另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。

图3

2超宽带信号发射机、接收机基本结构

2．1发射机和相关接收机模型

与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。

2．2Rake接收机模型

由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。假设某UWB通信系统有Nu个用户，其发射信号分别为某接收机接收到的信号为r(t)，如果想得到第一个用户发送的数据，那么其Rake接收机的实现框图如图4所示。

图4

3UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较

由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、HomeRF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。

从图5可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离(如图6所示)。也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或HomeRF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及HomeRF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。

4国内外研究及发展情况

4．1国外研究现状

军用方面：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。

民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞／故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。

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UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

1超宽带信号及其特点

美联邦通信委员会(FCC)规定：

部分带宽号称为UWB信号。其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。

一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB信号形式[1],[2]为：

Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。第j个脉冲的起始时间为。仔细分析每个时移分量：

（1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(FrameTime)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。

(2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。跳时码的每个码元都是整数，且满足。这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。

由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。然而如果NhTc太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhiteGaussNoise)信号。

由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。

(3)数据调制：第k个用户发送的数据序列｛di(k)｝为二进制数据流。每个码元传输Ns个单周期脉冲，这样增加了信号的处理增益。

在这种调制方式下，一个符号(或码元)的持续时间为Ts=NsTf。对于固定的脉冲重复时间Tf，二进制的符号速率Rs，为：

显然，采用上述信号的超宽带脉冲通信系统具有以下特点：信号持续时间极短，为纳秒、亚纳秒级脉冲，信号占空比极低(1％～0．1％)，故有很好的多径免疫力；频谱相当宽，达GHz量级，且功率谱密度低，故UWB信号对其他系统干扰小、抗截获能力强；UWB系统处理增益很高，其总处理增益PC为：

例如，当某二进制UWB通信系统Tf=1μs，Tc=1ns，Ns=100，比特速率Rs=10kbps时，该系统UWB信号的处理增益为50dB。与其他通信系统相比，其处理增益非常高。

另外，UWB信号为极窄脉冲的序列，故有非常强的穿透能力，可以辨别出隐藏的物体或墙体后运动着的物体，能实现雷达、定位、通信三种功能的结合，适合军用战术通信。

图3

2超宽带信号发射机、接收机基本结构

2．1发射机和相关接收机模型

与传统的无线收发信机结构相比，UWB收发信机的结构相对简单。如图3所示，在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获跟踪部分、时钟振荡器和(跳时)码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成，便于降低成本和小型化。

2．2Rake接收机模型

由于UWB信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径(多径可达到30条)的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估计，所以使UWB信号的Rake接收成为可能。Rake接收机使原来能量很小的多径信号经过能量合并后提高的信噪比提高系统性能。假设某UWB通信系统有Nu个用户，其发射信号分别为某接收机接收到的信号为r(t)，如果想得到第一个用户发送的数据，那么其Rake接收机的实现框图如图4所示。

图4

3UWB与其他几种无线个人局域网技术的比较

由于UWB技术的种种优点，使其成为无线个人局域网络WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)的主要技术之一。WPAN的目标是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在10m范围内实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。其最普遍的应用是连接电脑、打印机、无绳电话、PDA以及信息家电等设备。目前实现WPAN的主要技术有：IEEE802．11b(Win)、HomeRF、IrDA、蓝牙(Bluetooth)以及超宽带等五种。

从图5可以看出UWB技术的优势较为明显，主要不足是发射功率过小限制了其传输距离(如图6所示)。也就是说，10m以内，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，对于远距离应用IEEE802．11b或HomeRF无线PAN的性能将强于UWB。UWB和同为热门的IEEE802．11b以及HomeRF不会进行直接竞争，因为UWB更多地是应用于10m左右距离的室内。事实上，把UWB看作蓝牙技术的替代者可能更为适合，因后者传输速率远不及前者，另外蓝牙技术的协议也较为复杂。

4国内外研究及发展情况

4．1国外研究现状

军用方面：早在1965年，美国就确立了UWB的技术基础。在后来的二十年内，UWB技术主要用于美国的军事应用，其研究机构仅限于与军事相关联的企业以及研究机关、团体。目前，美国国防部正开发几十种UWB系统，包括战场防窃听网络等。

民用方面：由于超宽带技术的种种优点使其在无线通信方面具有很大的潜力，近几年来国外对UWB信号应用的研究比较热门，主要用于通信(如家庭和个人网络，公路信息服务系统和无线音频、数据和视频分发等)、雷达(如车辆及航空器碰撞／故障避免，入侵检测和探地雷达等)以及精确定位(如资产跟踪、人员定位等)。索尼、时域、摩托罗拉、英特尔、戴姆勒—克莱斯勒等高技术公司都已涉足UWB技术的开发，将各种消费类电子设备以很高的数据传输率相连，以满足消费者对短距离无线通信小型化、低成本、低功率、高速数据传输等要求。