UWB超宽带传输技术及其应用简析

    UWB（Ultra WideBand）是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在10m以内，使用1 GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。FCC规定，UWB的工作频段范围从3.1 GHz到10.6 GHz，最小工作频宽为500MHz。超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面。一个是传输带宽，另一个是采用不采用载波方式。从传输带宽看，按照美国联邦通信委员会FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25%的为超宽带。超宽带传输技术直接使用基带传输。其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数10亿个脉冲。然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB相对于传统的无线电波而言，相当于噪声，对传统的无线电波影响相当小。UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。

UWB的技术优势及不足

    1.技术优势

    （1）传输速率高理论上，一个宽度趋于0的脉冲具有无限的带宽，因此，UWB即使把发送信号功率谱密度控制得很低，仍可实现高达100Mbit/s-500Mbit/s的传输速率。在民用方面，UWB脉冲宽度一般为纳秒级。如果一个脉冲代表一个数位，那么，理论上UWB可达1 Gbit/s的速率，这样在实际中实现100Mbit/s以上的速率是完全可能的。

    （2）发射功率低，功耗小因为不使用载波，UWB仅在发射窄脉冲时消耗少量能量。从而省略了发射连续载波的大量功耗。这使得UWB在通过缩小脉冲宽度的同时提高带宽。并且不增加功耗。这就打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽成正比的定律。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常低于1mw（这也是FCC为了避免对其它设备造成干扰而对UWB做出的技术指标要求）。虽然现在实际上使用芯片实现后的整体电路能耗在300mw左右，但随着技术的不断成熟和进步，这项指标随之会降下来。

    （3）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。

    （4）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通信系统几乎实现了全数字化，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通信正是人们所期望的理想无线通信方式[4]。

    2.不足之处

    当然，UWB通信也存在不足，主要问题是UWB系统占用的带宽很高，UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统，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，由于其脉冲持续时间很短，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。尽管如此，学术界的种种争论并不影响UWB的开发和应用。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。

与其他技术的比较

    从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。

    (1)IEEE802.11a与UWB

　　 IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。

    (2)蓝牙(Bluetooth)与UWB

　　蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。

    (3)HomeRF与UWB

　　HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频50 次，即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。

    总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说“或取代某种技术”这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。