UWB短距离无线通信方式的介绍
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。
一、uwb的实现
uwb系统结构实现比较简单，uwb发射器直接用脉冲小型激励天线，允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，不需要中频处理。高速数据传输时，民用商品中，一般要求uwb信号的传输范围为10 m以内，其传输速率可达到5 00 mbit/s以上。uwb系统使用间隙的脉冲来发送数据，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低。在高速通信时，系统的耗电量仅为几百μw～几十mw。民用的uwb设备功率一般是传统移动电话功率的1/100左右，是蓝牙设备功率的1/20左右。安全性方面，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于uwb信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，uwb信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，uwb信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中难以检测出脉冲信号。uwb比其它无线技术要简单得多，只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，可实现全数字化，大大降低了设备的成本。uwb还具有多径分辨能力强、定位精确等特点。图1，示出超宽带无线通信系统的基本结构[4]。
图1 超宽带无线通信系统基本结构
二、uwb脉冲调制技术介绍
目前，用于uwb的满足特定频谱要求的脉冲波形，根据频谱特性可分成基带脉冲和特殊脉冲两类。经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。包含从低频到 ghz频率的连续带宽。常见的如矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲和瑞利单脉冲等。但矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，只适用于学术研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用极短的高斯函数的各阶导数作为发射脉冲，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的频带范围很宽，可达到几ghz。设h、l和c分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率，b为相对带宽，mb为绝对带宽，则在b为-10db点处应有[1]：
(1)
或mb>500 mhz在信号调制时，可以采用单个脉冲传递不同的信息，即单脉冲调制;也可以用多个脉冲传递相同的信息，即多脉冲调制[1]。在实际中，为了降低单个脉冲的幅度，提高系统的抗干扰性，超宽带脉冲无线通信系统往往用多脉冲调制。在多脉冲调制中，传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲。因此，多脉冲调制的过程可以分成两步：第一步是进行每组脉冲内对单个脉冲的调制。通常采用脉冲相位调制(ppm)或二相调制(bpm)。ppm称为跳时扩谱(spread spectrum)(thss)，每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置。bpm称为直接序列(direct sequence)扩谱(spread spectrum)(dsss)，其每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性[1]。第二步为每组脉冲作为整体被调制，通常采用脉冲幅度调制(pam)、脉冲相位调制(ppm)或二相调制(bpm)。在第二步中，根据需要传输的信息比特，pam同时改变每组脉冲的幅度，ppm同时调节每组脉冲的时间位置，bpm同时改变每组脉冲的极性。将第一步和第二步组合起来可形成多种调制技术：th-ss ppm、ds.ss ppm、th.ss pam、ds-sspam、th-ss bpm和ds.ss bpm。综合考虑可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的组合方式是th-ss ppm和th，ds-bpm。二者的区别是采用匹配滤波器的单用户检测情况下，th/ds.bpm的性能要优于th ss ppm。而对th bpm和ds-bpm而言，在速率低时，由于thss对远近效应的敏感程度没有dsss那么高，所 以，此时应选择th.bpm;而在速率高时则优先考虑 ds.bpm。在采用最小均方误差准～ij(mmse)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大;但在速率比较高时，th/ds.bpm的性能则比th.ppm系统好。而利用不同ss序列之间的正交性，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的码分复用(code divison multiplexing，cdm)技术也被用于uwb。
三、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 [3]。
四、与其他技术的比较
表1给出uwb与其他短距离无线通信的简单比较。从表中可见，除了在通信距离上uwb比其他三种短距离无线通信方式受限外，在传输速率、发射功率、空间容量、应用范围等方面，uwb都占有较大优势。
表1 uwb与其它短距离无线通信的比较
五、应用
1.uwb在家庭中的应用
虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用，但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络的无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法，如果要提高通信速率，必须要提高数字信号处理器的处理速度，这势必要增加系统的成本和功耗，高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先，为了满足无线数字视频的要求，家庭无线互连产品需要更高的通信速率，以无线高清晰数字电视(whdtv)为例，如果采用mpfg2hd数据格式，则视频数据流的速率高达25 mbit/s;其次，让家庭无线通信产品走向千家万户，系统成本必须很低。市场调查表明，如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出30%，将很难被众多的消费者所接受。其次，家庭无线通信产品中用到的嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电，因此，降低功耗就是一个突出的问题。即家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点。传统的无线电设计方案无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。 uwb适用于两类家庭消费电子的应用。一类是房间内应用，例如机顶盒和dvd播放机到数字电视的无线连接，这一类应用需要至少20～28mbit/s的传输速率，如要实现画中画功能则需要56mbit/s的传输速率，另外，还需要7～10米的距离实现多个通道的传输[5]。另一类是桌面的应用，如pda、手机和数码相机与pc机的同步，pc机实现视频编辑等。这一类应用一般只需要支持2～4m的传输距离，但对传输速率的要求非 常高，有时需要高至480mbit/s的传输速率。
uwb有望满足家庭消费者的其它重要需求。有线与卫星供应商正推出越来越多的高清电视广播，通常需要标清信号五倍左右的带宽。uwb具有 110mbit/s的数据传输速率及10m的传输距离，因此，只有它才能在住宅的几乎所有空间内实现从机顶盒向电视显示器无线传输高分辨率视频流的功能。这使得消费者无须为每台电视机都添置新的机顶盒，即可使家里多台电视机都接收到高清节目源。
2.无绳usb
无绳usb(wireless usb)是一种无线接口标准，目标是以无线取代目前的usb连线。无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术“uwb”。目标传送速度为usb2.0的最大通信速度480mbit/s。可望uwb无线技术将取代usb，成为pc的外设接口。
无绳usb可以实现数字家庭的打印机共享、无线鼠标、键盘连接，扫描仪的数据传输，移动硬盘的无线接入，dv数据传送等应用，是数字家庭标准外设接入的接口。通过uwb无绳usb连接，组成了以计算机为中心，usb标准外设作为从设备的互联互通小网络。这个小型网络能够完成系统协同工作，由软件控制可智能完成用户的特定任务。例如，用户可以直接从数码相机中浏览，选定自己喜欢的照片，通过无绳usb技术传送到电脑，接着，电脑可以把它输出到无线连接的便携打印机，用户就能及时打印出选出的照片。这样，随时随地无任何连接限制地体现出数字家庭设备互联互通人性化的特点。
图2 无线usb应用场景
六、结束语
uwb还可用于智能无线局域网、室外对等网，以及在对工厂、仓库、超市中贵重物品的位置信息低速传输传感、定位、识别[1]等方面。
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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。
一、uwb的实现
uwb系统结构实现比较简单，uwb发射器直接用脉冲小型激励天线，允许采用非常低廉的宽带发射器。在接收端，不需要中频处理。高速数据传输时，民用商品中，一般要求uwb信号的传输范围为10 m以内，其传输速率可达到5 00 mbit/s以上。uwb系统使用间隙的脉冲来发送数据，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低。在高速通信时，系统的耗电量仅为几百μw～几十mw。民用的uwb设备功率一般是传统移动电话功率的1/100左右，是蓝牙设备功率的1/20左右。安全性方面，作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于uwb信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，uwb信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，uwb信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中难以检测出脉冲信号。uwb比其它无线技术要简单得多，只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，可实现全数字化，大大降低了设备的成本。uwb还具有多径分辨能力强、定位精确等特点。图1，示出超宽带无线通信系统的基本结构[4]。
图1 超宽带无线通信系统基本结构
二、uwb脉冲调制技术介绍
目前，用于uwb的满足特定频谱要求的脉冲波形，根据频谱特性可分成基带脉冲和特殊脉冲两类。经典的超宽带系统采用基带脉冲波形。包含从低频到 ghz频率的连续带宽。常见的如矩形脉冲、高斯脉冲、高斯单脉冲和瑞利单脉冲等。但矩形脉冲和高斯脉冲具有很大的直流分量，只适用于学术研究。工程上要求不含直流分量，因此，采用极短的高斯函数的各阶导数作为发射脉冲，通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的频带范围很宽，可达到几ghz。设h、l和c分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率，b为相对带宽，mb为绝对带宽，则在b为-10db点处应有[1]：
(1)
或mb>500 mhz在信号调制时，可以采用单个脉冲传递不同的信息，即单脉冲调制;也可以用多个脉冲传递相同的信息，即多脉冲调制[1]。在实际中，为了降低单个脉冲的幅度，提高系统的抗干扰性，超宽带脉冲无线通信系统往往用多脉冲调制。在多脉冲调制中，传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲。因此，多脉冲调制的过程可以分成两步：第一步是进行每组脉冲内对单个脉冲的调制。通常采用脉冲相位调制(ppm)或二相调制(bpm)。ppm称为跳时扩谱(spread spectrum)(thss)，每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性，但具有不同的时间位置。bpm称为直接序列(direct sequence)扩谱(spread spectrum)(dsss)，其每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度，但具有不同的极性[1]。第二步为每组脉冲作为整体被调制，通常采用脉冲幅度调制(pam)、脉冲相位调制(ppm)或二相调制(bpm)。在第二步中，根据需要传输的信息比特，pam同时改变每组脉冲的幅度，ppm同时调节每组脉冲的时间位置，bpm同时改变每组脉冲的极性。将第一步和第二步组合起来可形成多种调制技术：th-ss ppm、ds.ss ppm、th.ss pam、ds-sspam、th-ss bpm和ds.ss bpm。综合考虑可靠性、有效性及多址性能等因素，目前典型的组合方式是th-ss ppm和th，ds-bpm。二者的区别是采用匹配滤波器的单用户检测情况下，th/ds.bpm的性能要优于th ss ppm。而对th bpm和ds-bpm而言，在速率低时，由于thss对远近效应的敏感程度没有dsss那么高，所 以，此时应选择th.bpm;而在速率高时则优先考虑 ds.bpm。在采用最小均方误差准～ij(mmse)检测方式的多用户接收机应用情况时，两者差别不大;但在速率比较高时，th/ds.bpm的性能则比th.ppm系统好。而利用不同ss序列之间的正交性，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的码分复用(code divison multiplexing，cdm)技术也被用于uwb。
三、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 [3]。
四、与其他技术的比较
表1给出uwb与其他短距离无线通信的简单比较。从表中可见，除了在通信距离上uwb比其他三种短距离无线通信方式受限外，在传输速率、发射功率、空间容量、应用范围等方面，uwb都占有较大优势。
表1 uwb与其它短距离无线通信的比较
五、应用
1.uwb在家庭中的应用
虽然无线通信网已经在企业和公共场所得到推广和应用，但是这些现有技术很难为家庭多媒体网络的无线互连提供一个合适的方案。按照传统的无线电设计方法，如果要提高通信速率，必须要提高数字信号处理器的处理速度，这势必要增加系统的成本和功耗，高速率的无线产品往往也是高成本、大功耗的。然而，家庭无线通信网有一些特殊的要求。首先，为了满足无线数字视频的要求，家庭无线互连产品需要更高的通信速率，以无线高清晰数字电视(whdtv)为例，如果采用mpfg2hd数据格式，则视频数据流的速率高达25 mbit/s;其次，让家庭无线通信产品走向千家万户，系统成本必须很低。市场调查表明，如果无线产品的价格比同类有线产品的价格高出30%，将很难被众多的消费者所接受。其次，家庭无线通信产品中用到的嵌入式网关和小型手持设备往往是电池供电，因此，降低功耗就是一个突出的问题。即家庭无线通信产品必须具备高速率、低成本和低功耗三个优点。传统的无线电设计方案无法在速率、成本和功耗这三者之间找到一个合适的平衡点。 uwb适用于两类家庭消费电子的应用。一类是房间内应用，例如机顶盒和dvd播放机到数字电视的无线连接，这一类应用需要至少20～28mbit/s的传输速率，如要实现画中画功能则需要56mbit/s的传输速率，另外，还需要7～10米的距离实现多个通道的传输[5]。另一类是桌面的应用，如pda、手机和数码相机与pc机的同步，pc机实现视频编辑等。这一类应用一般只需要支持2～4m的传输距离，但对传输速率的要求非 常高，有时需要高至480mbit/s的传输速率。
uwb有望满足家庭消费者的其它重要需求。有线与卫星供应商正推出越来越多的高清电视广播，通常需要标清信号五倍左右的带宽。uwb具有 110mbit/s的数据传输速率及10m的传输距离，因此，只有它才能在住宅的几乎所有空间内实现从机顶盒向电视显示器无线传输高分辨率视频流的功能。这使得消费者无须为每台电视机都添置新的机顶盒，即可使家里多台电视机都接收到高清节目源。
2.无绳usb
无绳usb(wireless usb)是一种无线接口标准，目标是以无线取代目前的usb连线。无线技术方面将使用超宽带近距离高速通信技术“uwb”。目标传送速度为usb2.0的最大通信速度480mbit/s。可望uwb无线技术将取代usb，成为pc的外设接口。
无绳usb可以实现数字家庭的打印机共享、无线鼠标、键盘连接，扫描仪的数据传输，移动硬盘的无线接入，dv数据传送等应用，是数字家庭标准外设接入的接口。通过uwb无绳usb连接，组成了以计算机为中心，usb标准外设作为从设备的互联互通小网络。这个小型网络能够完成系统协同工作，由软件控制可智能完成用户的特定任务。例如，用户可以直接从数码相机中浏览，选定自己喜欢的照片，通过无绳usb技术传送到电脑，接着，电脑可以把它输出到无线连接的便携打印机，用户就能及时打印出选出的照片。这样，随时随地无任何连接限制地体现出数字家庭设备互联互通人性化的特点。
图2 无线usb应用场景
六、结束语
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