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UWB技术简介及其应用一、超宽带的定义现在的超宽带已经不局限于早期的脉冲形式的无线电，任何无线电系统，只要它满足下面的条件之一就称为超宽带系统：2（f𝐻−f𝐿）𝑓𝐻+𝑓𝐿≥20%（1）𝑓𝐻−𝑓𝐿≥500MHz（2）式中，fH和fL分别是传输带宽的高端频率和低端频率。此外，FCC规定超宽带设备的功率谱密度不超过-41.3dBM/Hz，以避免对已有的通信系统(比如GPS)产生干扰。FCC的功率谱密度限制显示在图1。图1UWB在室内的频谱屏蔽二、超宽带的实现技术1.冲激无线电冲激无线电使用脉位调制，或二进制相移键控BPS或者脉冲幅度调制的基带短脉冲串传输数据符号。冲激无线电采用跳时或直接序列实现多址接入。在跳时方式中，是通过脉冲到达的时间顺序区分用户，在直接序列方式中是通过脉冲的极性序列来区分用户。冲激无线电系统具有低成本、容易实现、衰落深度浅和好的穿透能力等，但是基带短脉冲具有一部分低频分量，这部分低频分量在高速通信中很难达到FFC的功率谱密度的规定。目前冲激无线电系统通常应用在定位搜索以及低速的数据通信中。2.MB-OFDMMB-OFDM(多带正交频分复用)是由德州仪器提出，得到以Intel与德州仪器为首的MBOA(多带联盟)的支持，MB-OFDM将频分复用和频率交织技术结合起来。MB-OFDM将7.5GHz的带宽分成了若干个528MHz的频带，并且不使用5.2～5.7GHz的802.11a的频带。它的调制方式是正交频分复用，也就是以时间交织方式在不同的频带上传输信息。它使用时频码来区分用户。MB-OFDM系统能够支持4～16个同时发生的微微网。MB-OFDM有很高的频谱灵活性，在射频干扰和多径效应中具有恢复能力，缺点是稍微增加了发射器的复杂性。3.DS-CDMA和DS-UWBDS–CDMA（直接序列码分多址）方式是摩托罗拉集团提出和支持的方案。DS-CDMA将7.5GHz的频谱分成了2个频带，一个频带在802.11a频带的上面，一个在802.11a频带下面。在DS-CDMA方式下，每个数据符号是一串按BPSK/QPSK/MBOK方式编码的小波脉冲，多址接入是通过一个低交叉关系的二进制码的CDMA编码实现的，它支持8个同时发生的微微网。Motorola和CRL对DS-CDMA做了重新设计，改进的DS-CDMA称为DS-UWB(直接序列超宽带)。在DS-UWB系统中MBOK调制被去掉，系统的数据传输速率将根据通信距离进行调整,而通信距离根据信号强度测量得到。另外，加进来一个公共的信令方式以容许设备可以在DS-UWB的物理层和MB-UWB的物理层之间交流。DS-CDMA和DS-UWB的显著优点是很小的干扰、低复杂性。三、超宽带的优点1．超宽带技术与其他系统共享的方式使用频谱它使用的频谱从3.1GHz到10.6GHz，宽度高达7500MHz，而无需划分特定的、专有的频段。同时，通过限制发射功率，超宽带也可以避免了其他系统对他造成的的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源非常紧张的今天是具有重要的意义，这也是超宽带兴起的主要原因之一。超宽带的极宽的频谱和极低的发射功率，也使超宽带系统具有传输速率高，系统相对简单、成本低、功耗低的优点。2．超宽带的传输速率高，系统相对简单、成本低，功耗低传统的无线通信系统，因为频带较窄，要实现100Mps以上的高传输速率，必须采用高阶调制等方法达到较高的频谱使用效率。这就对信噪比提出了很高的要求，同时提高了系统的复杂性。而超宽带系统的频带很宽，几时传输速率高达1Gbps以上时，说需信噪比仍然不高，这就使得系统较为简单，实现了系统的降低成本和功耗。3．系统成本和功耗低超宽带如果通信采用的是传统的基带窄脉冲形式，因为无需对载波进行调制和解调，还将使系统的成本和功耗进一步降低。同时低功率的脉冲比起以前雷达和通信中的大功率脉冲，更容易产生，实现成本更低。4．超宽带信号衰减较小，穿透力强超宽带采用基带窄脉冲形式的信号，与利用正弦波携带信息的一般无线通信信号在空中的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波，在自由空间中的衰减与距离的平方成反比，在室内多径通信条件下，衰减与距离的3次方程反比。而具有色当波形的超宽带瞬态脉冲具有较强的定向性，其衰减与距离成反比或更小。因此，在相同功率下，采用基带窄脉冲形式的超宽带信号可比一般的调制载波的信号传输更远的距离。另外，由于基带窄脉冲中含有角度空的低频分量，所以在室内传播时可以顺利地穿过墙壁等一般的障碍物，为超宽带技术在室内环境以及透视成像等领域的应用提供了便利。5．超宽带的定位精度与其带宽直接相关其带宽一般在500MHz以上，远远高出了一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。基带的窄脉冲的信号，因为其带宽通常在数GHz，所以其定位精度更是可以高达厘米量级。四、超宽带的应用超宽带无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信时，传输距离较近，一般在10到20米左右，进行较低的速率无线通信和定位时，传输距可更远。超宽带采用基带脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信，成像或定位。与全球定位系统相比，超宽带技术的定位精度更高。根据上述的功能，超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网、家域网、个域网，无线传感网，雷达定位、成像系统和交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。1.无线多媒体局域网、家域网、个域网在无线多媒体局域网、家域网、个域网中，各种数字多媒体设备，如数码摄像机、MP3播放器、数字电视、计算机、投影仪、各种智能家电等，根据需要，在小范围内组成组织式的网络，互相传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关，接入因特网，构成一个智能家庭环境。表1列举了目前的一些无线多媒体业务对数据传输速率的要求，目前只有超宽带技术可以满足各种无线多媒体应用的传输速率需要。应用要求的速率应用要求的速率无线视频投影15—70Mbps大容量多媒体文件拷贝100Mbps以上高清晰度电视20—80Mbps替代有线电缆IEEE1394a100/200/400Mbps数码摄像机27MbpsUSB2.01.5/12/480Mbps表1无线多媒体应用对传输速率的要求2.无线传感网无线传感网中，通常要求传感器的功耗非常小，可以连续工作数月、甚至数年之久而不需要充电。目前的做法是通过媒体的计入控制层和网络层的协议涉及，尽量减少不必要的传输，来有效地利用无线信道和能量资源。在此基础上，采用极低功耗的超带宽物理层，可以大大简化MAC层和网络层的复杂度，使系统总体功耗进一步降低。3.智能交通系统UWB除了高速和低功耗的特点外，还具有定位和搜索能力。利用超宽带的定位和搜索能力，可以制造防碰和防障碍物的雷达。装载了这种雷达的汽车会非常容易驾驶。当汽车的前方、后方、旁边有障碍物时，该雷达会提醒司机。在停车的时候，这种基于UWB的雷达是司机的强有力的助手。因为UWB是高速的无线通信技术。利用UWB可以建立智能交通管理系统,这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能。例如实现不停车的自动收费，汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取，站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等军事、救援和安全等领域采用基带脉冲方式的超宽带系统，具有较强的穿透障碍物进行通信的功能，在军事、消防、勘测等领域有着广泛的用途。4.成像应用由于UWB具有好的穿透墙和楼层的能力，UWB可以应用于成像系统。利用UWB技术，可以制造穿墙雷达和穿地雷达。穿墙雷达可以用在战场上和警察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人。地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜寻幸存者。基于UWB的成像系统也可以用于避免使X射线的医学系统。5.UWB应用于智能标识（1）存货跟踪和系统服务将UWB节点安装在大商场的入口和每个商店里。该商场的每个产品都有一个UWB的射频标签以便随时对它的地点进行探测。在商店的入口,用户可以用PDA下载产品的多媒体目录，当选择了产品A，用户就能够得到产品A在特定商店的位置。（2）文档和书的管理在办公室和图书馆，每个文档和书(包括电子书)附有一个UWB的射频标签。利用UWB的精确定位能力，人们通过PC、PDA或其他的终端可以很容易地找到想要的文档或书。五、对超宽带技术的体会超宽带不仅仅是一种新的通信技术，更代表了一种新的共享使用频谱的方式。超宽带通信可以以时域的基带窄脉冲形式实现，也可以以一般的调制载波的形式实现。先进的无线通信技术，如OFDM、CDMA、多输入多输出等等，都可以应用在超宽带系统中。超宽带技术可以用与近距离高速无线通信，也可进行更远距离的通信，以极低的功耗和很低的成本实现很多其他技术难以实现的应用。