研究UWB技术要点及未来发展趋势

发布时间：2022-10-05 21:43 热度：

　　摘要：本文从UWB的技术特点及局限性出发，阐述了其技术与应用发展趋势和前景。

　　关键词：UWB;无线通信技术;应用;发展趋势

　　超宽带通信(UWB)是近年来通信领域兴起的一种无线互连技术。UWB具有高数据率、低功耗、结构简单和价格低廉等特点，为无线通信的发展开辟了新的机遇。同时，由于其占用极宽的带宽，与其他通信系统共享频段，给干扰、兼容等相关领域的研究也带来了一定的挑战。

　　一、超宽带无线通信技术的概念

　　超宽带是美国国防部在1989年开始使用的一个术语，事实上是对某一频率范围内信号的定义，规定如果一个信号在20 dB处的绝对带宽大于1.5 GHz或分数带宽大于25%，则这个信号就是超宽带信号，而利用超宽带信号进行无线通信被称为超宽带无线通信。

　　最早应用超宽带技术的部门是美国军方，直到后来才统一了对它的认识和限定。超宽带与常见的通信方式的不同之处在于，现在常用的通信技术使用的是连续的载波，而超宽带技术采用的是极短的脉冲信号，平均来看，每个脉冲信号的持续时间都非常短，通常只有几十皮秒到几纳秒，但是这些脉冲所占用的带宽甚至高达几吉赫。因此最大数据传输速率可以达到几百兆比特每秒。

　　二、UWB无线通信的性能特点及局限性

　　2.1 UWB无线通信的主要优点。通过以上分析，可以概括出UWB无线通信的主要优点有以下方面：(1)从工程的角度看，UWB远比其它无线技术简单，UWB可以集成在一块相对低廉的芯片中，与蜂窝电话和民用波段设备的发射功率相比，UWB仅需要毫瓦级的发送功率，是现有无线系统的1/10～1/100。因此使用UWB产品的制造成本和售价比现有的无线系统要低得多。(2)一般来说在UWB无线系统中多径不是主要的问题，其GHz级的带宽对应ns级的解析度，使多径信号能在时间上进行分离，再加上采用RAKE接收机结合时间分集，可以充分地利用发射信号的能量，因此多径效应对现有窄带系统性能的限制，在某种程度上对UWB有所减轻。(3)可以有很高的数据传输速率。UWB可以在5 m～10 m的范围内提供100 Mbit/s的数据速率，即使是“802.11”无网络技术(54 Mbit/s)和低能耗的蓝牙技术(70 Mbit/s)也远不能与UWB相比。同时UWB的空间容量也远大于传统的无线技术。(4)UWB是一种安全的通信方式，这是因为理想的冲激脉冲在频域上可以将信号能量从直流(DC)扩展到接近光波的频域，但在实际中并不能产生一个宽度为0的脉冲，而对于UWB来说，一个极窄的脉冲信号能量就能在频域上跨越相当大的范围。发射信号在这样大的频段范围内平均发布，被淹没在环境噪声之中，是很难被检测到的。(5)UWB有较高的穿透力，其ns级的高速脉冲可以穿透墙壁和其它物体，可以起到与雷达相同的作用。因此，UWB除应用于通信领域外，还兼有定位、车辆防撞、测距、透视等功能，且这些功能均可集于一体。

　　2.2 UWB无线通信的局限性。(1)影响UWB使用的一个非常实际的问题就是干扰的问题。这里有两个方面：a. UWB对其它无线系统的干扰。直到目前为止，UWB用非常宽的带宽来收发无线电信号，而实际上并不存在如此宽的空闲频带，总要有部分频带与现有无线系统，如航空、军事、安全、天文等领域的无线系统使用的频带相重叠，甚至会对GPS等其它窄带无线通信形成干扰。因此，在目前UWB只能得到有限的应用，可以说UWB是一种以共享其他无线通信频带为前提的通信技术，其对窄带系统潜在或严重的干扰仍在研究之中。b.UWB受其它无线系统的干扰。如果UWB信号低于传统超外差式接收机的门限值成立的话，那么传统发射机发射的窄带信号也会大于UWB接收机的门限值，因此在UWB接收机的频带内，就极易受到传统窄带通信机的干扰，其匹配滤波器的精度、超宽带的天线等也都不易得到满足。(2)其它方面的局限性。a. 由于脉冲持续时间短，要作为相关检测接收脉冲就需要精确的定时。另外，来自板载的微控制器产生的噪声也是一个严重的问题，因为如果是传统的收发信机，只要抑制带外噪声就可以了，而对于UWB来说，是不可行的。b.从本质上讲，UWB可以用更窄的脉冲(得到高信号/符号率)去换取其它两个可变的参量，即带宽(变宽)和信噪比(S/N〈减少〉)。但要使用更大的带宽却需要得到批准，同时信号在高带宽上会平均降低S/N，导致信号/符号率和信道容量(数据速率)的下降。如果UWB的目标是得到高信道容量或高速数据速率，那么可以通过将平均脉冲频率提高到2 GHz以上或将发送信号的功率提高(如果允许且不造成干扰)的方法来达到这一目的，这就会与常规的无线通信系统一样，即UWB系统也需在带宽效率、发送峰值功率、复杂度、灵活支持多速率和用BER表示的性能之间取得平衡。

　　三、UWB在通信中的应用

　　UWB现阶段主要应用于雷达探测和精确定位，未来UWB将广泛应用于数字家庭网络系统。由于UWB设备具有很强的穿透能力，UWB探测成像系统可以使警察、消防员和救援人员在紧急情况下迅速找到藏在墙后或者是被埋在废墟中的人;同时，还可以协助公共安全部门在攻坚之前，侦测歹徒的动向，在反恐战争中可发挥不可估量的作用;此外，也可以用于提高建筑和家庭维修行业的安全性。因此，基于UWB技术的新型探测成像设备具有广阔的市场前景。UWB定位系统具备实时的室内外精确跟踪能力，定位精度可以到几个厘米，在室内精确定位方面将会对GPS起到一个很好的补充作用。

　　UWB技术在家庭网络应用中的目标就是消灭家电之间的连接线，利用其高速无线数据传输特点，替代蓝牙技术实现家庭中所有电器之间的无线连接，组建小型数字家庭网络，满足现代家庭对未来高效数字化生活的需求。目前UWB技术正被整合进家庭影院和便携式产品，完成高速无线视频和音频信号的收发。Motorola、Intel、TI、ST(意法半导体)以及日韩一些厂商已推出UWB芯片和相关产品。

　　四、UWB技术未来趋势分析

　　从技术上看UWB有比较广阔的发展前景，但是其发展也面临着许多挑战，还有许多技术问题需要研究解决，诸如需要更好地理解UWB传播信道的特点，建立信道模型，解决多径传播等问题;进行高速脉冲收发电路的设计与实现，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微控制器噪声的处理等。UWB应用的逐步推广无疑会大大促进技术的成熟，有了UWB，未来的数字家庭已经不遥远。

　　从技术竞争的角度看，UWB技术属于无线个域网的一项主要技术，跟RFID等短距离通信技术类似，但在应用层面上，RFID通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别，与UWB技术有着明显的应用隔离。

　　WiMAX和WiFi技术则在覆盖范围上明显高于UWB技术，所以未来的无线接入技术发展应该呈现一个百花齐放的形式，借助WiMAX组成城域网，通过WLAN形成热点覆盖后，将UWB形成的数字家庭网络进行链接，可以形成一个真正的无缝无线通信世界。

　　五、结束语

　　无线通信已经迅速渗透到人们的生活之中，人们对通信容量不断增长的要求，迫切需要一种不对现有的通信系统造成影响的新的无线通信方案，而超宽带无线通信系统正好满足了人们的这一要求。虽然UWB仍面临有不少的问题，但随着各国科研人员的共同努力，在技术上会更加完善，且会更加有效地服务于人们的生活之中。

　　参考文献

　　[1] 党梅梅.超宽带无线通信技术发展现状. 信息产业部电信研究院通信标准研究 所，2008.

　　[2] 崔小雯.超宽带无线通信技术在智能家居 系统中的应用.辽东学院计算中心，2010.

　　[3] Uguen B. A Deterministic Ultra Wideband Channel Modeling [C]. 2002 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, 2002.1—5.

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