近年来，超宽带(UWB)无线通讯成为短距离、高速无线网络最抢手的物理层技能之一。
1 UWB的发生与开展
超宽带(UWB)有着悠长的开展前史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有清晰的规则。1989年，美国国防部高档研讨计划署(DARPA)首要选用超宽带这一术语，并规则：若信号在-20dB处的肯定带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。尔后，超宽带这个术语才被沿袭下来。
其间，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。图1给出了带宽核算示意图。可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其间心频率之比)的无线电技能。
为探究UWB运用于民用范畴的可行性，自1998年起，美国联邦通讯委员会(FCC)开端在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通讯集体对此大约提交了800多份意见书。
2002年2月，FCC同意UWB技能进入民用范畴，并对UWB进行了从头界说，规则UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。依据UWB体系的详细运用，分为成像体系、车载雷达体系、通讯与丈量体系三大类。依据FCCPart15规则，UWB通讯体系可运用频段为3.1 GHz～10.6 GHz。为维护现有体系(如GPRS、移动蜂窝体系、WLAN等)不被UWB体系搅扰，针对室内、室外不同运用，对UWB体系的辐射谱密度进行了严厉约束，规则UWB体系的最高辐射谱密度为-41.3 dBm/MHz.。图2示出了FCC对室内、室外UWB体系的辐射功率谱密度约束。当时，人们所说的UWB是指FCC给出的新界说。
自2002年至今，新技能和体系计划不断涌现，呈现了依据载波的多带脉冲无线电超宽带(IR-UWB)体系、依据直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB体系、依据多带正交频分复用(OFDM)的UWB体系等。在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、Intel等公司纷繁推出UWB芯片组，超宽带天线技能也日趋老练。当时，UWB技能已成为短距离、高速无线连接最具竞争力的物理层技能。IEEE现已将UWB技能归入其IEEE802系列无线规范，正在赶紧制定依据UWB技能的高速无线个域网(WPAN)规范IEEE802.15.3a和低速无线个域网规范IEEE802.15.4a。以Intel领衔的无线USB促进安排制定的依据UWB的W-USB2.0规范行将出台。无线1394联盟也在抓住制定依据UWB技能的无线规范。能够预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占有主导地位的物理层技能之一。
2 UWB的技能特色
(1)传输速率高，空间容量大
依据仙农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，体系无差错传输速率的上限为：
C=B×log2(1+SNR) (1)
其间，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB体系中，信号带宽B高达500MHz～7.5GHz。因而，即便信噪比SNR很低，UWB体系也能够在短距离上完结几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，假如运用7 GHz带宽，即便信噪比低至-10 dB，其理论信道容量也可到达1 Gb/s。因而，将UWB技能运用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是十分适宜的，能够极大地进步空间容量。理论研讨标明，依据UWB的WPAN可达的空间容量比现在WLAN规范IEEE 802.11.a高出1～2个数量级。
(2)合适短距离通讯
依照FCC规则，UWB体系的可辐射功率十分有限，3.1GHz～10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带体系。跟着传输距离的添加，信号功率将不断衰减。因而，接纳信噪比能够标明成传输距离的函数SNRr (d )。依据仙农公式，信道容量能够标明成距离的函数
C(d)=B×log2[1+SNRr(d )] (2)
别的，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的式微特性。因为跟着传输距离的添加高频信号式微极快，这导致UWB信号发生失真，然后严峻影响体系功能。研讨标明，当收发信机之间距离小于10m时，UWB体系的信道容量高于5GHz频段的WLAN体系，收发信机之间距离超越12m时，UWB体系在信道容量上的优势将不复存在。因而，UWB体系特别合适于短距离通讯。
(3)具有杰出的共存性和保密性
因为UWB体系辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带体系来讲，UWB信号谱密度乃至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带体系的搅扰能够视作宽带白噪声。因而，UWB体系与传统的窄带体系有着杰出的共存性，这对进步日益严峻的无线频谱资源的运用率是十分有利的。一起，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对进步通讯保密性十分有利。
(4)多径分辩才能强，定位精度高
因为UWB信号选用持续时刻极短的窄脉冲，其时刻、空间分辩才能都很强。因而，UWB信号的多径分辩率极高。极高的多径分辩才能赋予UWB信号高精度的测距、定位才能。关于通讯体系，有必要辩证地剖析UWB信号的多径分辩力。无线信道的时刻挑选性和频率挑选性是约束无线通讯体系功能的关键要素。在窄带体系中，不行分辩的多径将导致式微，而UWB信号能够将它们分隔并运用分集接纳技能进行兼并。因而，UWB体系具有很强的抗式微才能。但UWB信号极高的多径分辩力也导致信号能量发生严峻的时刻弥散(频率挑选性式微)，接纳机有必要经过献身杂乱度(添加分集重数)以捕获满意的信号能量。这将对接纳机规划提出严峻应战。在实践的UWB体系规划中，有必要折衷考虑信号带宽和接纳机杂乱度，得到抱负的性价比。
(5)体积小、功耗低
传统的UWB技能无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接纳机运用相关器直接完结信号检测。收发信机不需求杂乱的载频调制/解调电路和滤波器。因而，能够大大下降体系杂乱度，减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新界说在必定程度上添加了无载波脉冲成形的完结难度，但跟着半导体技能的开展和新式脉冲发生技能的不断涌现，UWB体系依然承继了传统UWB体积小、功耗低的特色。
3 UWB脉冲成形技能
任何数字通讯体系，都要运用与信道匹配杰出的信号带着信息。关于线性调制体系，已调制信号能够一致标明为：
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
其间，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时刻；
g(t)为时域成形波形。通讯体系的作业频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输功能、完结杂乱度等许多要素都取决于g(t)的规划。
关于UWB通讯体系，成形信号g(t)的带宽有必要大于500MHz，且信号能量应集中于3.1 GHz～10.6 GHz频段。前期的UWB体系选用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频谱集中于2 GHz以下。FCC对UWB的从头界说和频谱资源分配对信号成形提出了新的要求，信号成形计划必需进行调整。近年来，呈现了许多卓有成效的办法，如依据载波调制的成形技能、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等。
3.1高斯单周脉冲
高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉冲波形均可由高斯一阶导数经过逐次求导得到。
跟着脉冲信号阶数的添加，过零点数逐步添加，信号中心频率向高频移动，但信号的带宽无明显变化，相对带宽逐步下降。前期UWB体系选用1阶、2阶脉冲，信号频率成分从直流延续到2GHz。依照FCC对UWB的新界说，有必要选用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满意辐射谱要求。图3为典型的2ns高斯单周脉冲。
3.2载波调制的成形技能
原理上讲，只需信号-10dB带宽大于500MHz即可满意UWB要求。因而，传统的用于有载波通讯体系的信号成形计划均可移植到UWB体系中。此刻，超宽带信号规划转化为低通脉冲规划，经过载波调制能够将信号频谱在频率轴上灵敏地搬移。
有载波的成形脉冲可标明为：
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
其间，p(t)为持续时刻为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。若基带脉冲p(t)的频谱为P(f )，则终究成形脉冲的频谱为：
可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p(t)，只需使p(t)的-10dB带宽大于250 MHz，即可满意UWB规划要求。经过调整载波频率fc能够使信号频谱在3.1 GHz～10.6 GHz范围内灵敏移动。若结合跳频(FH)技能，则能够方便地构成跳频多址(FHMA)体系。在许多IEEE 802.15.3a规范提案中选用了这种脉冲成形技能。图4为典型的有载波批改余弦脉冲，中心频率为3.35 GHz，-10 dB带宽为525 MHz。
3.3Hermite正交脉冲
Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通讯体系的正交脉冲成形办法。结合多进制脉冲调制能够有效地进步体系传输速率。这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。这种脉冲成形办法的特色在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需凭借载波搬移频谱方可满意FCC要求。
3.4PSWF正交脉冲
PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号剖析中有十分抱负的效果。
与Hermite脉冲比较，PSWF脉冲能够直接依据方针频段和带宽要求进行规划，不需求杂乱的载波调制进行频谱般移。因而，PSWF脉冲归于无载波成形技能，有利于简化收发信机杂乱度。
4 UWB调制与多址技能
调制方法是指信号以何种方法承载信息，它不光决议着通讯体系的有效性和可靠性，一起也影响信号的频谱结构、接纳机杂乱度。关于多址技能处理多个用户同享信道的问题，合理的多址计划能够在减小用户间搅扰的一起极大地进步多用户容量。在UWB体系中选用的调制方法能够分为两大类：依据超宽带脉冲的调制、依据OFDM的正交多载波调制。多址技能包含：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址、波分多址等。体系规划中，能够对调制方法与多址方法进行合理的组合。
4.1UWB调制技能
(1)脉位调制
脉位调制(PPM)是一种运用脉冲方位承载数据信息的调制方法。依照选用的离散数据符号状况数能够分为二进制PPM(2PPM)和多进制PPM(MPPM)。在这种调制方法中，一个脉冲重复周期内脉冲或许呈现的方位有2个或M个，脉冲方位与符号状况一一对应。依据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间联系，又可分为部分堆叠的PPM和正交PPM(OPPM)。在部分堆叠的PPM中，为确保体系传输可靠性，一般挑选相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点，然后使相邻符号的欧氏距离最大化。在OPPM中，一般以脉冲宽度为距离确认脉位。接纳机运用相关器在相应方位进行相干检测。鉴于UWB体系的杂乱度和功率约束，实践运用中，常用的调制方法为2PPM或2OPPM。
PPM的长处在于：它仅需依据数据符号操控脉冲方位，不需求进行脉冲起伏和极性的操控，便于以较低的杂乱度完结调制与解调。因而，PPM是前期UWB体系广泛选用的调制方法。可是，因为PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在起伏较高的离散谱线。假如不对这些谱线进行按捺，将很难满意FCC对辐射谱的要求。
(2)脉幅调制
脉幅调制(PAM)是数字通讯体系最为常用的调制方法之一。在UWB体系中，考虑到完结杂乱度和功率有效性，不宜选用多进制PAM(MPAM)。UWB体系常用的PAM有两种方法：开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。前者能够选用非相干检测下降接纳机杂乱度，而后者选用相干检测能够更好地确保传输可靠性。
与2PPM比较，在辐射功率相同的前提下，BPSK能够获得更高的传输可靠性，且辐射谱中没有离散谱线。
(3)波形调制
波形调制(PWSK)是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方法。在这种调制方法中，选用M个彼此正交的等能量脉冲波形带着数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据符号对应。在接纳端，运用M个并行的相关器进行信号接纳，运用最大似然检测完结数据康复。因为各种脉冲能量持平，因而能够在不添加辐射功率的情况下进步传输功率。在脉冲宽度相同的情况下，能够到达比MPPM更高的符号传输速率。在符号速率相同的情况下，其功率功率和可靠性高于MPAM。因为这种调制方法需求较多的成形滤波器和相关器，其完结杂乱度较高。因而，在实践体系中较少运用，现在仅限于理论研讨。
(4)正交多载波调制
传统意义上的UWB体系均选用窄脉冲带着信息。FCC对UWB的新界说拓广了UWB的技能手段。原理上讲，-10dB带宽大于500MHz的任何信号方法均可称作UWB。在OFDM体系中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调选用快速傅里叶变换/逆快速傅里叶变换(FFT/IFFT)完结。因为具有频谱运用率高、抗多径才能强、便于DSP完结等长处，OFDM技能现已广泛运用于数字音频播送(DAB)、数字视频播送(DVB)、WLAN等无线网络中，且被作为B3G/4G蜂窝网的干流技能。
4.2UWB多址技能
(1)跳时多址
跳时多址(THMA)是最早运用于UWB通讯体系的多址技能，它能够方便地与PPM调制、BPSK调制相结合构成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控体系计划。这种多址技能运用了UWB信号占空比极小的特色，将脉冲重复周期(Tf，又称帧周期)划分红Nh个持续时刻为Tc的互不堆叠的码片时隙，每个用户运用一个共同的随机跳时序列在Nh个码片时隙中随机挑选一个作为脉冲发射方位。在每个码片时隙内能够选用PPM调制或BPSK调制。接纳端运用与方针用户相同的跳时序列盯梢接纳。
因为用户跳时码之间具有杰出的正交性，多用户脉冲之间不会发生抵触，然后避免了多用户搅扰。将跳时技能与PPM结合能够有效地按捺PPM信号中的离散谱线，到达滑润信号频谱的效果。因为每个帧周期内可分的码片时隙数有限，当用户数很大时必定发生多用户搅扰。因而，怎么挑选跳时序列是十分重要的问题。
(2)直扩-码分多址
直扩-码分多址(DS-CDMA)是IS-95和3G移动蜂窝体系中广泛选用的多址方法，这种多址方法相同能够运用于UWB体系。在这种多址方法中，每个用户运用一个专用的伪随机序列对数据信号进行扩频，用户扩频序列之间互相关很小，即运用户信号间发生抵触，解扩后互搅扰也会很小。但因为用户扩频序列之间存在互相关，远近效应是约束其功能的重要要素。因而，在DS-CDMA体系中需求进行功率操控。在UWB体系中，DS-CDMA一般与BPSK结合。
(3)跳频多址
跳频多址(FHMA)是结合多个频分子信道运用的一种多址方法，每个用户运用专用的随机跳频码操控射频频率合成器，以必定的跳频图画周期性地在若干个子信道上传输数据，数据调制在基带完结。若用户跳频码之间无抵触或抵触概率极小，则多用户信号之间在频域正交，能够很好地消除用户间搅扰。原理上讲，子信道数量越多则包容的用户数量越大，但这是以献身设备杂乱度和功耗为价值的。在UWB体系中，将3.1GHz～10.6GHz频段分红若干个带宽大于500MHz的子信道，依据用户数量和设备杂乱度要求挑选必定数量的子信道和跳频码处理多址问题。FHMA一般与多带脉冲调制或OFDM相结合，调制方法选用BPSK或正交移相键控(QPSK)。
(4)PWDMA
PWDMA是结合Hermite等正交多脉冲提出的一种波分多址方法。每个用户别离运用一种或几种特定的成形脉冲，调制方法能够是BPSK、PPM或PWSK。因为用户运用的脉冲波形之间彼此正交，在同步传输的情况下，即便多用户信号间彼此抵触也不会发生互搅扰。一般正交波形之间的异步互相关不为零，因而在异步通讯的情况下用户间将发生互搅扰。现在，PWDMA仅限于理论研讨，没有进入实用阶段。
