摘要
本文首要介绍了UWB无线通讯体系的界说、根本原理以及首要方针，然后具体介绍了UWB的关键技能，最终指出了UWB所面对的应战。
1、导言
UWB(Ultra-Wideband，超宽带)脉冲无线传输技能是近两三年在世界上鼓起的一种无线通讯革命性的通讯技能，与其他无线通讯技能比较有很大不同：不需求运用载波，而是依托继续的、时间十分短的基带脉冲信号(一般状况下)传输数据，因而占用的频带十分宽，一般在几GHz量级。
UWB技能与下列名词是同义的：极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号。UWB脉冲通讯因为其优秀一起的技能特性，越来越遭到通讯学术界和产业界的注重，并且也为社会各界所重视，将会在小规模和室内大容量高速率无线多媒体通讯、雷达、精细定位、穿墙透地勘探、成像和丈量等范畴取得日益广泛的运用。
2、UWB概述
现在研讨的UWB实质上是以占空比很低(低达0.5%)的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技能。它是经过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。典型的UWB直接发射冲击脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念，此刻发射的信号可当作基带信号(依惯例无线电而言)，也可当作射频信号(从发射信号的频谱重量考虑)。冲击脉冲一般选用单周期高斯脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。单周期脉冲的宽度在ns级，具有很宽的频谱。UWB开发了一个具有GHz容量和最高空间容量的新无线信道。
依据CDMA的UWB脉冲无线收发信机的根本组成如图1所示。在发送端时钟发生器发生必定重复周期的脉冲序列，用户要传输的信息和表明该用户地址的伪随机码别离或组成后对上述周期脉冲序列进行必定办法的调制，调制后的脉冲序列驱动脉冲发生电路，构成必定脉冲形状和规则的脉冲序列，然后扩大到所需功率，再耦合到UWB天线发射出去。
在接纳端，UWB天线接纳的信号经低噪声扩大器扩大后，送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端，参加一个本地发生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列，接纳端信号与本地同步的伪随机码调制的脉冲序列一同经过相关器中的相乘、积分和取样坚持运算，发生一个对用户地址信息经过别离的信号，其间仅含用户传输信息以及其他搅扰。然后对该信号进行解调运算，即依据发端的调制办法对每个脉冲进行判定，康复出所传输的信息。同步电路包含捕获和盯梢电路，其作用是精确提取时钟脉冲的方位和重复周期的信息，并将其作用到本地的守时电路，发生接纳机所需的各种时钟和守时信号。
2.1UWB首要方针
频率规模：3.1-10.6GHz；
体系功耗：1-4mW；
脉冲宽度：0.2-1.5ns，重复周期：25ns-1ms；
发射功率：＜-41.3dBm/MHz；
数据速率：几十到几百Mbit/s；
分化多路径时延：≤1ns；
多径式微：≤5dB；
体系容量：大大高于3G体系；
空间容量：1000kB/m²。
3、UWB的关键技能
3.1脉冲信号的发生
从本质上讲，发生脉冲宽度为纳秒级(10-9s)的信号源是UWB技能的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特色：一是鼓励信号的波形为具有峻峭前后沿的单个短脉冲，二是鼓励信号包含从直流到微波的很宽的频谱。现在发生脉冲源的两类办法为：(1)光电办法，根本原理是运用光导开关的峻峭上升/下降沿取得脉冲信号。由激光脉冲信号激起得到的脉冲宽度可到达皮秒(10-12s)量级，是最有开展前景的一种办法。(2)电子办法，根本原理是运用晶体管PN结反向加电，在雪崩状况的导通瞬间取得峻峭上升沿，整形后取得极短脉冲，是现在运用最广泛的计划。受晶体管耐压特性的约束，这种办法一般只能发生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以到达1ns以下，实践通讯中运用一长串的超短脉冲。
3.2UWB的调制及多址办法
3.2.1调制办法
UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度约束，因而在两个方面影响调制办法的挑选：一是关于每比特能量调制需求供给最佳的误码功能；二是调制计划的挑选影响了信号功率谱密度的结构，因而有可能把一些额定的约束加在传输功率上。
在UWB中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉冲传递不同的信息，也可以运用多个脉冲传递相同的信息。
(1)单脉冲调制
关于单个脉冲，脉冲的起伏、方位和极性改动都可以用于传递信息。适用于UWB的首要单脉冲调制技能包含：脉冲起伏调制(PAM)、脉冲方位调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制TH/DS-BPSK等。
PAM是经过改动脉冲起伏的巨细来传递信息的一种脉冲调制技能。PAM既可以改动脉冲起伏的极性，也可以仅改动脉冲起伏的绝对值巨细。一般所讲的PAM只改动脉冲起伏的绝对值。BPM和OOK是PAM的两种简化办法。BPM经过改动脉冲的正负极性来调制二元信息，一切脉冲起伏的绝对值相同。OOK经过脉冲的有无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间距离是固定不变的。实践上，咱们也可以经过改动发射脉冲的时间距离或发射脉冲相关于基准时间的方位来传递信息，这便是PPM的根本原理。在PPM中，脉冲的极性和起伏都不改动。
PAM、OOK和PPM一起的长处是可以经过非相干检测康复信息。PAM和PPM还可以经过多个起伏调制或多个方位调制进步信息传输速率。可是，PAM、OOK和PPM都有一个一起的缺陷：经过这些办法调制的脉冲信号将呈现线谱。线谱不只会使UWB脉冲体系的信号难以满意必定的频谱要求(例如，FCC关于UWB信号频谱的规则)，并且还会下降功率的运用率。
就上述5种调制办法而言，归纳考虑可靠性、有用性和多址功能等要素，现在广泛受重视的是后两种调制办法？？TH-PPM和TH/DS-BPSK。两者的差异在于当选用匹配滤波器的单用户检测状况下，TH/DS-BPSK的功能要优于TH-PPM。而对TH/DS-BPSK而言，在速率较高时，应优先挑选DS-BPSK办法；速率较低时，因为TH-BPSK受远近效应的影响较小，应挑选TH-BPSK办法。在选用最小均方差错(MMSE)检测办法的多用户接纳机运用状况时，两者不同不大；但在速率较高时，TH/DS-BPSK的功能仍是要优于TH-PPM体系。而BPM则可以防止线谱现象，并且是功率功率最高的脉冲调制技能。关于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线体系，为了取得更好的通讯质量或更高的通讯容量，BPM是一种比较抱负的脉冲调制技能。
(2)多脉冲调制
实践上，为了下降单个脉冲的起伏或进步抗搅扰功能，在UWB脉冲无线体系中，往往选用多个脉冲传递相同的信息，这便是多脉冲调制的根本思想。
当选用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么，多脉冲调制进程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制；第二步为每组脉冲作为全体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲一般选用PPM或BPM调制；在第二步中，每组脉冲作为全体一般可以选用PAM、PPM或BPM调制。一般把第一步称为扩谱，而把第二步称为信息调制。因而在第一步中，把PPM称为跳时扩谱(TH-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的起伏和极性，但具有不同的时间方位；把BPM称为直接序列扩谱(DS-SS)，即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间距离和相同的起伏，但具有不同的极性。在第二步中，依据需求传输的信息比特，PAM一起改动每组脉冲的起伏，PPM一起调理每组脉冲的时间方位，BPM一起改动每组脉冲的极性。这样，把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技能：TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SS PAM、TH-SS BPM和DS-SS BPM等。
多脉冲调制不只可以经过进步脉冲重复频率来下降单个脉冲的起伏或发射功率，更重要的是，多脉冲调制可以运用不同用户运用的SS序列之间的正交性或准正交性完成多用户搅扰按捺，也可以运用SS序列的伪随机性完成窄带搅扰按捺。
在多脉冲调制中，运用不同SS序列之间的正交性，还可以经过一起传输多路多脉冲调制的信号来进步体系的通讯速率，这样的技能一般被称为码分复用(CDMA)技能。在2004年的世界信号处理会议上提出了一种特别的CDM体系？？无载波的正交频分复用体系(CL-UWB/OFDM)。这种多脉冲调制技能可以有用地按捺多路数据之间的搅扰和窄带搅扰。
3.2.2多址办法
在UWB体系中，多址接入办法与调制办法有密切联系。当体系选用PPM调制办法时，多址接入办法多选用跳时多址；若体系选用BPSK办法，多址接入办法一般有两种：直序办法和跳时办法。依据上述两种根本的多址办法，许多其他多址办法连续被提出，首要包含以下几种。
(1)伪混沌跳时多址办法(PCTH)
PCTH依据调制的数据，发生非周期的混沌编码，用它代替TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，操控短脉冲的发送时间，使信号的频谱发生改动。PCTH调制不只能削减对现有的无线通讯体系的影响，并且更不易被检测到。
(2)DS-BPSK/TH混合多址办法
此办法在跳时(TH)的根底之上，经过直接序列扩频码进一步削减多址搅扰，其多址功能优于TH-PPM，与DS-BPSK适当，但在完成同步和抗远近效应方面，具有必定的优势。
(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址办法
此办法的特色是：打破TH-PPM多址办法中选用随机跳时码的惯例思路，运用具有特别结构的固定跳时码，削减不同用户脉冲信号的磕碰概率。即便有磕碰发生时，运用直接序列扩频的伪随机码的特性，也可以进一步削弱多址搅扰。
此外，因为UWB脉冲信号具有极低的占空比，其频谱可以到达GHz的数量级，因而UWB在时域中具有其他调制办法所不具有的特性。当多个用户的UWB信号被规划成不同的具有正交波形时，依据多个UWB用户时域发送波形的正交性，以区别用户，完成多址，这被称之为波分多址技能。
3.3天线的规划
可以有用辐射时域短脉冲的天线是UWB研讨的另一个重要方面。UWB天线应该到达以下要求：一是输入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超宽频带不变特性。即要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量散布的首要频带上坚持一致，以确保信号的有用发射和接纳。
关于时域短脉冲辐射技能，前期选用双锥天线、V-锥天线、扇形偶极子天线，这几种天线存在馈电难、辐射功率低、收发耦合强、无法丈量时域方针的特性，只能用作单收发用处。跟着微波集成电路的开展，研发出了UWB平面槽天线，它的特色是能发生对称波束、可平衡UWB馈电、具有UWB特性。因为运用光刻技能，可以制成毫米、亚毫米波段的集成天线。
3.4收发机的规划
与传统的无线收发信机结构比较，UWB收发信机的结构适当简略，如图2所示。传统的无线收发信机大多选用超外差式结构；UWB收发信机选用零差结构，在接纳端，天线搜集的信号经扩大后经过匹配滤波或相关接纳机处理，再经高增益门限电路康复本来信息。现代数字无线技能常选用数字信号处理芯片(DSP)的软件无线电来发生不同的调制办法，这些体系可逐渐下降信息速率以在更大的规模内衔接用户。UWB的一大长处是，即便最简略的收发信机也可选用这一数字技能。
4、UWB面对的应战
尽管UWB技能有其特有的长处，可是它的广泛运用依然还面对许多应战，还有许多技能问题需求研讨处理：
(1)需求更好地了解UWB传达信道的特色，树立信道模型，处理多经传达等问题；
(2)前向纠错编码的规划、低复杂度的信道补偿算法、快速捕获和同步办法、容量剖析；
(3)需求进一步研讨高速脉冲信号的生成、处理等技能；
(4)高速脉冲收发电路的规划与完成，如高精度的匹配滤波、UWB天线、板上微操控器噪声的处理等；
(5)研讨新的调制技能，进一步下降收发机结构的复杂度；
(6)多址计划的研讨和规划，如TH-CDMA、DS-CDMA或CSMA等；
(7)接纳时每个脉冲方位的检测精度；
(8)研讨它与GPS等其他无线通讯技能的搅扰问题；
(9)在定位运用中还需求研讨方位测定技能等。
5、结束语
UWB作为民用仍是一项新技能，跟着该技能不断走向商业化，信任上述问题必定可以得以处理。因为它在无线通讯方面的立异性和利益性，因而UWB在商业多媒体设备和个人网络，特别是信息家电方面具有很大的市场潜力。
