UWB技术分析及应用

摘要 超宽带（UWB）无线技术是一种使用1GHz以上带宽的先进的无线通信技术，IEEE802委员会也已将UWB作为个人区域网（PAN）的基础技术候选对象来探讨，可以预见该技术在即将繁荣的B3G市场中得到广泛应用。文章对UWB技术的系统模型、关键技术作了简单论述，对于UWB技术的应用及挑战作了简要介绍。

1、UWB技术的发展

超宽带（UWB）无线技术是一种使用1GHz以上带宽的先进的无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百Mbit/s以上。作为室内通信用途，2002年美国联邦通信委员会（FCC）已经将3.1G～10.6GHz频带向UWB通信开放；IEEE802委员会也已将UWB作为个人区域网（PAN）的基础技术候选对象来探讨。

UWB信号的宽频带、低功率谱密度的特性，决定了其以下优势：a）易于与现有的窄带系统，如全球定位系统（GPS）、蜂窝通信系统、地面电视等共用频段，大大提高了频谱利用率。b）易于实现多用户的短距离高速数据通信。c）对多径衰落具有鲁棒性。

适合UWB技术的实际应用方案主要包括：高速无线个域网、无线以太接口链路、智能无线局域网、户外对等网络、传感、定位和识别网络。

目前国际上占主要地位的UWB设计方案主要有直接序列DS-UWB方案和多载波OFDM-UWB方案。DS-UWB是基于脉冲的UWB方案，发射信号占用整个1.7GHz的频段；OFDM-UWB是基于多载波的UWB方案，采用OFDM技术传输子带信息。

现在缺乏统一的标准限制了UWB的发展，以英特尔和摩托罗拉为首的两派各自提出了UWB的标准草案，IEEE尚未决定采用哪家的草案作标准。

2、UWB无线传输系统模型

由于现在还没有形成行业标准，UWB系统有多种实现方式，各个研究机构在不断提交不同的标准提案。不管怎样，UWB无线传输系统的基本模型如图1所示。

图1 UWB系统基本模型

可以看出，该模型与普通的数字通信系统具有明显差别，主要体现在UWB系统没有了射频调制模块，信道编解码也变得相当简单，所以整个系统非常简单，成本也很低。

图2和图3则描述了一个跳时UWB系统（TH-UWB）的典型收、发机模型[1]。

在图2中，输入二进制数据流多路分解为约110Mbit/s的子数据流，每个数据子流由码率1/2卷积编码。然后这些数据流用来调制由脉冲产生器产生的时间偏移脉冲的相位（相当于BPSK）。同时时间偏移脉冲的相位也由伪随机序列调制。在该系统中利用了脉冲序列“不规则极性”性质来削减频谱的振幅，以在满足FCC的频谱要求的同时提高总发射功率。

图2 TH-UWB发射机模型

图3为接收机模型。在接收机中利用已知的训练序列用来获取定时信息，然后进行信道估计，以确定RAKE接收机和均衡器的系数。

图3 TH-UWB接收机模型

3、UWB无线传输的关键技术

对UWB技术的研究主要围绕以下几方面展开：可控窄脉冲产生技术、传播特性与信道模型、调制技术、多址技术、信号检测技术、天线技术等。本文仅就窄脉冲产生技术和天线技术展开论述。

3.1可控窄脉冲产生技术

UWB系统的性能在很大程度上依赖于脉冲信号功率谱密度的平坦性和功率谱覆盖范围，而功率谱的形状又取决于脉冲信号的形状。因此，脉冲信号的设计和产生显得尤为重要。

为了使发射天线高效辐射功率，在UWB-IR通信系统中所用的脉冲必须具有一个特征，即脉冲的直流分量为零。假设UWB脉冲时域波形及其频谱分为x（t）、X（f），根据Parseval定理应有[2]：

（1）

现在UWB脉冲用的最多的是高斯单循环脉冲，虽然高斯脉冲并不是最佳的信号（不满足（1）式），但是由于其很容易产生，所以并不影响其现实应用。单循环脉冲是宽带信号，中心频率和带宽完全取决于脉冲宽度。高斯单循环脉冲的时域表达式为：

（2）

式中：T为脉冲宽度。

高斯单循环脉冲的频域表达式为：

V（f）=-j×f×T2×exp（-f2T2）（3）

传统的UWB脉冲形成方案是采用分立元件，如阶跃恢复二极管（SRD）、扼流圈，这些器件的问题在于难以集成化。互补金属氧化物半导体（CMOS）器件在集成度上显然是很好的选择，现在基于CMOS的集成UWB芯片也已经问世。

一种获得UWB窄脉冲的简单方法是采用振荡器产生门脉冲[3]，振荡器的中心频率决定了脉冲的中心频率和门脉冲持续时间。这种方法的问题在于，产生的是矩形脉冲，必须滤除旁瓣。还有一种三角波对上述矩形脉冲调制的电路，这种脉冲旁瓣衰减系数达20dB。

3.2宽带天线技术

天线是任何无线系统物理层的重要组成部分，适合UWB应用的天线理论的发展是必要而且重要的。然而，通常的天线频域分析证明任何标准的天线都是受带宽限制的，这意味着UWB的短脉冲波形在信道中必然遭受畸变。而所谓的不受频率限制的天线也是在假设其天线几何特性的理想性下，只具有理论意义。由于超宽带信号占据极宽的频带，必须考虑兼顾不同频率的信号，对天线的设计方法不能用窄带天线设计方法。现在UWB天线设计还处于研究阶段，没有形成有效的统一数学模型。

对于不同的频率，天线有不同的辐射特性，超宽带天线在很宽的频带上很难有一致的好的匹配阻抗。宽带天线对辐射信号的影响如下：a）微分作用：如果用一个高斯脉冲激励宽带天线，那么将辐射出一个单周期的高斯一次微分信号。b）频谱搬移作用：由于微分作用的结果，传输信号的频谱将向中心频率更高的频谱搬移。c）抽样速率提高：由于频谱向高频率搬移，将会影响到收端的抽样速率。

UWB天线通常有：单极、双极、电磁环、等角螺旋、螺旋、碟-锥形等。这些天线都具有宽带的电压驻波比（VSWR）。

参考资料[4]介绍了一种微带缝隙天线，尺寸结构如图4所示，该种天线具有紧凑的尺寸，良好的辐射特性。

图4 微带缝隙天线结构示意图

对于不同的W和S尺寸，天线具有不同的特性。典型的参数取值见表1。

表1 天线尺寸选择

根据表1的数据通过仿真[4]，可以看出，虽然在H面的高频部分有一定偏差，但这种结构天线在很宽的频域（从低频到10GHz以上）还是具有较一致的辐射特性。这种天线在宽频带内具有较好的增益，在W=0.8mm时，VSWR＜2.2（S11＜-8.5dB）。可见，该天线对超宽带信号具有良好的辐射特性。

4、结束语

虽然UWB在短距离的无线通信领域有巨大的发展前景，但目前国际上尚未确立统一的UWB商用体制标准，具体问题在于：

a）缺少确保UWB和其它系统共存的明确规定。由于UWB发射的宽带特性，它必然和同一频带内的其它窄带系统发生互相干扰。影响UWB对其它系统影响的因素很多，如：发射功率、设备间的隔离、信道传播特性、调制技术、发射功率、脉冲重复频率等，制定合理的UWB技术规范必须综合考虑这些问题。

b）尚未形成成熟的有UWB信号支撑的物理层、网络层协议。成熟的物理层、网络层标准需要接收技术、同步技术、信道编码技术、调制技术、物理层及网络层的优化策略等多项成熟技术的联合支撑。所以，UWB技术的成熟和商用仍面临许多挑战，这有待业界的共同努力来推动。

参考文献

1A F Molisch，et al..Mitsubishi Electric’S Time-Hopping Impulse Radio standards proposal.http：//grouper.ieee.org/roups/802/15/pub/2003/May03/03112r2P802-15_TG3a-Mitsubishi-CFP-Document.doc.

2J T Conroy，J L LoCicero，D R Ucci.Communication Techniques using Monopulse Waveforms[J].Proceeding of IEEE MILCOM’99，1999，2(4)：l191～1185.

3Y H Choi.Gated UWB pulse signal generation.In IEEE Joint International Workshop of UWBST and IWUWBS，pages122-124，May 2004.

4S Sadat，M Fardis，etc.A Compact Microstrip Square-ring Slot Antenna for UWB Applications.Progress In Electro-magnetics Research，PIER 67，173-179，2007.