【IT168 专稿】随着无线网络技术的发展和逐步走向成熟，各种无线传输技术也蓬勃发展，从无线传输技术的发展来看，总是从低层走向高层，从低速走向高速，从低安全性走向高安全性。在短距离无线技术上，最近几年跟热门，应用也较为广泛的是红外线技术、蓝牙技术等，但是此两种技术由于标准与频段的划分，使得他们都或多或少的有一些致命的弱点，包裹速度及应用在内。随着网络技术的发展和人们对技术、对网络速度的要求的提高，红外线技术和蓝牙技术都逐步暴露出其不足之处。
UWB技术概述
超宽带（UWB）技术其实也有几十年的发展历史了，它起源于上个世纪60年代，直到1989年美国国防部才使用“超宽带”这一术语。这项技术最初用于军事目的，比如透地精密雷达和保密通信，过去几年间开始进入商业应用开发。
2002年2月，美国联邦通信委员会（FCC）批准了UWB运用于商业通信，工作在3.1-10.6GHz的免授权频谱，这一举措有力地推动了UWB的发展。根据FCC的定义，超宽带系统的最小-10dB相对带宽为0.2，或者占有带宽超过500MHz，但是FCC没有规定具体的调制方案。冲激无线电（Impulse Radio，IR）是最有希望的超宽带技术之一。
IR信号由极窄的脉冲串组成，这些脉冲在时间上伪随机出现。伪随机性依靠跳时码实现，跳时码的作用是让发射信号随机化，有利于用户分隔和谱成形，以避免窃听。信号的调制方式可以用脉冲幅度调制（PAM）或脉冲位置调制（PPM）。为了确保低成本的超宽带设备，所有脉冲都具有同一波形。因其有高数据速率、低功耗、低成本、能有效对抗多径效应、设计简单等优点，受到研究者和从业者的重视。
超宽带是一种无线技术，其英文为Ultrawideband，它在一个宽范围的射电频谱上发射低功率信号。与工作于相对较窄带宽的常规无线制式不同，超宽带通过发射一系列的极窄而且低功率的脉冲信号，工作于一个宽范围的频谱上。较宽的频谱和较低的功率以及脉冲化的数据，意味着超宽带产生的干扰比普通窄带无线解决方案更少，在室内无线环境下，其性能可与有线传输媲美。这使得超宽带在多媒体内容越来越多的消费电子应用中成为理想的技术。
有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。不过，到今天为止，国际上还没有一个关于UWB的统一标准，由于各个支持者所使用的一些技术细节的不一致，所以就出现了多个标准并存的局面，但我们相信，随着技术和市场的完善，最终其标准也将统一化。
UWB技术在传输数度方面，无疑是非常的。相比于其它技术，UWB在前8米内的网络连接速度显然是惊人的，差不多是IEEE802.11a的10倍。不过随着距离的不断延伸，UWB的网络连接速度急剧下降，距离成为影响UWB的唯一限制。在一些测试之中，UWB可以使个人电脑(PC)和其它设备的数据下载速度达到每秒1Gb，这一数字大约是Wi-Fi标准的18.5倍。其最高上传数据传输率也能达到每秒480Mb的速度。未来人们在使用基于UWB技术的高速应用软件时，但由于技术标准的的限制，其有效距离最长不得超过10米。
UWB的工作原理
UWB是新一代的无线电通信技术，其中心频率至少达到500MHz。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率都将作为通信设备所使用的频率范围。但为了确保现在已经使用这一频段的用户不受到干扰，UWB的发射功率将会有所限制。值得注意的是，户内信号要比户外信号有更大程度上的衰减。
UWB技术的工作原理不同于传统无线通信技术。它是用发送脉冲信号来传送声音和图像的，每秒可发送最多10亿个代表0和1的脉冲信号，这些信号被分散在一个很宽的波谱范围内，在任何一个频段，UWB脉冲信号的功率都十分低，几乎可以将它们看作背景噪音，因而不会对其他信号产生任何影响，既不会影响手提电话通话，也不会影响广播。
UWB不同于以前的窄带技术，在信号的传输过程中通过信号频率或多信号频率的传输波来进行信号调制。超宽带的传输将会把调制信息过程放在一个非常宽的频率带上面进行，并且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。UWB还提供了一些比窄带技术更优越的功能，其中最主要的不同在于通道容量的重新确定。通道容量的大小直接关系到在RF带中信息传输的快慢，因此非常重要。通道容量的极限方程式表明增加通道容量的同时要线性增加带宽。
UWB的关键技术
由于超宽带无线接入系统的辐射信号具有超宽频带和极低功率谱密度两大特点，这对超宽带无线系统接收系统性能要求非常高，UWB高性能接收的技术尤为关键，我们现在从其主要的三个方面来看：
首先，在UWB信号的调制上，实现超宽带通信的首要任务是产生UWB信号，目前较成熟的UWB通信信号有两种：时间调制(TM )UWB和直接序列相位编码(DSC)UWB。TM—UWB 采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波形，可以将能量扩展到很宽的频带内。
脉冲由专用宽带天线，以每秒几十兆至几百兆赫兹的高速率发射, 这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布。进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲进行时间编码形成多个信道，实现多址通信。直接序列相位编码UWB采用一种以Gbit/s速率发射的高占空比宽带脉冲相位编码序列。脉冲序列以数百Mbit/s的速率对数据进行编码，多个编码脉冲表示一个比特，编码增益能提供抗多种干扰能力，在短距离范围内，DSC-UWB能提供极高的数据率。
UWB波形的扩频带宽是直接产生的，脉冲持续时间相对脉冲间隔很短,波形的占空比为很小的百分数，峰平比很大。此外UWB脉冲比传统无线信号更加难以探测，TM—UWB系统在多个成对配置的接收机和发射机之间，采用一种独特的时序编码在整个超宽带内每秒发射数百万个低于噪声级的编码脉冲。这些传输采用极低的发射功率，提供了一种难以被探测和截听的安全传输模式，而且由于波形持续时间极短，更易于实现多用户通信中的分组突发传输。
其次，在信号的快速捕获、同步与检测方面，同扩频通信系统一样，超宽带通信系统也存在接收捕获与同步问题。由于UWB系统是传输ns或亚ns级的窄脉冲，而且数据传输速率可达上百Mbps，因此对超宽带通信系统的捕获和同步要求非常苛刻。具体而言，UWB信号的捕获分成频率同步、脉冲同步、码同步、帧同步等不同过程，现有的研究主要通过优化的捕获策略、导频机制和后级信号处理，加速捕获过程，提高捕获精度。
超宽带通信系统的接收端接收到的极窄脉冲信号具有频谱极宽、能量微弱的特点，因此高性能的极窄脉冲检测技术是实现超宽带通信系统的难点。极窄脉冲检测技术有非相干和相干两类，对超宽带信号的接收一般采用相干接收方式，即选用与发射信号相对应的本地模板信号与接收信号进行相关的方法。受UWB密集多径传播特性的影响，接收到的超宽带信号能量分散于各多径路径之中。为提高信号能量的检测概率，现有研究大多采用多径信道估计和多径能量的分集接收，同时考虑通过分析多径分量参数分布、合并算法、系统开销等因素优化现有的多径分集接收技术。
最后，在天线的设计上，能够有效辐射时域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。UWB天线应该达到以下要求：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分布的主要频段上保持一致，以保证信号的有效发射与接收。对于时域短脉冲辐射技术，早期采用双锥天线，V—锥天线，扇形偶极子天线，这几种天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标的特性，只能用作单收发用途。随着微波集成电路的发展，研制出了UWB平面槽天线，它的特点是能产生对称波束、可平衡UWB馈电、具有UWB特性。并且可利用光刻技术，将其制成毫米、亚毫米波段的集成天线。
UWB技术的优点
UWB是一种低功率的无线电技术，指的是信号相对带宽(即信号带宽与中心频率之比)大于25%或绝对带宽大于500MHz，并使用指定的3.1GHz～10.6GHz频段的通信方式。下面就UWB技术的主要优点进行一些讲解：
首先，抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802.11a、11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
其次，占用带宽大和传输速率高。UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。UWB的数据传输速率可以达到几十到几百Mbit／s，有望高于蓝牙100倍，同时也高于IEEE802.11a和11b。
其三，保密性强。在短距离应用中，UWB发射机的发射功率通常可做到低于1mW，使UWB系统与同频段的现有窄带通信系统保持良好共存性，还使得UWB信号隐蔽性好，不易被截获，保密性高。
第四，消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时要连续发射载波，因此，要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以，消耗电能小。
第五，抗多径衰落。由于UWB采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨力都很强，因此系统的多径分辨率极高，窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物的能力，例如墙壁和地板，因此UWB具有比红外通信更为广泛的应用。
第六，无载波的基带通信。传统的UWB技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，由此带来的好处是设备的功耗小、成本低、灵活性高，适合于便携型无线应用。
最后，发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小，通信设备用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小。
UWB技术与其他传统的无线通信技术相比较，UWB传输速率高，通信距离短，平均发射功率低，多径分辨率极高，适合于便携型应用。因为其优势明显，Intel、Sony、飞思卡尔等公司正在进行UWB无线设备的开发与推广，并且各大运营商也正在努力支持UWB技术的发展。
写在最后
超宽带建立在低能量无线电信号基础上，采用短脉冲(pulses)，每秒能发出几百万个电子脉冲，达到大量信息传输的效果，也能通过电波反射，探查物体实况，其应用层面极其广泛。用作小型无线局域网；联系家居视听电子器材；作端对端流动通讯；扫描物体内部影像；点算货品库存；防止交通意外事故等。
UWB可用于数字电视、投影机、摄录一体机、PC机、机顶盒之间传输可视文件和数据流，或者笔记本电脑和外围设备之间实现局部连接构成个人局域网（PAN）。超宽带是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线技术，同时能够穿透墙壁等障碍物。事实上，超宽带无线技术一度被称为“注射了兴奋剂的蓝牙”。因为在短距离内实现无线连接的超宽带技术是设计用来代替线缆的，但是它能提供比蓝牙高得多的带宽，并且能以极低功率支持多媒体数据流的传输。再有，由于超宽带技术能互通相关距离和位置，它还可以用作跟踪设备、存储器或其他设备。
由于UWB技术在速度及其他方面都有很大的优势，虽然其传输速度与距离的远近成反比，但随着技术的逐渐完美，我们相信其限制的距离将会越来越远，适应的范围也回越来越广。对于UWB技术在未来的应用，我们将拭目以待，我们相信UWB技术会有美好的明天，也会为我们的生活带来无尽的方便。
