淺談超寬帶技術(shù)的研究與應(yīng)用

張喆 扈海濱

【摘 要】通過對(duì)超寬帶技術(shù)概念和特點(diǎn)的說明，以及對(duì)目前國內(nèi)外超寬帶技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r的介紹，增強(qiáng)了廣大的科研人員、學(xué)者及愛好者對(duì)超寬帶技術(shù)的認(rèn)識(shí)，揭示了我國在超寬帶技術(shù)發(fā)展過程中所面臨的形勢(shì)，以及所處的角色和地位，為進(jìn)一步促進(jìn)超寬帶技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)我國信息化的進(jìn)一步建設(shè)起著促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】超寬帶技術(shù)；UWB；高速短距離通信；高速無線傳輸

1.超寬帶技術(shù)研究

1.1超寬帶技術(shù)概述

超寬帶（Ultra-Wide-band以下簡稱UWB）技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖擊脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，是信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬。超寬帶技術(shù)解決的困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題。它具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)，在短距離無線通信領(lǐng)域具有巨大潛力。并且由于UWB是對(duì)現(xiàn)在已被占用的頻率資源的重用，因而可以緩解目前日趨緊張的頻帶資源需求。目前，基于UWB的技術(shù)主要應(yīng)用于高速短距離通信、雷達(dá)和精確定位等領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于Channel Sounding或者測(cè)量無線信道的沖擊響應(yīng)。此外，UWB也非常適合室內(nèi)密集多徑傳輸環(huán)境下的高速無線傳輸。

1.2超寬帶技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1共享頻譜。

美國聯(lián)邦通信委員會(huì)對(duì)超寬帶系統(tǒng)所要求的-41.3dB/MHz等價(jià)于75nW/MHz，將它們歸入非蓄意輻射體范疇，諸如電視和計(jì)算機(jī)顯示器。這樣的功能限制使得超寬帶系統(tǒng)存在于典型的窄帶接收機(jī)的噪聲底線之下，并且使得超寬帶信號(hào)以最小或者沒有干擾的方式與當(dāng)前的無線業(yè)務(wù)共存。然而，這些都取決于超寬帶系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制類型。

1.2.2大信道容量。

對(duì)超寬帶脈沖而言，大帶寬的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)就是信道容量的提高。信道容量或者數(shù)據(jù)速率，被定義為在每個(gè)通信信道上每秒通信所能發(fā)射的最大數(shù)據(jù)量。

1.2.3低信噪比下工作。

超寬帶通信系統(tǒng)能夠在具有低信噪比的苛刻通信信道中工作，并且由于其大的帶寬而仍舊保證大的信道容量。

1.2.4低截獲和檢測(cè)概率。

超寬帶系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)和截獲具有先天的免疫能力。正是由于這種低發(fā)射功率，竊聽者必須非?？拷l(fā)射機(jī)（大約1m）才能檢測(cè)到發(fā)射信息。此外，超寬帶脈沖對(duì)每一對(duì)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)而言，在時(shí)域用唯一的碼進(jìn)行調(diào)制。非常窄的脈沖進(jìn)行時(shí)域的調(diào)制增加了超寬帶通信的安全性，因?yàn)槿舨恢赖竭_(dá)的時(shí)刻來檢測(cè)皮秒級(jí)的脈沖幾乎不可能。因此，超寬帶系統(tǒng)使得獲得高度的安全、低截獲和檢測(cè)概率（LPI/D）的通信能得到保證，這些對(duì)于軍事通信而言是很重要的。

1.2.5抗干擾。

與明確定義的窄帶頻譜不同，超寬帶頻譜覆蓋了很寬的頻率范圍，從幾近直流到幾個(gè)吉赫茲，為超寬帶信號(hào)保證了很高的處理增益。處理增益（PG）是對(duì)無線通信系統(tǒng)抗干擾能力的度量，并且被定義為信號(hào)的射頻帶寬與信息帶寬之比。

1.2.6多徑信道中的高性能。

被稱之為多徑的現(xiàn)象在無線信道中是不可避免的。盡管短的持續(xù)時(shí)間使得超寬帶脈沖與窄帶信號(hào)相比其對(duì)多徑效應(yīng)不那么敏感，但是這并不意味著超寬帶通信對(duì)多徑真能夠完全避免。對(duì)超寬帶信號(hào)模型的研究表明，低功率的超寬帶脈沖在密布有大量物體和散射體的室內(nèi)信道中會(huì)有嚴(yán)重的失真，其程度取決于使用的超寬帶調(diào)制方案。

1.2.7超強(qiáng)的穿透特性。

與窄帶技術(shù)不同，超寬帶系統(tǒng)能夠有效地穿透不同的材料。在范圍寬廣的超寬帶頻譜中所包含的低頻成分為長波，它使得超寬帶信號(hào)能夠穿透多種材料（包括墻）。該特性使得超寬帶信號(hào)適用于穿透墻的通信系統(tǒng)以及穿透地的雷達(dá)。然而僅當(dāng)其頻譜包含有無線頻譜的低頻部分時(shí)，超寬帶信號(hào)的材料穿透能力才有用。

2.超寬帶技術(shù)應(yīng)用

2.1超寬帶技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用

早在“十五”863計(jì)劃中，就把超寬帶無線通信兼容性技術(shù)及其核心技術(shù)共存問題，作為無線通信創(chuàng)新技術(shù)和共性技術(shù)的研究內(nèi)容，以此來加強(qiáng)國內(nèi)對(duì)這方面研究的深入。我國對(duì)UWB技術(shù)的研究已經(jīng)蓬勃興起，而且在雷達(dá)系統(tǒng)方面對(duì)超寬帶系統(tǒng)有了較為深入的研究。這對(duì)于爭取在無線通信的研究方面取得世界領(lǐng)先地位，開發(fā)出具有中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和系統(tǒng)等，具有重要的政治效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2超寬帶技術(shù)在國外的應(yīng)用

很多國家的政府都積極地引導(dǎo)對(duì)UWB技術(shù)和應(yīng)用的研究，這些研究涉及超寬帶信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)送、傳播、接收及檢測(cè)、組網(wǎng)、應(yīng)用等諸多方面。

2.2.1軍用方面。

早在1965年美國就確立了UWB的技術(shù)基礎(chǔ)。在后來的二十年內(nèi)，UWB技術(shù)主要用于美國的軍事應(yīng)用，其研究機(jī)構(gòu)僅限于軍事相關(guān)聯(lián)的企業(yè)及研究機(jī)關(guān)、團(tuán)體。目前，美國國防部正開發(fā)幾十種UWB系統(tǒng)，包括戰(zhàn)場(chǎng)防竊聽網(wǎng)絡(luò)等。

2.2.2民用方面。

由于超寬帶技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，使其在無線通信方面具有很大的潛力，近幾年來國外對(duì)UWB信號(hào)應(yīng)用的研究比較熱門，主要用于通信（如家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，公路信息服務(wù)系統(tǒng)和無線音頻、數(shù)據(jù)和視頻分發(fā)等）、雷達(dá)（如車輛及航空器碰撞/故障避免，入侵檢測(cè)和探地雷達(dá)等）以及精確定位（如資產(chǎn)跟蹤、人員定位等）。索尼、時(shí)域、摩托羅拉、英特爾、戴姆勒—克萊斯勒等高技術(shù)公司都已涉足UWB技術(shù)的開發(fā)，將各種消費(fèi)類電子設(shè)備以很高的數(shù)據(jù)傳輸率相連，以滿足消費(fèi)者對(duì)短距離無線通信小型化、低成本、低功率、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫蟆?/p>

2.2.3國際學(xué)術(shù)界。

其對(duì)超寬帶無線通信的研究也越來越深入。2002年5月IEEE舉辦了一期會(huì)議，專門討論UWB技術(shù)及其應(yīng)用。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）正式通過了將UWB技術(shù)應(yīng)用于民用的議案，定義了三種UWB系統(tǒng)。即：成像系統(tǒng)、通信與測(cè)量系統(tǒng)、車載雷達(dá)系統(tǒng)，并對(duì)三種系統(tǒng)的EIRP（全向有效輻射功率）分別作了規(guī)定。

超寬帶技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)登上了信息化發(fā)展的歷史舞臺(tái)。今后哪些國家或者機(jī)構(gòu)團(tuán)體能夠率先引領(lǐng)超寬帶技術(shù)發(fā)展潮流，無疑在信息化領(lǐng)域的建設(shè)中具有具足輕重的作用，而且必將獲得豐厚的科技、經(jīng)濟(jì)、政治收益。對(duì)超寬帶技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，對(duì)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展信息化及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，對(duì)于進(jìn)一步改善我國人民群眾的生活水平，以及提高我國在世界科技領(lǐng)域的地位具有重要的作用和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）法拉納克·尼庫加著.任品毅等譯.超寬帶通信原理及應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.09.

[2]王金龍.無線超寬帶（UWB）通信原理與應(yīng)用[H].北京：人民郵電出版社.2005.11.

[3]曾照華.無線超寬帶通信原理及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[J].電力系統(tǒng)通信.2007.01.

[4]Ioannis Broustis， Srikanth Krishnamurthy， Michalis Fa.Loutsos， et al. A Multiband MAC Protocol for Impulse based UWB Ad Hoe Networks[R].2005.09.

[5]譚敏超，田振麗.超寬帶——下一代的無線技術(shù)[M].前沿技術(shù).2005.

[6]蘇理云，龐武. 超寬帶無線技術(shù)——短距離無線通信的前沿技術(shù).2005.

[7]何非常，軍事通信——現(xiàn)代戰(zhàn)爭的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).電子技術(shù).2000.