UWB

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UWB（Ultra Wideband）

　　UWB是指一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。UWB能在10米左右的範圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢。

　　UWB一開始是使用脈衝無線電技術，此技術可追溯至19世紀。後來由Intel等大公司提出了應用了UWB的MB-OFDM技術方案，由於兩種方案的截然不同，而且各自都有強大的陣營支持，制定UWB標準的802.15.3a工作組沒能在兩者中決出最終的標準方案，於是將其交由市場解決。

　　UWB無線通信是一種不用載波，而採用時間間隔極短(小於1ns)的脈衝進行通信的方式

　　UWB是一種無載波通信技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈衝傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB能在10米左右的範圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。

　　抗干擾性能強，傳輸速率高，系統容量大發送功率非常小。UWB系統發射功率非常小，通信設備可以用小於1mW的發射功率就能實現通信。低發射功率大大延長系統電源工作時間。而且，發射功率小，其電磁波輻射對人體的影響也會很小，應用面就廣。

　　脈衝無線電

　　UWB也可稱為脈衝無線電

　　可追溯至19世紀。至今UWB還在爭論之中。UWB調製採用脈衝寬度在ns級的快速上升和下降脈衝，脈衝覆蓋的頻譜從直流至GHz，不需常規窄帶調製所需的RF頻率變換，脈衝成型後可直接送至天線發射。脈衝峰峰時間間隔在10 - 100 ps級。頻譜形狀可通過甚窄持續單脈衝形狀和天線負載特征來調整。UWB信號在時間軸上是稀疏分佈的，其功率譜密度相當低，RF可同時發射多個UWB信號。UWB信號類似於基帶信號，可採用OOK，對映脈衝鍵控，脈衝振幅調製或脈位調製。UWB不同於把基帶信號變換為無線射頻(RF) 的常規無線系統，可視為在RF上基帶傳播方案，在建築物內能以極低頻譜密度達到100 Mb/s數據速率。

　　為進一步提高數據速率，UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜，採用安全信令方法(Intriguing Signaling Method)。基於UWB的寬廣頻譜，FCC在2002年宣佈UWB可用於精確測距，金屬探測，新一代WLAN和無線通信。為保護GPS，導航和軍事通信頻段，UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低於41 dB發射功率。

　　不用載波

　　UWB無線通信是一種不用載波

　　採用時間間隔極短(小於1ns)的脈衝進行通信的方式，也稱做脈衝無線電( Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。與普通二進位移相鍵控(BPSK)信號波形相比，UWB方式不利用餘弦波進行載波調製而發送許多小於1ns的脈衝，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由於頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。

　　UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的範圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢，主要應用於室內通信、高速無線LAN、家庭網路、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領域。UWB技術最初是被作為軍用雷達技術開發的，早期主要用於雷達技術領域。2002年2月，美國FCC批准了UWB技術用於民用，UWB的發展步伐開始逐步加快。

　　與藍牙和WLAN等帶寬相對較窄的傳統無線系統不同，UWB能在寬頻上發送一系列非常窄的低功率脈衝。較寬的頻譜、較低的功率、脈衝化數據，意味著UWB引起的干擾小於傳統的窄帶無線解決方案，並能夠在室內無線環境中提供與有線相媲美的性能。UWB具有以下特點：

　　抗干擾性能強。UWB採用跳時擴頻信號，系統具有較大的處理增益，在發射時將微弱的無線電脈衝信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低於普通設備產生的雜訊。接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產生擴頻增益。因此，與IEEE802．11a、IEEE802．11b和藍牙相比，在同等碼速條件下，UWB具有更強的抗干擾性。傳輸速率高。UWB的數據速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，有望高於藍牙100倍，也可以高於IEEE802．11a和IEEE802．11b。

　　帶寬極寬。UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾個GHz。超寬頻系統容量大，並且可以和窄帶通信系統同時工作而互不幹擾。這在頻率資源日益緊張的今天，開闢了一種新的時域無線電資源。

　　消耗電能小。通常情況下，無線通信系統在通信時需要連續發射載波，因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波，只是發出瞬間脈衝電波，也就是直接按0和1發送出去，並且在需要時才發送脈衝電波，所以消耗電能小。

　　保密性好。UWB保密性表現在兩方面。一方面是採用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低，用傳統的接收機無法接收。

　　發送功率非常小。應用面就廣。

　　UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈衝間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈衝，超短時單周期脈衝決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈衝序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備複雜性。

　　UWB技術採用脈衝位置調製PPM單周期脈衝來攜帶信息和通道編碼，一般工作脈寬0.1-1.5ns (1納秒= 十億分之一秒)，重覆周期在25-1000ns。

　　調製前脈衝的平均周期和調製量δ的數值都極小。因此調製後在接收端需要用匹配濾波技術才能正確接收，即用交叉相關器在達到零相位差的時候就可以檢測到這些調製信息，哪怕信號電平低於周圍雜訊電平。為了進一步平滑信號頻譜，可以讓重覆時間的位置偏移量δ大小不一，變化隨機，同時也為了在共同的通道比如空中取得自己專用的通道，即實現通信系統的多址，可以對一個相對長的時間幀內的脈衝串按位置調製進行編碼，特別是採用偽隨機序列編碼。接收端只有用同樣的編碼序列才能正確接收和解碼。

　　UWB系統採用相關接收技術，關鍵部件稱為相關器（correlator）。相關器用準備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發生在脈衝持續時間內，間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內完成。相關器實質上是改進了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關器的輸出結果量度了接收到的單周期脈衝和模板波形的相對時間位置差。

　　值得註意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作於同一頻率的無線設備造成干擾。但是所有帶內的無線電信號都是對UWB信號的干擾，UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈衝位置調製以及相關解調技術來解決這一問題。

　　由於UWB與傳統通信系統相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點：

　　(1)系統結構的實現比較簡單：當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，載波的頻率和功率在一定範圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發送納秒級脈衝來傳輸數據信號。UWB發射器直接用脈衝小型激勵天線，不需要傳統收發器所需要的上變頻，從而不需要功用放大器與混頻器，因此，UWB允許採用非常低廉的寬頻發射器。同時在接收端，UWB接收機也有別於傳統的接收機，不需要中頻處理，因此，UWB系統結構的實現比較簡單。

　　(2)高速的數據傳輸：民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸範圍為10m以內，再根據經過修改的通道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/ s，是實現個人通信和無線區域網的一種理想調製技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，並且不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源，而是共用其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

　　(3)功耗低：UWB 系統使用間歇的脈衝來發送數據，脈衝持續時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數，系統耗電可以做到很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB 設備功率一般是傳統行動電話所需功率的1/ 100 左右，是藍牙設備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此，UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上，相對於傳統無線設備有著很大的優越性。

　　(4)安全性高：作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由於UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶範圍內，對一般通信系統，UWB 信號相當於白雜訊信號，並且大多數情況下，UWB 信號的功率譜密度低於自然的電子雜訊，從電子雜訊中將脈衝信號檢測出來是一件非常困難的事。採用編碼對脈衝參數進行偽隨機化後，脈衝的檢測將更加困難。

　　(5)多徑分辨能力強：由於常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大於多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由於超寬頻無線電發射的是持續時間極短的單周期脈衝且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈衝要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小於脈衝寬度與傳播速度的乘積。由於脈衝多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～ 30 dB 的多徑環境， 對超寬頻無線電信號的衰落最多不到5 dB。

　　(6)定位精確：衝激脈衝具有很高的定位精度，採用超寬頻無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。超寬頻無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視範圍之內； 與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈衝定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達釐米級， 此外，超寬頻無線電定位器更為便宜。

　　(7)工程簡單造價便宜：在工程實現上，UWB比其它無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈衝，並對脈衝產生調製，而這些電路都可以被集成到一個晶元上，設備的成本將很低。

　　由於UWB具有強大的數據傳輸速率優勢，同時受發射功率的限制，在短距離範圍內提供高速無線數據傳輸將是UWB的重要應用領域，如當前WLAN和WPAN的各種應用。總的說來，UWB主要分為軍用和民用兩個方面。

　　在軍用方面，主要應用於UWB雷達、UWBLPI/D無線內通系統（預警機、艦船等）、戰術手持和網路的PLI/D電臺、警戒雷達、UAV/UGV數據鏈、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體。民用方主要包括以下3個方面：地質勘探及可穿透障礙物的感測器；汽車防衝撞感測器等；家電設備及便攜設備之間的無線數據通信等。

　　UWB 技術多年來一直是美國軍方使用的作戰技術之一，但由於UWB 具有巨大的數據傳輸速率優勢， 同時受發射功率的限制， 在短距離範圍內提供高速無線數據傳輸將是UWB 的重要應用領域，如當前WLAN 和WPAN 的各種應用。此外，通過降低數據率提高應用範圍，具有對通道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、安全性高、系統複雜度低，能提供數釐米的定位精度等優點。

　　UWB 技術一個介於雷達和通信之間的重要應用是精確地理定位，例如使用UWB 技術的能夠提供三維地理定位信息的設備。該系統由無線UWB 塔標和無線UWB 移動漫游器組成。其基本原理是通過無線UWB 漫游器和無線UWB 塔標間的包突發傳送而完成航程時間測量，再經往返(或迴圈) 時間的測量值的對比和分析，得到目標的精確定位。此系統使用的是2.5 ns 寬的UWB脈衝信號，其峰值功率為4W，工作頻帶範圍為1. 3～1. 7 GHz ，相對帶寬為27 % ，符合FCC 對UWB 信號的定義。如果使用小型全向垂直極化天線或小型圓極化天線，其視距通信範圍可超過2 km。在建築物內部，由於牆壁和障礙物對信號的衰減作用，系統通信距離被限制在約100 m 以內。UWB 地理定位系統最初的開發和應用是在軍事領域，其目的是戰士在城市環境條件下能夠以0. 3 m的解析度來測定自身所在的位置，其主要商業用途之一為路旁信息服務系統。它能夠提供突發且高達100Mbps 的信息服務，其信息內容包括路況信息、建築物信息、天氣預報和行駛建議，還可以用作緊急援助事件的通信。

　　UWB 也適用於短距離數字化的音視頻無線鏈接、短距離寬頻高速無線接入等相關民用領域。

　　UWB第二個重要應用領域是家庭數字娛樂中心。在過去幾年裡，家庭電子消費產品層出不窮。PC、DVD 、DVR 、數位相機、數位攝像機、HDTV 、PDA 、數字機頂盒、MD、MP3、智能家電等等出現在普通家庭里，正是"舊時王榭堂前燕，飛入平常百姓家"。家庭數字娛樂中心的概念是：將來你的住宅中的PC、娛樂設備、智能家電和Internet都連接在一起，你可以在任何地方使用它們。舉例來說，你儲存的視頻數據可以在PC、DVD、TV、PDA 等設備上共用觀看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遙控你的PC，讓它控制你的信息家電，讓它們有條不紊地工作，你也可以通過Internet聯機，用無線手柄結合音、像設備營造出逼真的虛擬游戲空間。從前面對UWB的技術特點來看，UWB技術無疑是一個很好的選擇。

　　採用UWB技術的凱思特單反無線聯機拍攝套件。

　　該設備用以實現單反相機和電腦之間的文件無線傳輸和遠程相機控制。