UWB（ultra wideband）是超寬帶無線技術(shù)的縮寫。UWB技術(shù)是一種使用1GHz以上帶寬的最先進的無載波無線通信技術(shù)，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領域的一次革命性進展，認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。雖然是無線通信，但其通信速度可以達到幾百Mbit/秒以上。由于原來的無線通信在通信時需要連續(xù)發(fā)出載波（電波），自然要消耗電能。而UWB是發(fā)出瞬間尖波形電波－也就是所謂的脈沖電波－直接按照0或1發(fā)送出去。由于只在需要時發(fā)送出脈沖電波，因而大大減少了耗電量。

 

UWB定位為室內(nèi)通信用途，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC：Federal Communications Commission）已經(jīng)將3.1G～10.6GHz頻帶向UWB通信開放。IEEE802委員會也已將UWB作為PAN（personal area network）的基礎技術(shù)候選對象來探討。

 

 

UWB(Ultra-Wideband)超寬帶，一開始是使用脈沖無線電技術(shù)，此技術(shù)可追溯至19世紀。后來由Intel等大公司提出了應用了UWB的MB-OFDM技術(shù)方案，由于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，于是將其交由市場解決。至今UWB還在爭論之中。UWB調(diào)制采用脈沖寬度在ns級的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。脈沖峰峰時間間隔在10 - 100 ps級。頻譜形狀可通過甚窄持續(xù)單脈沖形狀和天線負載特征來調(diào)整。UWB信號在時間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當?shù)停琑F可同時發(fā)射多個UWB信號。UWB信號類似于基帶信號，可采用OOK，對映脈沖鍵控，脈沖振幅調(diào)制或脈位調(diào)制。UWB不同于把基帶信號變換為無線射頻 (RF) 的常規(guī)無線系統(tǒng)，可視為在RF上基帶傳播方案，在建筑物內(nèi)能以極低頻譜密度達到100 Mb/s數(shù)據(jù)速率。

 

為進一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的寬廣頻譜，F(xiàn)CC在2002年宣布UWB可用于精確測距，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和低于41 dB發(fā)射功率。

 

 

UWB(Ultra Wideband)無線通信是一種不用載波，而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方式，也稱做脈沖無線電( Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。與普通二進制移相鍵控(BPSK)信號波形相比，UWB方式不利用余弦波進行載波調(diào)制而發(fā)送許多小于1ns的脈沖，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。

 

 

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單：當前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)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允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時在接收端，UWB接收機也有別于傳統(tǒng)的接收機，不需要中頻處理，因此，UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單。

 

(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸：民用商品中，一般要求UWB 信號的傳輸范圍為10m以內(nèi)，再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/ s，是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)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(xiàn)遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

 

(3)功耗低：UWB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)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(tǒng)移動電話所需功率的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，相對于傳統(tǒng)無線設備有著很大的優(yōu)越性。

 

(4)安全性高：作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB 信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)，UWB 信號相當于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下，UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。

 

(5)多徑分辨能力強：由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠大于多徑傳播時間， 多徑傳播效應限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖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(fā)射信號的能量。大量的實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達10～ 30 dB 的多徑環(huán)境， 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。

 

(6)定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而GPS 定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)； 與GPS 提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置， 其定位精度可達厘米級， 此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。

 

(7)工程簡單造價便宜：在工程實現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本將很低。

 

 

從UWB的技術(shù)參數(shù)來看，UWB的傳輸距離只有10M左右，因此我們只拿常見的短距離無線技術(shù)與UWB作一對比，從中更能顯示出UWB的杰出的優(yōu)點。常見的短距離無線技術(shù)由IEEE802.11a、藍牙、HomeRF。

 

(1)IEEE802.11a與UWB

IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網(wǎng)標準之一，物理層速率在54Mbps，傳輸層速率在25Mbps，它的通信距離可能達到100M，而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內(nèi))，IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大，UWB可以達到上千兆，是IEEE802.11a的幾十倍；超過這個距離范圍(即大于10M)，由于UWB發(fā)射功率受限，UWB就性能就差很多(目前從演示的產(chǎn)品來看，UWB的有效距離已擴展到20M左右)。因此從總體來看，10M以內(nèi)，802.11a無法與UWB相比；但是在10M以外，UWB無法與802.11a相比。另外與UWB相比，802.11a的功耗相當大。

 

(2)藍牙(Bluetooth)與UWB

藍牙技術(shù)是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項無線網(wǎng)絡技術(shù)。隨后成立的藍牙技術(shù)特殊興趣組織(SIG)來負責該技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)協(xié)議的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍牙的傳輸距離為10cm～10m。它采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，速率為1Mbps。從技術(shù)參數(shù)上來看，UWB的優(yōu)越性是比較明顯的，有效距離差不多，功耗也差不多，但UWB的速度卻快得多，是藍牙速度的幾百倍。從目前的情況來看，藍牙唯一比UWB優(yōu)越的地方就是藍牙的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是隨著UWB的發(fā)展，這種優(yōu)勢就不會再是優(yōu)勢，因此有人在UWB剛出現(xiàn)時，把UWB看成是藍牙的殺手，不是沒有道理的。

 

(3)HomeRF與UWB

HomeRF 是專門針對家庭住宅環(huán)境而開發(fā)出來的無線網(wǎng)絡技術(shù)，借用了802. 11 規(guī)范中支持TCP/ IP傳輸?shù)膮f(xié)議；而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標準。HomeRF 定義的工作頻段為2. 4GHz ，這是不需許可證的公用無線頻段。HomeRF 使用了跳頻空中接口，每秒跳頻50 次，即每秒鐘信道改換50 次。收發(fā)信機最大功率為100mW ，有效范圍約50m，其速率為 1Mbps至2Mbps。寫UWB相比，各有優(yōu)勢：HomeRF的傳輸距離遠，但速率太低；UWB傳輸距離只有HomeRF的五分之一，但速度卻是HomeRF的幾百倍甚至上千倍。

 

總而言之，這些流行的短距離無線通信標準各有千秋，這些技術(shù)之間存在著相互競爭， 但在某些實際應用領域內(nèi)它們又相互補充。單純地說"UWB或取代某種技術(shù)"這是一種不負責任的說法，就好像飛機又快又穩(wěn)，也沒有取代自行車一樣，各有各的應用領域。下面通過圖表的形式把四者的區(qū)別羅列如下：

 

 

UWB 技術(shù)多年來一直是美國軍方使用的作戰(zhàn)技術(shù)之一，但由于UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢， 同時受發(fā)射功率的限制， 在短距離范圍內(nèi)提供高速無線數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率提高應用范圍，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點；UWB 也適用于短距離數(shù)字化的音視頻無線鏈接、短距離寬帶高速無線接入等相關(guān)民用領域。總的說來，UWB的用途很多，主要分為軍用和民用兩個方面。

 

在軍用方面主要用于如下領域如UWB 雷達、UWB L PI/ D 無線內(nèi)通系統(tǒng)(預警機、艦船等) 、戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡的PL I/ D 電臺、警戒雷達、UAV/U GV 數(shù)據(jù)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；在民用方面，自從2002 年2 月14 日FCC 批準將UWB 用于民用產(chǎn)品以來， UWB的民用主要包括以下3 個方面：地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器(imaging system) ；汽車防沖撞傳感器等(vehicle radar system) ；家電設備及便攜設備之間的無線數(shù)據(jù)通信( communication and measurements　system) 。下面對兩個重要應用展開論述。

 

UWB 技術(shù)一個介于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(shù)的能夠提供三維地理定位信息的設備。該系統(tǒng)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(fā)傳送而完成航程時間測量，再經(jīng)往返(或循環(huán)) 時間的測量值的對比和分析，得到目標的精確定位。此系統(tǒng)使用的是2.5 ns 寬的UWB 脈沖信號，其峰值功率為4W，工作頻帶范圍為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，其視距通信范圍可超過2 km。在建筑物內(nèi)部，由于墻壁和障礙物對信號的衰減作用，系統(tǒng)通信距離被限制在約100 m 以內(nèi)。UWB 地理定位系統(tǒng)最初的開發(fā)和應用是在軍事領域，其目的是戰(zhàn)士在城市環(huán)境條件下能夠以0. 3 m的分辨率來測定自身所在的位置。目前其主要商業(yè)用途之一為路旁信息服務系統(tǒng)。它能夠提供突發(fā)且高達100Mbps 的信息服務，其信息內(nèi)容包括路況信息、建筑物信息、天氣預報和行駛建議，還可以用作緊急援助事件的通信。

 

UWB第二個重要應用領域是家庭數(shù)字娛樂中心。在過去幾年里，家庭電子消費產(chǎn)品層出不窮。PC、DVD 、DVR 、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、HDTV 、PDA 、數(shù)字機頂盒、MD、MP3、智能家電等等出現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)可以在PC、DVD、TV、PDA 等設備上共享觀看，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(lián)機，用無線手柄結(jié)合音、像設備營造出逼真的虛擬游戲空間。如何把這些相互獨立的信息產(chǎn)品有機地結(jié)合起來，這是建立家庭數(shù)字娛樂中心一個關(guān)鍵技術(shù)問題。從前面對UWB的技術(shù)特點來看，UWB技術(shù)無疑是一個很好的選擇。

 

 

如前所述，UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，已經(jīng)證實能夠在戶內(nèi)提供超過480Mbps 的可靠數(shù)據(jù)傳輸。與當前流行的短距離無線通信技術(shù)相比，UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達1000Mbps 以上的傳輸速率。UWB技術(shù)在無線通訊方面的創(chuàng)新性、利益性已引起了全球業(yè)界的關(guān)注。與藍牙、802.11b、802.15 等無線通信相比， UWB可以提供更快、更遠、更寬的傳輸速率，越來越多的研究者投入到UWB 領域，有的單純開發(fā)UWB技術(shù)，有的開發(fā)UWB應有，有的兼而有之。相信UWB技術(shù)， 不僅為低端用戶所喜愛，且在一些高端技術(shù)領域，在軍事需求和商業(yè)市場的推動下，UWB 技術(shù)將會進一步發(fā)展和成熟起來。據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報公司在《關(guān)于UWB 的預測和潛在市場應用的報告》指出，2007 年全球配備UWB的電子設備和芯片的生產(chǎn)量將達到4510 萬套，當年的收益將達到13. 9 億美元。