超宽带UWB无线通信技术详解

超宽带(UWB)无线通信技术详解

UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术,它将会为无线局域网LAN和

个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗,高带宽并且相对简单的无线通信技术超宽

带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道

衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力,系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度

等优点.UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中.

近年来,超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。

许多世界著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的研

究、开发和标准化工作之中。为了使读者对UWB技术有所了解，本讲座将分3期对UWB

技术进行介绍：第1期讲述UWB的产生与发展、技术特点、信号成形及调制与多址技术，

第2期对UWB信道、系统方案及接收机关键技术进行介绍，第3期介绍UWB的应用前景

及标准化情况。

1UWB的产生与发展

超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在

信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署

(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz

或相对带宽大于25%,则该信号为超宽带信号。此后，超宽带这个术语才被沿用下来，

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其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20dB辐射点对应的下

限频率。图1给出了带宽计算示意图。可见，UWB是指具有很高带宽比（射频带宽与其中

心频率之比）的无线电技术。

绝对带宽4%4-4相对带宽8防一二23奈。

为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会（FCC）开始

在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。

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PSD：功率增签良

▲图1信号带宽计篁示意图

2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定

UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。根据UWB系

统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCCPartl5

规定，UWB通信系统可使用频段为3.1GHz~10.6GHz。为保护现有系统（如GPRS、移

动蜂窝系统、WLAN等）不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用,对UWB系统的

辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3dBm/MHz.o图2

示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。当前,人们所说的UWB是

指FCC给出的新定义。

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▲图2FCC对室内、外UWB系统的后射限制

自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽

带(IR-UWB)系统、基于直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用

(OFDM)的UWB系统等。在产品方面，Time-Domain.XSI、Freescale.Intel等公司纷

纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。当前，UWB技术已成为短距离、高速

无线连接最具竞争力的物理层技术。IEEE已经将UWB技术纳入其IEEE802系列无线标准,

正在加紧制订基于UWB技术的高速无线个域网(WPAN)标准IEEE802.15.3a和低速无线个

域网标准正EE802.15.4a。以Intel领衔的无线USB促进组织制订的基于UWB的W-USB2.0

标准即将出台。无线1394联盟也在抓紧制订基于UWB技术的无线标准。可以预见,在未

来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络

中占据主导地位的物理层技术之一。

2UWB的技术特点

Q)传输速率高，空间容量大

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根据仙农(Shannon)信道容量公式,在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传

输速率的上限为：

C=Bx|Og2(l+SNR)⑴

其中，B(单位：Hz)为信道带宽，SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达

500MHz~7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百

兆至lGb/s的传输速率。例如，如果使用7GHz带宽,即使信噪比低至-10dB,其理论信

道容量也可达到1Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)

是非常合适的,可以极大地提高空间容量.理论研究表明,基于UWB的WPAN可达的空

间容量比目前WLAN标准IEEE802.11.a高出1~2个数量级。

(2)适合短距离通信

按照FCC规定,UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz~10.6GHz频段总辐射功

率仅0.55mW,远低于传统窄带系统。随着传输距离的噌加，信号功率将不断衰减。因此，

接收信噪比可以表示成传输距离的函数SNRr(d)。根据仙农公式，信道容量可以表示成距

离的函数

C(d)=Bx|Og2[l+SNRr(d)](2)

另外，超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不

同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，

从而严重影响系统性能。研究表明，当收发信机之间距离小于10m时,UWB系统的信道

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容量高于5GHz频段的WLAN系统，收发信机之间距离超过12m时,UWB系统在信道容

量上的优势将不复存在。因此，UWB系统特别适合于短距离通信。

（3）具有良好的共存性和保密性

由于UWB系统辐射谱密度极低（小于-41.3dBm/MHz）,对传统的窄带系统来讲，UWB

信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下,UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。

因此,UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源

的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被

截获,这对提高通信保密性非常有利.

（4）多径分辨能力强，定位精度高

由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此,UWB

信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。对

于通信系统，必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择

性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落,而

UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗

衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散（频率选择

性衰落），接收机必须通过牺牲复杂度（增加分集重数）以捕获足够的信号能量。这将对接收机

设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，

得到理想的性价比。

（5）体积小、功耗低

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传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，

接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。

因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新定义在一定

程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度，但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的

不断涌现，UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点。

3UWB脉冲成形技术

任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息。对于线性调制系统，已

调制信号可以统一表示为：

s(t)=IIng(t-T)(3)

其中，In为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；

g⑴为时域成形波形。通信系统的工作频段、信号带宽、辐射谱密度、带外辐射、传输

性能、实现复杂度等诸多因素都取决于g⑴的设计。

对于UWB通信系统，成形信号g(t)的带宽必须大于500MHz，且信号能量应集中于3.1

GHz~10.6GHz频段。早期的UWB系统采用纳秒/亚纳秒级无载波高斯单周脉冲，信号频

谱集中于2GHz以下。FCC对UWB的重新定义和频谱资源分配对信号成形提出了新的要

求，信号成形方案必需进行调整。近年来，出现了许多行之有效的方法，如基于载波调制的

成形技术、Hermit正交脉冲成形、椭圆球面波(PSWF)正交脉冲成形等。

3.1高斯单周脉冲

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高斯单周脉冲即高斯脉冲的各阶导数，是最具代表性的无载波脉冲。各阶脉冲波形均可

由高斯一阶导数通过逐次求导得到。

随着脉冲信号阶数的增加，过零点数逐渐增加，信号中心频率向高频移动，但信号的带

宽无明显变化，相对带宽逐渐下降。早期UWB系统采用1阶、2阶脉冲，信号频率成分从

直流延续到2GHz。按照FCC对UWB的新定义，必须采用4阶以上的亚纳秒脉冲方能满

足辐射谱要求。图3为典型的2ns高斯单周脉冲。

♦图3典型高斯单周脉冲

3.2载波调制的成形技术

原理上讲，只要信号-10dB带宽大于500MHz即可满足UWB要求。因此，传统的用于

有载波通信系统的信号成形方案均可移植到UWB系统中。此时，超宽带信号设计转化为低

通脉冲设计，通过载波调制可以将信号频谱在频率轴上灵活地搬移。

有载波的成形脉冲可表示为：

w(t)=p(t)cos(2nfct)(0<t<Tp)(4)

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其中，p(t)为持续时间为Tp的基带脉冲；fc为载波频率，即信号中心频率。若基带脉冲

P⑴的频谱为P(f),则最终成形脉冲的频谱为：“力斗D⑴

可见，成形脉冲的频谱取决于基带脉冲p(t),只要使p(t)的-10dB带宽大于250MHz,

即可满足UWB设计要求，通过调整载波频率fc可以使旨号频谱在3.1GHz〜10.6GHz范

围内灵活移动。若结合跳频(FH)技术，则可以方便地构成用濒多址(FHMA)系统。在许多IEEE

802.15.3a标准提案中采用了这种脉冲成形技术。图4为典型的有载波修正余弦脉冲，中心

频率为3.35GHz,-10dB带宽为525MHz。

▲图4有鼓波修正余弦脉冲

3.3Hermite正交脉冲

Hermite脉冲是一类最早被提出用于高速UWB通信系统的正交脉冲成形方法。结合多

进制脉冲调制可以有效地提高系统传输速率。这类脉冲波形是由Hermite多项式导出的。

这种脉冲成形方法的特点在于：能量集中于低频，各阶波形频谱相差大，需借助载波搬移频

谱方可满足FCC要求。

3.4PSWF正交脉冲

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PSWF脉冲是一类近似的"时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。

与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要

复杂的载波调制进行频谱股移。因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信

机复杂度。

4UWB调制与多址技术

调制方式是指信号以何种方式承载信息，它不但决定着通信系统的有效性和可靠性，同

时也影响信号的频谱结构、接收机复杂度。对于多址技术解决多个用户共享信道的问题，合

理的多址方案可以在减小用户间干扰的同时极大地提高多用户容量。在UWB系统中采用的

调制方式可以分为两大类：基于超宽带脉冲的调制、基于OFDM的正交多载波调制。多址

技术包括：跳时多址、跳频多址、直扩码分多址、波分多址等。系统设计中，可以对调制方

式与多址方式进行合理的组合。

4.1UWB调制技术

Q)脉位调制

脉位调制(PPM)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符

号状态数可以分为二进制PPM(2PPM)和多进制PPM(MPPM)。在这种调制方式中，一个

脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或M个，脉冲位置与符号状态——对应。根据

相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系，又可分为部分重叠的PPM和正交PPM(OPPM)。

在部分重叠的PPM中，为保证系统传输可靠性，通常选择相邻脉位互为脉冲自相关度数的

负峰值点，从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在0PpM中，通常以脉冲宽度为间隔确定

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脉位。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于UWB系统的复杂度和功率限制，

实际应用中，常用的调制方式为2PPM或20PPMo

PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控

制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制

方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。如果不

对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。

(2)脉幅调制

脉幅调制(PAM)是数字通信系统最为常用的调制方式之一。在UWB系统中，考虑到实

现复杂度和功率有效性，不宜采用多进制PAM(MPAM)OUWB系统常用的PAM有两种方

式开关键控(00K)和二进制相移键控(BPSK)。前者可以采用非相干检测降低接收机复杂度，

而后者采用相干检测可以更好地保证传输可靠性。

与2PPM相比，在辐射功率相同的前提下，BPSK可以获得更高的传输可靠性，且辐射

谱中没有离散谱线。

(3)波形调制

波形调制(PWSK)是结合Hermite脉冲等多正交波形提出的调制方式。在这种调制方式

中，采用M个相互正交的等能量脉冲波形携带数据信息，每个脉冲波形与一个M进制数据

符号对应。在接收端，利用M个并行的相关器进行信号接收，利用最大似然检测完成数据

恢复。由于各种脉冲能量相等，因此可以在不增加辐射功率的情况下提高传输效率。在脉冲

宽度相同的情况下，可以达到比MPPM更高的符号传输速率。在符号速率相同的情况下，

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其功率效率和可靠性高于MPAM。由于这种调制方式需要较多的成形滤波器和相关器，其

实现复杂度较高。因此，在实际系统中较少使用，目前仅限于理论研究。

(4)正交多载波调制

传统意义上的UWB系统均采用窄脉冲携带信息。FCC对UWB的新定义拓广了UWB

的技术手段。原理上讲rlOdB带宽大于500MHz的任何信号形式均可称作UWB。在OFDM

系统中，数据符号被调制在并行的多个正交子载波上传输，数据调制/解调采用快速傅里叶

变换/逆快速傅里叶变换(FFT/IFFT)实现。由于具有频谱利用率高、抗多径能力强、便于DSP

实现等优点QFDM技术已经广泛应用于数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、WLAN

等无线网络中，且被作为B3G/4G蜂窝网的主流技术。

4.2UWB多址技术

(1)跳时多址

跳时多址(THMA)是最早应用于UWB通信系统的多址技术，它可以方便地与PPM调制、

BPSK调制相结合形成跳时-脉位调制(TH-PPM)、跳时-二进制相移键控系统方案。这种多

址技术利用了UWB信号占空比极小的特点，将脉冲重复周期(Tf,又称帧周期戊IJ分成Nh

个持续时间为Tc的互不重叠的码片时隙，每个用户利用一个独特的随机跳时序列在Nh个

码片时隙中随机选择一个作为脉冲发射位置。在每个码片时隙内可以采用PPM调制或BPSK

调制。接收端利用与目标用户相同的跳时序列跟踪接收。

由于用户跳时码之间具有良好的正交性，多用户脉冲之间不会发生冲突，从而避免了多

用户干扰。将跳时技术与PPM结合可以有效地抑制PPM信号中的离散谱线,达到平滑信