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(完整版)UWB关键技术及其应用探究
UWB关键技术及其应用探究
李扬 鹤壁职业技术学院 河南 鹤壁 458030
摘要：文章阐述了ＵＷＢ技术的定义及特点，描述了影响ＵＷＢ通信质量的几种关键技术，最后探讨了ＵＷＢ的应用场合。
关键词：ＵＷＢ；载波；脉冲；调制技术
在无线技术日新月异的今天,人们不必再为网络设备之间复杂的线缆连接烦恼,因为一种能够统一的连接消费类多媒体电子产品的无线技术应运而生，它就是——UWB(U l t r aW id e B a n d ）。UWB技术是一种广泛应用于传感网络和短距离无线接入网的现代通信技术。UWB技术以其高速率、低成本、低功耗的优点打入市场，得到广泛关注。
1. UWB技术简述
1.1 UWB定义
超宽带（UWB)技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，是一种无载波通信技术，又称为基带通信、无载波通信，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit／s至数Gbit／s的数据传输速率。主要用于军用雷达、定位和通信系统中。
1.2 UWB特点
(1) 系统结构的实现比较简单
UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号.在发射端，UWB发射器直接用脉冲激励天线，可采用非常低廉的宽带发射器。在接收端,UWB接收机不需要中频处理。因此，UWB系统结构的实现比较简单。
(2) 传输速率高
UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，在1 0m的传输范围内,信号传输速率可达500Mbit／s.
(3）功耗低
UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0．2~1．5ns之间,有很低的占空因数，因此系统功耗很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几毫瓦。
（4）保密性强
UWB保密性表现在两方面。一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低,用传统的接收机无法接收。
（5）多径分辨能力强
UWB由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率。窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠,很容易分离出多径分量。所以能充分利用发射信号的能量。实验表明 对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境.UWB信号的衰落最多不到5dB。
（6）定位精确
冲激脉冲具有很高的定位精度和穿透能力，采用超宽带无线电通信很容易将定位与通信合一在室内和地下进行精确定位.
（7)造价低
在工程实现上,UWB比其他无线电技术要简单得多，可全数字化实现。UWB只需以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，大大减小系统的复杂性,降低设备成本。
2. UWB关键技术
2。1脉冲信号的产生
产生脉冲宽度为纳秒级(10-9s)的信号源是UWB技术的前提条件，单个无载波窄脉冲信号有两个特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲，二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。目前产生脉冲源的两类方法为：光电方法,基本原理是利用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒（10—12s)量级。电子方法，基本原理是利用晶体管PN结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿,整形后获得极短脉冲，是目前应用最广泛的方案。受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到1ns以下，实际通信中使用一长串的超短脉冲。
2．2调制技术
目前比较成熟的有跳时一脉冲位置调制、跳时一二进制相移键控和直扩一二进制相移键控等多种调制方式，同时，也可以针对不同的实际要求、适应UWB通信技术的特点开发出具有高数据传输率、较高可靠性或者具有较好保密性的信息调制方法。
2.3多址技术
应用于UWB的多址方案主要有三种：（1)伪随机跳时,包括结合脉冲定位调制技术的周期PN码跳时和基于混沌的非周期伪混沌跳时两种（2）跳频(3）直接序列扩频。
2.3信号检测技术
信号检测技术直接影响到UWB信号的接收质量问题。目前实现ＵＷＢ接收的方法主要有:（1）相关或RAKE接收机法(2)自相关器接收机法（3）采用自适应最小均方误差算法的多用户检测接收机。
２。４UWB天线的设计
UWB不同于窄带无线通信。在天线设计方面，对UWB产品天线的要求是微型，在各种条件下能正常工作,具有一定增益和超宽频带。UWB信号的带宽很宽,难以实现高效的UWB天线,尤其在尺寸很小时。故天线的设计仍需进一步探讨。目前UWB天线通常有：单极、双极、电磁环、等角螺旋、螺旋、碟-锥形等。
３. UWB应用
UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面.在军用方面主要用于UWB 雷达、UWB LPI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等） 、战术手持和网络的PLI/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。在民用方面，主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器；汽车防冲撞传感器等 ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信。目前，UWB技术的民用应用主要集中在家庭、办公室、个人消费电子产品。在“数字化家庭”或“数字家庭网络”的概念日益广泛普及的今天，关注这一概念的消费电子厂商试图用无线网络将消费者家居中的电器连接起来，使各种大带宽的Video信息可以在这些电器之间传递和交换,为业务的快速发展带来了新的机遇。
UWB以其诸多优势迅速在无线通信中走红，虽然自身技术仍需完善但是随着科技的不断发展我们有理由相信，UWB必然是个人无线传输技术的首选。
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