1、现代宽带通信技术的研究及主要应用摘要：脉冲超宽带传输技术是一种无载波通信技术，具有高数据率传输、室内多径分辨能力强、精确的定位特性、功耗低、保密性高等优势。本文详细分析超宽带通信技术的独特特点及其最新研究情况，同时介绍了现代超宽带通信技术的关键应用领域。 关键字：超宽带；通信技术；研究；应用 Abstract: the pulse uwb transmission technology is a kind of carrier communication technology, with high data rate transmission, indoor multipath resolut
2、ion ability strong, accurate positioning, low power consumption, high confidentiality. Ultra-wideband communication technology in this paper, a detailed analysis of unique characteristics and the latest research situation, and introduces the key application fields of modern ultra wideband communicat
3、ion technology. Key words: ultra broadband; Communication technology; Research; application 中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2013) 引言 超宽带通信这项新兴的技术利用极窄、超低功率的射频脉冲在收发两端传递信息。使用短持续期的脉冲作为基本的通信单元将使这项技术获得独特的优势，同时也带来技术的挑战。超宽带无线通信的独特优势在于它能够提供高速率、低功耗及低成本的短距离无线链路，并且由于超宽带是对现在已被占用的频率资源的重用，因而可以缓解目前日趋紧张的频带资源需求。此外，
4、超宽带也非常适合室内密集多径传输环境下的高速无线传输。目前，这种无线通信技术已经被美国联邦通信委员会（fcc）采纳，允许超宽带技术和产品参与商业化动作，并且颁布了超宽带占用带宽的相关条件。ieee802.15.3a 标准已经将超宽带技术选为其实现无线个域网中物理层的基本技术，此外，最近提出的 ieee802.15.3a标准中也包括了超宽带的物理层方案。与此同时，欧洲和亚洲的诸多国家（包括我国）也在积极地展开研究和指定各自的标准，期望形成独立自主的超宽带技术知识产权。 1.超宽带通信技术的概述及特点 超宽带通信技术因为具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、能够提供厘米级定位精度、被截获能力低和
5、对信道衰落不敏感等特点。 1.1 超宽带通信技术的概述 超宽带通信技术是现代被广泛且深入研究的一种新型无线通信技术，不仅仅是因为它与其余的通信系统同时享有频段，且占有极宽带宽，同时还给研究兼容、干扰的等领域引起挑战，更是因为它拥有低功耗、低消费、高数据率等特点。现在超宽带通信技术包括 DS-CDMA 方案、MB-OFDM 方案（多频带 OFDM） 、脉冲超宽带方案三种。超宽带通信技术脉冲长度比包括以 3G 为代表的宽带 cdma 技术在内的现有无线通信技术的带宽都大，一般都在亚纳秒量级。现在超宽带基于专利和现实技术复杂等关系，其主要方案是 DS-CDMA 和 MB-OFDM。 1.2 超宽带通
6、信技术的特点 超宽带技术在历史上还有其他的名称，如脉冲无线电 (ImpulseRadio)，时域脉冲，无载波技术等。上述名称反映了超宽带信号在时域上持续时间极短，在频域上覆盖了很宽的频带这个典型特点。 1.2.1 辐射谱密度低 超宽带通信系统使用很低的功率谱密度发射信号，功率谱密度与窄带系统接收端的背景噪声电平持平。因此，超宽带系统对窄带系统的干扰小，能与其他通信系统共享频谱资源。此外，低的辐射谱密度使得信号的隐蔽性特别强，被截获 和检测的概率低，保证了通信的安全性。 1.2.2 传输速率高 信道容量随带宽是线性增加，而随信号功率是呈对数增加。对于脉冲 UWB 无线系统来说，带宽非常宽，可能比
7、现存系统的带宽宽很多，因此系统能够在很低的发射功率下工作。这也意味着 UWB 系统能以相对低的传输功率实现高数据率传输。 1.2.3 多径分辨能力强 多径衰落是无线通信的一大障碍，这在密集建筑物环境中(如室内)尤为明显。在无线通信系统中，信道情况比较复杂，发射机和接收机之间存在许多障碍物。发射信号经过多次反射、散射、绕射后经过不同的路径到达接收端。由于经过不同路径的信号其幅度的衰减和时间的延迟都是不同的，所以在接收端这些信号的叠加会引起信号的衰落，窄带系统尤为严重。在超宽带系统中，承载数据信息的是持续时间在纳秒级的时间离散窄脉冲，经多径反射的延时信号与直达信号在时间上是可以分离的。因此，超宽带
8、信号具有很强的分辨多径衰落能力。 1.2.4 低截获和检测概率 超宽带系统对检测和截获具有先天的免疫能力。正是由于这种低发射功率，窃听者必须非常靠近发射机（大约 1m）才能检测到发射信息。此外，超宽带脉冲对每一对发射机/接收机而言，在时域用唯一的码进行调制。非常窄的脉冲进行时域的调制增加了超宽带通信的安全性，因为若不知道到达的时刻来检测皮秒级的脉冲几近于不可能。因此，超宽带系统使得获得高度的安全、低截获和检测概率（lpi/d）的通信能得到保证，这些对于军事通信而言是很重要的。 1.2.5 超强的穿透特性 与窄带技术不同，超宽带系统能够有效地穿透不同的材料。在范围宽广的超宽带频谱中所包含的低频成
9、分为长波，它使得超宽带信号能够穿透多种材料，包括墙。该特性使得超宽带信号适用于穿透墙的通信系统以及穿透地的雷达。然而仅当其频谱包含有无线频谱的低频部分时，超宽带信号的材料穿透能力才有用。 1.2.6 体积小、功耗低 超宽带技术不需要载波，传输的数据(信息)直接调制在持续时间为纳秒级的窄脉冲上，超宽带信号的辐射功率极低，大大简化了发射机结构。接收机的结构也比较简单，与传统载波通信系统相比，不需要频率合成器、混频器等复杂的射频电路模块。因此，脉冲超宽带系统的功耗和成本较低。 1.2.7 保密性高 相比于现有的无线通信系统，UWB 无线通信系统发射的无线信号具有更宽的信号带宽，更低的功率谱密度，与背
10、景噪声差不多，因而可以隐藏在噪声背景之中，这使得 UWB 信号被截获和被检测的概率非常低。 2.超宽带通信的关键系统 超宽带通信传输信息是通过发射和接受拥有皮秒量级的脉冲信号来实现的，以每秒钟几十兆的速度发射和接受脉宽小于 1NS 的窄脉冲信号。信息调制到精确定时的脉冲串是通过脉冲键控调制（OOK）或者脉冲位置调制（PPM）方式。超宽带通信系统包括控件、延时器、相关器、脉冲源、超宽带天线等附件。发射信号时是通过延时器对系统进行精确的延时，用输出的触发信号去触发脉冲源，触发后的脉冲源将产生具有一定脉宽和功率的极窄脉冲信号，在产生的脉冲功率满足限定值时，将直接触发超宽带天线将信号发射出去。接受信号
11、时，信号随着天线输入到相关器的输入端，相关器会把接受到的信号和来自被触发产生的脉冲模块进行模拟相关处理，输出后的直流电压信号通过 a/d 转换之后传送到数字基带进行判决和数字的相关处理。 3.超宽带通信技术的研究 3.1 超宽带通信技术的研究现状 目前，已有多个大学的研究项目得到了国家自然科学基金和 863 重大项目的支持，涌现一大批研究成果。2007 年，国家 863 计划又启动了高速超宽带芯片研发的新项目，开发我国有自主知识产权的超宽带芯片。中国科大无线网络通信安徽省重点实验室与同年承担了国家“863”计划课题“超宽带 soc 芯片设计及组网试验” 。经过 3 年的努力，课题组完成了超宽带
12、集成技术研究和关键专用集成电路芯片开发，实现了超宽带无线接入与互联的组网应用示范。这是脉冲超宽带技术走向工程实现的一个重要突破。国内企业看到了超宽带技术的市场前景，也积极参与超宽带技术的研发，华为技术有限公司已经成功开发出了基于超宽带技术的视频传输演示系统和无线 USB 等。超宽带技术正逐步走向实用化、商业化阶段。 3.2 超宽带通信技术的研究方向 目前国内外 UWB 通信技术研究主要集中在以下几个方向上：信号传播特性的研究与信道建模；UWB 同其他通信系统的相互干扰；超宽带天线的设计；脉冲形状、脉冲产生电路和脉冲修形电路与天线的联合设计与优化；调制方式与伪随机码的选择；接收机的设计；MAC
13、层的设计与优化等。 4.超宽带技术的应用领域 相对于常规的窄带无线通信系统，超宽带通信系统具有空间频谱效率高、分辨多径能力强、截获概率低、测距和定位精度高、体积小功耗低等诸多优点，因此超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网、个域网，雷达定位和成象系统，智能交通系统，涉及到军事、公安、救援、医疗、测量等等领域: 4.1 在无线多媒体局域网，家域网，个域网、通信运营商的无线中继线路的应用中，各种多媒体设备通常希望使用数十兆甚至数百兆的数据速率，目前超宽带技术被认为是能够符合这种要求的最合适的技术之一 4.2 超宽带系统同时具有无线和定位的功能，可以应用于传感器网络、消防、公共安全、库存盘点、人员监护
14、与救生及智能交通系统中。 4.3 使用基带脉冲方式的超宽带系统，具有比较强的穿透障碍的能力，在勘探、安全等领域具有很大的应用潜力。 4.4 基于超宽带技术的穿透能力，不仅可以研发穿地雷达，发现埋藏的地雷，保护地面的安全，并找出敌人地下工作室给予毁灭打击，同时也可以制成成像雷达，运用在装甲机械化得部队中，帮助炮击手射击隐藏敌人。随电磁环境的复杂化和信息量的剧增，抗干扰问题和部队信息安全问题日益突出，超宽带技术的使用就解决了这一问题。因为超宽带技术功率频谱密度低、信号频谱极宽，对方不知道精确的信号参数是很难恢复，具有很强的保密性，加之其抗干扰能力强，能在噪声中顺利传输，在超复杂的环境中也能正常传送
15、，减少对方的侦查机率。超宽带技术不仅可以满足信息安全且保密，还可以实现装甲部队通信的抗干扰性，完全符合现代军事作战的要求。 结论 鉴于超宽带广阔的应用前景和技术优势，很多国家的政府都积极地引导对超宽带技术和应用的研究，这些研究涉及超宽带信号的产生、调制、发送、传播、接收及检测、组网、应用等诸多方面。随社会发展、科技进步，电子设备也越来越趋向智能化，加上对短距离高速数据传输要求的提高，以及兼容性的发展苗头日益加快，使得超宽带技术在未来发展与应用有着更为广阔的天地。 参考文献 1葛利嘉，曾凡鑫，刘郁林等。超宽带无线通信。第一版。北京:国防工业出版社，2006,5。 2曾照华.无线超宽带通信原理及其应用标准.电力系统通信，2007.01. 3于隶球，崔晓燕浅析超宽带通信技术发展及应用前景科技信息，2008(36)
