UWB（无载波通信技术）
2023-07-25 06:49:33未知 作者:无限魅力物联网
超宽带UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称UWB为无线电领域的一次革命性进展，认为UWB将成为未来短距离无线通信的主流技术。总的来说，UWB在早期被用来应用在近距离高速数据传输。UWB又名超宽带。
中文名超宽带
Ultra Wide Band
无载波通信技术
UWB
截获能力低、定位精度高等
特点
UWB(Ultra Wideband)无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式。
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。
抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。
脉冲无线电
UWB也可称为脉冲无线电。
可追溯至19世纪。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲复盖的频谱从直流至GHz，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10-100ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。
UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF)的常规无线系统，可视为在RF上基带传播方案，在建筑物内能以极低频谱密度达到100Mb/s数据速率。
为进一步提高数据速率，UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法(Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱，FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距，金属探测，新一代WLAN和无线通信。为保护GPS，导航和军事通信频段，UWB限制在3.1-10.6GHz和低于41dB发射功率。
不用载波
UWB无线通信是一种不用载波。
采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电(Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比，UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲，因此这种通信方式占用带宽非常之宽，且由于频谱的功率密度极小，UWB具有通常扩频通信的特点。
UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，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。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。
UWB技术最初是被作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。2002年2月，美国FCC批准了UWB技术用于民用，UWB的发展步伐开始逐步加快。
与蓝牙和WLAN等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据，意味着UWB引起的干扰小于传统的窄带无线解决方案，并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。UWB具有以下特点：
1.抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802．11a、IEEE802．11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。传输速率高。UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE802．11a和IEEE802．11b。
2.带宽极宽。UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。
3.消耗电能小。通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。
4.保密性好。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.发送功率非常小。应用面就广。
技术回顾
美国英特尔公司于2002年2月28日在该公司主办的开发商会议“Intel Developer Forum（IDF）Spring 2002”上公开演示了下一代短距离无线技术“UWB（超宽带技术）”。主要有如下三大特点：
（1）高达数百Mbit/秒的高速通信；
（2）耗电量为现有无线技术的1/100以下；
（3）较现有无线技术成本更低。
美国英特尔于2002年4月在“IDF 2002 Spring Japan”上对该技术进行演示时的情景。在区区数米的距离内能够以100Mbit/秒的速度进行通信。
除英特尔外，美国Time Domain、美国Multispectral Solutions以及美国XtremeSpectrum等公司也在进行UWB无线设备的开发和生产。这些公司都正在从事军用无线设备及雷达方面的研发。UWB是以军用雷达为主要用途，从1960年开始开发的军用技术。
冷战结束后，由于受到军转民潮流的影响，各家企业展开了游说活动，以便解除对UWB的民用禁令。UWB的最终解禁是2002年2月14日。这一天美国FCC（美国联邦通信委员会）准许该技术进入民用领域，用户不必进行申请即可使用。
UWB此前并非只是因为军事上的原因才无法进行民用的。其主要原因在于UWB所特有的“超宽带”特点。
在基于UWB的通信中所必须的频带宽度相当大，从500MHz直至数GHz。比如，英特尔的试制机使用的就是从2GHz频带至6GHz频带之间的4GHz带宽。也许有很多人不清楚这个带宽到底有多大，但是模拟手机使用的带宽仅为30kHz，甚至连采用同时使用多个带宽的OFDM（正交频分复用）技术进行高速通信的IEEE802.11a所使用的带宽也只不过是18MHz（日本标准）。
但实际上并不存在空闲如此之宽的频带。所以，无论怎么做，总是要出现与现有无线技术所使用的频带相互重叠的部分。可以说这不是一项进行频带分配，而是一项以共享其他无线技术使用的频带为前提的无线技术。
当然，还存在着用户申请的壁垒。IEEE802.11a和11b等无线LAN产品，用户不必申请许可即可使用。如果只能购买而不能使用的话，那么就不可能得到普及。因此对于UWB而言，不可或缺的是解禁必须以免除用户申请为前提。
最终，2002年2月FCC准许UWB技术进入民用领域的条件就是：“在发送功率低于美国放射噪音规定值－41.3dBm/MHz(换算成功率则为1mW/MHz)的条件下，可将3.1G～10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。
发射功率的大小决定其传输距离。据英特尔按照FCC的规定而进行的演示结果显示，对于10米以内的距离，UWB可以发挥出高达数百Mbit/秒的传输性能，但是在20米处反倒是IEEE802.11a/b的无线LAN更好一些。也就是说，既然UWB将与现有无线技术共存，就不会被用于长距离传输。
之所以需要如此的带宽，是因为UWB是与手机和无线LAN等现有无线通信完全不同的方式。
现有的无线通信为了划分频带而使用“载波”。
而UWB则不使用载波。使用“脉冲”信号进行信息传输。所谓脉冲，就是指产生和消失时间极其短暂的瞬间电流。而UWB方面，其产生和消失时间仅为数百微秒至数纳秒以下。1毫秒是1/1000秒，1微秒是1/1000毫秒，1纳秒相当于1/1000微秒。由于在1纳秒的时间里光也只能传播约30cm的距离，可见这种脉冲非常之短。
如果将这种脉冲按频率来分析，则可以将其分解成多种频率的波（正弦波）段。由于是肉眼看不见的电波，因此难以直观地进行把握，但正如可利用棱镜对光进行分解、得到各种波长的光一样，也可以使用类似的方法进行分析。
如果减小脉冲的长度，那么频带宽度的增加将与时间成反比。在使用脉冲传送信号时，脉冲长度越小，单位时间内传送的信号就越多。反过来说，带宽越宽就能够传送更多的脉冲。不仅速度可以提高，而且还能有效地降低耗电量。由于加电时间极其短暂，因此平均耗电量很低。
不过，麻烦的是，包含高达数GHz频带的频率成分的脉冲对于其他无线通信而言，只是干扰通信的噪音而已。FCC在充分考虑干扰的危害性之后，才最后决定解除对UWB的民用禁令。但是美国国防部和航空界至今仍然认为可能会造成干扰。看来即使在UWB的发祥地--美国，人们的意见也并不统一。
在日本国内的情况是，即没有充分的实证性数据，也没有在日本电波法这一框架下对如何使用UWB进行讨论。日本总务省的观点是：“美国和日本的国情不同。无法直接照搬美国标准”。
令人担心的是，UWB会干扰到利用来自宇宙的微弱电波进行观测的电波天文台。美国的电波天文台大多设立在以沙漠为主的无人地区，而日本的电波天文台有的就设置在离民房和道路不远的地方。虽然可以通过更新设备来调整频带，但不管怎么说都需要耗费较长的时间。
在以上分析的基础上，我们来预测一下UWB一旦在日本得到批准后，在个人电脑上的应用前景。毫无疑问，核心问题是硬件与软件的支持。
硬件方面，美国Time Domain公司和美国Multispectral Solutions公司已经达到了即将开始提供UWB芯片组工业样品的阶段。估计最快将于2004年进行正式投产。
最有可能的情况是：将UWB集成到个人电脑芯片组中。英特尔正在进行研究和开发，以便将其配备于芯片组中。这是因为与使用载波的无线技术不同，由于脉冲发生的电路结构简单，因此相对来说比较容易在芯片组中集成。
英特尔总裁保罗·奥特里尼（Paul Ottelini）已宣布：“将在Banias中集成无线LAN功能”。Banias是与Crusoe相抗衡的低耗电处理器，计划于2003年上半年开始供货。在这种芯片组中将集成无线LAN功能，也就是IEEE802.11（是a还是b尚未确定）。尽管UWB技术还处于开发的初始阶段，各种产品的投产时间尚未确定，但是在Banias芯片组中积累的经验一定会派上用场。
在超高速无线技术方面，60GHz的使用微波频带的无线技术也正在开发中。尽管如此，要想把使用大大超过半导体工作频率的频带的无线技术集成到芯片组中还是非常困难的。
OS的支持方面，如果继续使用现有的软件，那么制造商的负担也许并不大。这是因为UWB只不过是相当于接口最下层的物理层规格。比如，英特尔将UWB定位于“无线USB2.0”。实际上，尽管还面临着如何认证与个人电脑连接的设备等无线技术所特有的问题，但是只需提供用于控制终端产品的设备驱动程序，基本上就可以直接沿用上层程序。
另外也可能将其作为蓝牙的物理层来使用。Time Domain和Multispectral Solutions等公司已经向旨在推进面向短距离通信的无线方式标准化的IEEE802.15委员会提出了UWB规格。所谓IEEE802.15就是指已经标准化的蓝牙技术。设立于2002年1月的研究小组“SG3a”的目标就是：专门面向动态图像传输，制定数据传输速度在100Mbit/秒以上的无线技术标准规格。该小组将于2003年4月至7月间确定相应规格。如果不出意外的话，或许UWB将作为“蓝牙2”出现在用户面前.
UWB的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB无线技术，又称脉冲无线电(Impulse Radio)技术，出现于1960年。
UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。
从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1%，相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，或者中心频率大于500MHz的被称为超宽带。
从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十ns)直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB发射功率受限，进而限制了其传输距离，据资料表明，UWB信号的有效传输距离在10m以内，故而在民用方面，UWB普遍地定位于个人局域网范畴。
比较
从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
(1)IEEE802.11a与UWB
IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。
(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB
蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。采用2.4GHzISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。
(3)HomeRF与UWB
HomeRF是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802.11规范中支持TCP/IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话)标准。HomeRF定义的工作频段为2.4GHz，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF使用了跳频空中接口，每秒跳频50次，即每秒钟信道改换50次。收发信机最大功率为100mW，有效范围约50m，其速率为1Mbps至2Mbps。与UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。
总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。
应用概述
由于UWB具有强大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。总的说来，UWB主要分为军用和民用两个方面。
在军用方面，主要应用于UWB雷达、UWBLPI/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/UGV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。民用方主要包括以下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等。
军用方面
UWB技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB具有巨大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。
UWB技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB塔标和无线UWB移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB漫游器和无线UWB塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返(或循环)时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。
此系统使用的是2.5ns宽的UWB脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1.3～1.7GHz，相对带宽为27%，符合FCC对UWB信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过2km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约100m以内。
UWB地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0.3m的分辨率来测定自身所在的位置，其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。能够提供突发且高达100Mbps的信息服务，其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。
民用方面
UWB也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。
UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD、DVR、数码相机、数码摄像机、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是"旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家"。
采用UWB技术的凯思特单反无线联机拍摄套件。
该设备用以实现单反相机和电脑之间的文件无线传输和远程相机控制。
WHDI
WHDI（Wireless Home Digital Interface，即无线家庭数字接口）设定了一个无线高清晰度视频连接的新标准。提供了一个高品质，无压缩的无线连接方式。工作在4.9GHz~5.875GHz频段，20MHz或40MHz通道，符合全球5GHz频谱规定，范围是30米之内，可穿透墙壁，并且延迟小于1毫秒。WHDI支持新的设备，消费者连接其A/V设备和消费内容，范围可以复盖整个家庭，WHDI允许用户连接在家庭中的任何源到任何位置展示。
使用WHDI，在客厅的电视能显示卧室里播放的蓝光播放机，高清影碟机，厨房电视能显示在家庭办公室PC上的内容，以及游戏娱乐可以在地下室投影仪玩乐，而无需移动游戏机从孩子们的卧室或地下室。WHDI这一新标准，方便通过非压缩高清视频传送，将视频播放器独立，多个室内高清视频连接使用一种革命性的视频调制解调器的办法，支持复盖整个家庭。
WHDI指定了高清视频传输，以及音频和控制。全面WHDI控制协议将使用户能够集中控制从家庭中的所有A/V设备，传输几乎没有延迟，用户不会遇到声音和视频异步的问题，也可以利用WHDI连接网络娱乐音频视频游戏。其特点是：无压缩的视频传送、传送无延迟、分辨率高达1080P、支持7.1声道、100K的回传信道、支持HDCP2.0技术。
UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善，但UWB将可能成为新一代WLAN和WPAN的技术基础，从而实现超高速宽带无线接入。专家指出，在军事需求和商业市场的推动下，UWB技术将会进一步发展和成熟起来。
