近距离无线通信 ——超宽带（UWB）技术背景和概述

UWB技术背景

超宽带(Ultra Wide Band, UWB)无线通信技术起源于20世纪60年代Dr.Gerlad F.Ross对微波网络冲激响应的研究。

此后研究焦点主要集中在雷达系统，并一直被美国军方严格控制，利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达，以及低截获率/低侦测率的通信系统。

1989年，美国国防部首次使用超宽带UWB的名称，规定相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的信号为超宽带信号。

2001年的11月，附属于 IEEE 802.15 的任务小组3a (Task Group 3a, TG3a) 成立，以发展高速率的物理层,用来提供在不到 10公尺的短距离内实现 110 Mbps 至 480 Mbps 的数据传输。

2002年2月，美国联邦通信委员会FCC 发布02-48号报告及法规，批准将UWB 技术用于民用，对使用UWB的发送输出功率标准值按三种用途分别做了规定：

（1）Imaging Systems

（2）Vehicular Radar Systems

（3）Communications and Measurement

 Systems

FCC 批准UWB 设备的合法使用后，促使许多公司考虑采用UWB无线通信技术向 IEEE 802.15.3a 提出物理层的标准。

UWB是一种WPAN (Wireless Personal Area Network,无线个人局域网）通信技术。

WPAN是一种采用无线连接的个人局域网，它被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。

支持WPAN的技术包括：Bluetooth、ZigBee、 UWB、IrDA、HomeRF等。

UWB(Ultra Wide Band)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，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。

DARPA（美国国防部先进研究项目局 ）：

在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%

FCC（美国联邦通信局）：

在-10dB处的绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%

两方面限制：

　　绝对带宽（Absolute Bandwidth）

　　相对带宽（Fractional Bandwidth）

*绝对带宽（Absolute Bandwidth）

绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止频率 与下截止频率之差。

注：纵坐标PSD（信号功率谱密度），

单位是功率/Hz，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。实际应用中，绝对带宽有−3dB绝对带宽、−20dB绝对带宽等不同选择。

*相对带宽（Fractional Bandwidth）

相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值 。

相对带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率

例如，以−10dB绝对带宽计算的相对带宽为：

注：FCC规定UWB信号为−10dB绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。

FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1-10.6GHz，发射机的信号最高功率谱密度为−41.3dBm/MHz，如图所示。

UWB显著特征是高速率和短距离。

UWB采用500MHz至几个GHz的带宽进行高速数据传输，在10m距离内提供高达100Mbit/s以上，甚至1Gbit/s的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。

（1）传输速率高

UWB系统使用高达500MHz～7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式，

即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率。

（2）通信距离短

高频信号衰落更快，这导致UWB信号产生严重的失真。

研究表明：

当收发信机之间距离小于10m时，UWB系统的信道容量高于传统的窄带系统；

当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。

（3）系统共存性好，通信保密度高

极低的功率谱密度（上限仅为−41.3dBm/ MHz）

噪声电平低，与传统的窄带系统有着良好的共存性

具有很强的隐蔽性

（4）定位精度极高，抗多径能力强

脉冲宽度一般在亚纳秒级

很强的穿透力，高精度测距和定位能力

由于信号持续时间很短，脉冲信号使得信号具有很好的多径分离性能，尤其对于室内这种密集多径环境，UWB信号好的多径分离特性使得其系统只有相对很小的衰落容限（fading margin）。所以UWB信号更适合室内等密集多径环境下的高速率、短距离信息传播应用。

（5）体积小、功耗低位

传统的UWB技术无需正弦载波，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。

UWB技术主要指标

UWB技术应用范围

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。

在通信领域的应用包括：组建高速局部物联网；无线个域网和家庭无线网络；作为各种设备之间的高速通信接口。

常见UWB连接设备