脉冲无线电(脉冲无线电引信)
脉冲无线电
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UWB-UWB简介
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，脉冲覆盖的频谱从直流至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 - 100 ps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100 Mb/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 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。
UWB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，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，它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。
抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大
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：
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。
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，并且可以和目前的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。
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。
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。
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。
在军用和民用领域均有广阔应用空间
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。
特别是，UWB在家庭数字娱乐领域大有用武之地。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。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。未来“家庭数字娱乐中心”的概念是：将来住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，人们可以在任何地方更加轻松地使用它们。举例来说，家庭用户储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息；可以遥控PC，让它控制你的信息家电；也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。在这方面，应用UWB技术无疑是一个很好的选择。
目前UWB标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善，但它将可能成为新一代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。
UWB-UWB技术原理
UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。
UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码，一般工作脉宽0.1-1.5ns (1纳秒= 一亿分之一秒)，重复周期在25-1000ns。图1显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，图中脉冲的中心频率在2GHz。
图1 典型高斯单周期脉冲的时域和频域
实际通信中使用一长串的脉冲，图2显示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰，而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰，即采用脉冲位置调制PPM。
图2 单周期脉冲序列的时、频域特性
比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间δ来表示一个特定的信息。图3是一个二进制信息调制的示例。
图3 PPM调制的示意图
图中调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收，即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息，哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度，之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大，也不够杂乱。
为了进一步平滑信号频谱，可以让重复时间的位置偏移量δ大小不一，变化随机，同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道，即实现通信系统的多址，可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码，特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。图4显示了伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱。
图中频谱已经接近白噪声频谱，功率也小了许多，这就是伪随机编码产生的效果。适当地选择码组，保证组内各个码字相互正交或接近正交，就可以实现码分多址。
图4伪随机时间调制编码后的脉冲序列
UWB系统采用相关接收技术，关键部件称为相关器（correlator）。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内，间歇期则没有。处理过程一般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。图5显示了不同位置七个脉冲经相关器后的波形走势，750ns后的稳定波形是输出结果。
图5 相关解调输出（时间单位ps）
值得注意的是，虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰，UWB可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。
UWB-UWB技术发布回顾
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。
上图是美国英特尔于2002年4月在“IDF 2002 Spring Japan”上对该技术进行演示时的情景。照片上的两部终端分别是发送器（照片右）和接收器（照片左）。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为什么主要用于短距离无线通信？
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。
UWB实质上是短小精悍的“脉冲”
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”。载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。
而UWB则不使用载波。它使用“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1/100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。
会产生微弱的噪音干扰
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。
目前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”。
现在令人担心的是，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。
一旦获准，就将用于个人电脑
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。目前，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技术目前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，目前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
