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超宽带无线通信技术

来源:Control Engineering China/张陆勇 周正?? 2006年01月15日 ?? 收藏0


?????? 近来,人们可能会注意到,在通信领域出现了一个新的技术词汇——超宽带无线通信,实际上,超宽带无线电的历史渊源,可以追溯到一百年前波波夫、马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB(UltraWide Band)无线电,又称冲激无线电(Impulse Radio)技术,出现于1960年代,但其应用一直仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面。2002年2月14日,这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC)的批准用于民用通信,从而引起了世界各国的广泛关注,自1998年起,FCC对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见,在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下,FCC仍开放了UWB技术在短距离无线通信领域的应用许可,这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。

?????? UWB是一种无载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频

谱范围很宽。一般认为-10dB相对带宽超过25%,或-10dB绝对带宽超过1.5GHz就称为超宽带,后来FCC又将此带宽值修改为500MHz。由计算信道容量的Shannon公式可知,在信道容量一定的情况下,带宽与信噪比可以互补。UWB的带宽非常宽,目前FCC开放的频段是3.1-10.6 GHz,故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低,甚至低于FCC规定的电磁兼容背景噪声电平(-41.3dBm—FCC Part15),所以短距离UWB无线通信系统与其他窄带无线通信系统可以共存。UWB的传输速率可达几十Mbps~几Gbps;其收发信机结构简单,成本低于全数字化;并且其固有的抗多径衰落功能很强。UWB发射脉冲持续时间远小于脉冲重复周期,平均发射功率很低,使UWB技术在实现超宽带信号时域波形高传输数据率的同时也有着低功耗的显著优点。超宽带技术在实现同样传输速率时,功率消耗仅有传统技术的1/10-1/100。另外,由于功率谱密度非常低,几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中,具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等非常突出的优点,能很好的满足现代通信系统对安全性的要求。由于UWB信号定位精度高且具有很强的穿透能力,可探测地雷等地下物体、墙壁后方空间的物体,所以在透视成像雷达、人体医学成像、穿地探测雷达等方面也得到了越来越多的应用。

?????? 此外,UWB无线通信技术的另一优势是其单位区域内通信容量可超过每平方米1000Kbps,而IEEE802.11b仅为每平方米1Kbps,蓝牙技术为每平方米30Kbps,IEEE802.11a也只为每平方米83Kbps。UWB被称做是短距离无线通信技术的一张王牌,其应用十分广泛,该技术有望很快实用,并在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领域得到普及。伴随着UWB对民用无线通信领域的开放,美国等发达国家的半导体厂商和设备制造商都在加紧研究开发实用系统。英特尔、TI、摩托罗拉和索尼等一些大公司将在近期进入超宽带技术无线数据通信市场。此外,美国的Time Domain、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。

?????? 由于UWB信号是一种非正弦的窄脉冲,其所占的频带非常宽。所以传统的基于正弦电磁波,正弦信号谐振以及付氏变换的频域分析等电路设计理论已经不能适应超宽带无线系统的需求。自从19世纪初建立付氏变换的理论以及后来无线电技术的发明以后,近一个多世纪当中,无线通信传输理论基本上都是建立在正弦波的基础上的。正弦电磁波,波长和频率的概念在人们的头脑中是根深蒂固的。然而,如同匀速圆周运动仅是经典力学与天文学中的理想情况一样,在电磁场与电路理论等领域中,除了基于正弦函数的特例以外,还在更加广阔的空间。如非正弦电磁波在雷达中的成功应用、分形天线、Walsh函数、小波变换,UWB无线通信等都对传统的电磁场与电路理论提出了新的挑战。人们已经开始探索新的理论来解决所面临的新问题,如时域瞬态电磁学、超宽带电磁学、计算电磁学、序率理论等。但是,仅就超宽带无线通信系统而言,信号是纳秒至微微秒级的窄脉冲,其所涉及的频带从几KHz到几十GHz;对于该系统中的任一元件来说,如果要同时应用原有传统的电磁场理论,分布参数和集中参数电路理论或传输线理论来加以讨论求解,显然是不现实的。就是目前人们所采用的时域有限差分FDTD方法也是非常繁琐耗时的。而且,上述一些理论方法也只是针对某一种特定情况或特定的技术问题,大多还是以正弦波为基础的概念,尚未对UWB射频电路设计的许多实际应用问题给出更有效的手段。因此,人们迫切需求一种新的适应UWB应用的射频电路设计理论。


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超宽带? 无线? 通信?

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