超寬帶互聯技術(UWB)具有極高的帶寬，可以廣泛應用于無線局域網、家庭網絡連接、短距離雷達等應用中，該技術可用的調制方法包括直接序列擴頻、啁啾調制、時間調制和子頻段方法。這些方法各具優缺點，本文對這些方法進行比較，并分析了該技術的應用前景和趨勢。

超寬帶(UWB)技術的發展過程與擴頻無線電技術相似，在過去多年內一直被視為軍用技術，而現在將在各種民用產品中得到廣泛的應用。根據美國聯邦通信委員會(FCC)的最新定義，中心頻率大于2.5GHz的UWB系統至少需要500MHz、-10dB的帶寬，中心頻率在2.5GHz以下的UWB系統則需要至少20%的帶寬比(fractional bandwidth)。相比之下，傳統的無線電系統只需要不足1%的帶寬比(帶寬比=2(fh-fl)/(fh+fl)，其中fh為最高頻率，fl為最低頻率，采用這種計算方式無需知道具體的中心頻率)。

UWB最早出現于60年代，當時主要研究受時域脈沖響應控制的微波網絡的瞬態動作。通過Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技術在70年代獲得了重要的發展，其中多數集中在雷達系統應用中，包括探地雷達系統。到80年代后期，該技術開始被稱為“無載波”無線電，或脈沖無線電。美國國防部在1989年首次使用了“超帶寬”這一術語， 而到現在UWB理論和技術已經發展了近30年。在UWB的發展過程中，其中有兩項進展十分重要：其一是UWB系統可以與其它使用更高頻譜密度的通信系統共存而不產生任何干擾；其次是FCC于2002年2月14日發布的02-48號報告及規則，該規則定義了不同類UWB設備的發射限制。該規則出臺后，UWB設備立即獲得了廣泛的市場機會，業界對于今后的UWB標準產品也表示出濃厚的興趣。

由于UWB設備種類繁多，它們可用于多種場合，包括無線局域網(WLAN)、個人局域網(PAN)、短距離雷達(包括用于汽車、防碰系統、智能高速公路及液位感應的傳感器)、探地雷達和用于醫療監測的人體區域網(body area network)等。本文主要講述UWB在局域網和無線PAN/LAN中的互聯應用。

由于FCC對UWB進行了一定限制，UWB最初的應用主要集中在無線PAN上，傳輸距離約為10米，數據速率為110Mbps到480Mbps。這種高速率可輕易地實現客廳內各種數字娛樂設備間的聯網，如DVD、衛星/有線電視機頂盒、電視機及環繞音響。此外，它還可實現數碼相機、掃描儀、打印機、攝像機及MP3播放機等設備與電腦之間的無線連接，從而為采用USB2.0或IEEE 1394有線連接的設備提供了另一種互聯方式，甚至可以取代這些有線連接。此外，還可以通過UWB對多個房間內的設備進行互聯。但是，由于UWB的傳輸功率較低，信號處理可能會有些困難，其頻率范圍為3~10GHz也不易穿透墻壁等障礙。

UWB的調制頻段定義為超過中心頻率20%的帶寬比(或500MHz)，因此現有的多種方法均可以產生滿足要求的信號，包括直接序列擴頻、啁啾調制、時間調制UWB(TM-UWB)和子頻段方法。

DS-UWB

產生UWB信號的一個簡單方法是用一個非常長的偽隨機噪聲(PN)序列來直接擴展信息位，這樣的系統可看作是CDMA的一種特例。目前已有研究人員提議使用這種方法，不過更為流行的是另一種稱為直接序列UWB(DS-UWB)的方法，它的原理與前者基本相同，但是采用了一個單脈沖作為碼片波形。擴展波形是一個單脈沖短序列，序列中每個單脈沖的極性可通過CDMA中一些擴展碼推理出來，如Gold、 Kasami及Barker碼集。與脈沖無線電不同，這種序列在兩個單脈沖間沒有靜默期(如圖1所示)。因此DS-UWB要同時承受碼間干擾(ISI)和信道間干擾(ICI)，尤其是在采用短代碼序列的時候。

啁啾調制

碼片信號的傳輸和反向壓縮(converse compression)技術最初用于雷達設備。在通信應用中，線性啁啾信號更為適用。這些操作通常由聲表面波(SAW)器件來實現，而使用SAW器件會增加產品尺寸和成本，降低廠商的競爭優勢。此外，SAW器件在不同的溫度條件下變化較大，使可靠性降低。因此，寬帶啁啾調制目前尚未在通信領域獲得廣泛應用。

TM-UWB

TM-UWB系統采用的信號基于短周期脈沖序列，這些脈沖序列由單個基本脈沖波形形成。脈沖波的周期為0.2ns到1ns，而脈沖重復間隔則為25ns到1ms。因此，每兩個脈沖間有一段很長的靜默期，通道脈沖響應可回落到零。這樣無需均衡器便可將碼間干擾降低到可以忽略不計的程度。


我們可以采用不同的方法，用數據來調制脈沖序列。但這些脈沖序列在傳輸時通常沒有轉換成較高的載波頻率，因此這里稱之為“無載波”。這里用到的調制技術包括脈位調制(PPM)及脈幅調制(PAM)，后者則包括了開關鍵控(OOK)和極性鍵控(polarity keying)。

在不同的調制方法中，有各種不同的脈沖波形可供選用，其中高斯脈沖最為常用(見圖3)。在這種脈沖中，為了獲得有效的天線發送效果，直流分量為零。

頻率子頻段應用

目前，很多公司都已開發出單頻段脈沖無線電技術，這些公司同時還獨立開發了多頻段技術，以解決一些共性問題。這些問題包括由于大部分頻譜為脈沖波形所占據而產生固定干擾的處理，通常這些固定干擾很難消除，例如高斯單脈沖有一種特殊的頻譜形狀，可在頻域范圍內進行縮放但無法改變其形狀。

除了上述討論過的脈沖無線電調制技術外，子頻段也可作為一種新的調制技術。它使得碼集更豐富，可在每個脈沖周期內增加更多的信息位。這些豐富的碼集有以下優點：

1. 可以提高數據速率并且不會引發碼間干擾問題，而碼間干擾問題通常在脈沖重復率較高時會出現。

2. 由于它的脈沖重復率低，因此可以使多個未經協調的微型網絡(piconet)設備能及時地交替工作。

3. 增強了抗多徑干擾能力。

多頻段的另一個重要特點是具有可擴展性和靈活性。多頻段方法的優點如下：

1. 滿足規則的靈活性(可以在不同國家或地區使用，滿足不同國家的相關規定和要求)。

2. 消除干擾(例如，它不占用802.11a的頻段)。

3. 使UWB可與其它通信技術共存。

4. 多頻段技術的可擴展性意味著在數據速率和可支配成本較低時，可使用較少的子頻段并使用成本較低的IC工藝，這樣便可實現更低的市場售價。


多頻段技術的缺點則是如果設計不當，那么所有子頻段電路都會出現同樣的問題，增加了成本。

UWB的應用前景及標準化

由于FCC以法律形式限定了UWB的傳輸，因此首要障礙已獲得解決。目前允許使用的頻段尤其適用于高速PAN應用，包括圖像處理及多媒體，這些應用在IEEE任務組的802.15.3a中已進行了標準化。2002年12月11日IEEE標準委員會通過了UWB技術，指出它滿足標準開發的五個要求，即，具有廣泛的市場潛力、兼容性、定位獨特(即它所針對的領域是其它標準沒有涉及的)、技術可行性及經濟可行性。TG3a項目的時間表已經確定，并在2003年3月的會議中公布物理層(PHY)規范提議。進一步的相關介紹及篩選過程將持續到今年8月，并在11月份推出完整的草案。UWB的標準化日程表如此的緊湊，因此從中可預見其巨大的市場潛力，將成為多媒體消費類設備下一種流行的高速無線互聯技術。

最近一些標準化活動表明，多頻段UWB技術已獲得業界的廣泛認同。隨著業界對多頻段技術的支持越來越多，它將在上述各種同類技術中脫穎而出。越來越多的消費者會采用UWB技術作為家庭多媒體互聯技術，該技術將帶來一個廣闊的市場。因此，UWB技術的標準化十分重要，而目前還不能確定該標準制定完成的時間。此外，與未經協調的UWB Piconet共存也十分重要。