超寬帶系統(tǒng)有什么優(yōu)勢(shì)

超寬帶（UWB）是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)（如Wi-Fi或藍(lán)牙），它使用非常大的相對(duì)和/或絕對(duì)頻帶來(lái)發(fā)送和接收信息。根據(jù)FCC規(guī)定，UWB設(shè)備可以在3.1–10.6GHz頻段（PDF）中在未經(jīng)許可的基礎(chǔ)上運(yùn)行。

在本文中，我們將了解UWB技術(shù)的一些重要特性。

UWB共享無(wú)線電頻譜

分配給UWB的部分頻率范圍已被現(xiàn)有通信系統(tǒng)使用。例如，如下所示，802.11ac（一種高吞吐量WLAN通信協(xié)議）和UWB都被允許使用5GHz左右的頻段。

圖1.在“本底噪聲”下工作的UWB示意圖。

UWB試圖更有效地利用稀缺的頻譜資源。

UWB技術(shù)如何在不造成干擾的情況下使用與現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)相同的頻譜？這是通過(guò)限制UWB發(fā)射器發(fā)射的電磁信號(hào)的功率譜密度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)FCC（美國(guó)頻率監(jiān)管機(jī)構(gòu)）的規(guī)定，室內(nèi)UWB發(fā)射機(jī)的功率譜密度在3.1至10.6GHz之間應(yīng)低于-41.3dBm/MHz。這限制了UWB設(shè)備造成的干擾。

圖2顯示了FCC為室內(nèi)UWB發(fā)射機(jī)規(guī)定的頻譜模板。

圖2.室內(nèi)UWB發(fā)射機(jī)的頻譜模板。

UWB在數(shù)據(jù)傳輸速率、抗多徑效應(yīng)、高測(cè)距精度、低功耗和實(shí)施簡(jiǎn)單性方面具有優(yōu)勢(shì)。讓我們考慮一類稱為脈沖無(wú)線電的UWB系統(tǒng)，以更好地了解該技術(shù)的關(guān)鍵特性。

脈沖收音機(jī)

傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)傳輸連續(xù)波形，而脈沖無(wú)線電傳輸超短持續(xù)時(shí)間脈沖（小于1ns）來(lái)傳達(dá)信息。

在每個(gè)脈沖之后，發(fā)射器在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持“靜音”。例如，脈沖無(wú)線電可能在每100ns時(shí)間間隔內(nèi)僅傳輸一個(gè)1ns脈沖。在這種情況下，我們說(shuō)占空比為1%（脈沖僅出現(xiàn)在傳輸時(shí)間的1%）。

圖3.脈沖無(wú)線電發(fā)射的典型脈沖序列

這些脈沖可以以不同的方式調(diào)制以傳達(dá)信息。下面的圖4顯示了脈沖位置調(diào)制和雙相調(diào)制如何改變未調(diào)制序列。

圖4.脈沖位置和雙相調(diào)制改變未調(diào)制序列。

請(qǐng)注意，較短的持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于頻域中的寬帶寬。因此，根據(jù)信號(hào)持續(xù)時(shí)間，UWB發(fā)射器天線將發(fā)射寬帶信號(hào)。

圖5.脈沖無(wú)線電發(fā)射的信號(hào)占用很大的頻帶。

傳輸信號(hào)的中心頻率和帶寬都完全取決于脈沖寬度。

低功耗

由于脈沖僅在傳輸時(shí)間的一小部分期間傳輸，因此發(fā)射器發(fā)射的平均功率非常低。具有微瓦數(shù)量級(jí)的傳輸功率，UWB設(shè)備可以延長(zhǎng)電池壽命。

高數(shù)據(jù)速率

盡管發(fā)射功率受到限制，但UWB允許在未經(jīng)許可的情況下使用超寬帶頻譜。這使我們能夠擁有高數(shù)據(jù)速率（》100Mbit/s）。然而，這種高數(shù)據(jù)速率只能在10m的相對(duì)較短的傳輸距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)閷?duì)于每一位信息僅發(fā)射非常低的功率。

在較低的數(shù)據(jù)速率（《1Mbit/s）下，我們可以采用較大的擴(kuò)頻因子來(lái)支持更長(zhǎng)的距離。下表比較了UWB與其他室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)速率和范圍。

UWB與類似的室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)。使用的數(shù)據(jù)由通信工程中的超寬帶信號(hào)和系統(tǒng)提供

對(duì)多徑效應(yīng)的魯棒性

與傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)相比，UWB信號(hào)對(duì)多徑效應(yīng)表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性。假設(shè)除了從發(fā)射器到接收器的電磁波傳播的直接路徑外，還有另一條由物體反射引起的路徑。

圖6.多徑效應(yīng)的描述

傳輸信號(hào)通過(guò)給定路徑的總距離（d）所需的時(shí)間（t）可通過(guò)以下等式獲得：

d=cxt

其中c表示電磁波的速度，大約為3?108m/s。因此，對(duì)于我們發(fā)送的每個(gè)脈沖，接收器輸入端都會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖。這在圖7中進(jìn)行了說(shuō)明，其中發(fā)送和接收的脈沖顯示在一張圖中。

圖7.對(duì)于每個(gè)傳輸?shù)拿}沖，接收器輸入端會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)脈沖。

在該圖中，兩個(gè)接收到的脈沖很容易識(shí)別，因?yàn)樗鼈儽舜瞬恢丿B。然而，一般情況并非如此。檢查上圖，我們可以看到脈沖不會(huì)產(chǎn)生干擾——僅當(dāng)兩條路徑之間的延遲差（t1-t0）大于脈沖寬度（PW）時(shí)。

由于UWB脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短，來(lái)自不同路徑的脈沖更有可能不會(huì)干擾我們想要的脈沖。因此，我們可以輕松地從來(lái)自不需要的反射的信號(hào)中提取所需信號(hào)。這使UWB系統(tǒng)對(duì)多徑效應(yīng)具有更大的免疫力?；蛘?，能量可以通過(guò)耙式接收器加在一起。

高測(cè)距精度

如上所述，UWB信號(hào)的敏銳時(shí)間分辨率使我們能夠擁有一個(gè)無(wú)需借助復(fù)雜算法即可解決多徑分量的系統(tǒng)。這使得UWB適用于基于到達(dá)時(shí)間（ToA）的距離估計(jì)應(yīng)用。

值得一提的是，雖然這些時(shí)基測(cè)距方案受益于UWB信號(hào)的高時(shí)間分辨率，但它們也有其自身的局限性。例如，由于UWB脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短，時(shí)鐘抖動(dòng)成為限制因素。

結(jié)論

正如我們?cè)诿}沖無(wú)線電中看到的那樣，UWB可以成為一種有益的短程通信技術(shù)，因?yàn)樗哂袛?shù)據(jù)傳輸速率、對(duì)多徑效應(yīng)的免疫力、高測(cè)距精度、低功耗和易于實(shí)施。由于這些原因，許多商業(yè)開發(fā)人員正在轉(zhuǎn)向UWB而不是近場(chǎng)通信（NFC）選項(xiàng)，以增強(qiáng)設(shè)計(jì)實(shí)施和安全性。
責(zé)任編輯人：CC