8.3 超宽带（UWB）无线收发器电路拓扑结构8.3.1 超宽带（Ultra Wideband，UWB）无线电技术简介 超宽带无线通信技
术是一种用极低的功率（约20mW）、在极宽的频谱范围内（可高达7.5GHz）以极高的速率（可高达500Mb/s）传输信息的无线通信
技术。UWB的核心是冲击无线电（Impulse Radio）技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形代替传统通信传输系统的持
续波形。UWB技术的优点：① UWB的频谱非常宽，能量密度非常低，信号非常难以截获，因此信息传输安全性高；② UWB信号脉冲的有效
宽度很窄，而且在脉冲序列中的占空比很小，具有很强的抗多径能力；③ 几乎所有的电路元器件都可以采用数字电路器件，有利于芯片组设计的器
件最少化和体积最小化，从而实现低成本和低功耗；④ UWB通信系统可以达到高速率、抗干扰、抗多径等特点，可以实现高性能的大容量的通信
系统。 目前，基于UWB的技术应用研究主要在高速短距离通信、雷达和精确定位等领域。UWB技术对于无线短距离的高速数据通信是非常有竞
争力的。在未来，UWB技术将为后3G网、WAN、WLAN、WPAN、WBAN、AdHoc网络、HAN等异构网络的集成提供透明的、无
缝的连接，真正实现后3G时代的“每个人、每件事、任何时间、任何地点”的连接。与此相关联的潜在应用可渗透到许多具体的层面：① 100
～500Mb/s高数据速率的家庭、办公室、学校和远程医疗等无线个人局域网络（HDR-WPAN）。在军事上，可用于无线手持设备和网络
LPI/LPD（低截获率/低检测率）无线电、非视距LPI/LPD地表波通信等；② UWB还可构成高分辨率雷达系统、构成穿墙和穿地成
像系统和动态感应雷达，以及汽车的防撞感应器等。在军事上，可用于入侵检测、无人驾驶车辆和飞行器等； ③ 利用多个UWB节点，再通过波
达时差（TDOA）等技术，可以构成移动节点的精确定位和跟踪系统。可以跟踪或监视病人、犯人或贵重物品等。特别是在室内或封闭环境、GP
S系统无法使用的情况下，基于UWB技术的定位系统更显示其优越性。在军事上，这项技术可以确保军事人员和武器装备的安全等；④ 在短距离
（如几米之内）条件下，以UWB技术构成的以太网接入点的数据速率可达1Gb/s，甚至达到2.5Gb/s。可以利用数字无线视频接口在P
C和LC屏之间实现高质量的视频数据传输；⑤ 提供智能设备的接入能力的智能无线网络，其中包括设备的精确定位、跟踪与报警等；⑥ 室外端
到端网络：主要是指室外UWB设备构成的网络，以支持PDA等便携式无线设备的信息下载等，如下载报纸新闻、图片等信息；⑦ 传感器、定位
与识别网络。 1．UWB频谱与其他无线信号频谱的关系FCC规定UWB工作频谱位于3.l～10.6GHz。如图8.3.1所示，UWB
与其他技术存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB设备的发射功率进行限制。UWB信号
发射的功率谱密度级可达?41.3dBm/MHz。一般情况下，UWB对其他同频或邻频接收器的干扰非常小，通常其功率谱密度在热噪声水平
之下。尽管FCC对UWB的带内功率和带外功率进行了严格的限制，但是它对同一频谱和相邻频谱的其他设备的干扰却是依然存在的。图8.3.
1 UWB频谱与其他无线信号频谱的关系2．UWB与“窄带”或“宽带”系统的主要区别FCC定义的UWB的带宽大于其中心频率的20％
或至少500MHz的带宽，即
≥0.20 （8.3.1）式中，fh为高端10dB下降点；fl为低端10dB下降点。UW
B技术主要是采用无载波方式来实现，UWB直接用脉冲对信号进行调制，调制脉冲的形状非常陡峭，其波形所占用的频谱宽达数吉赫兹。UWB技
术主要是采用无载波方式来实现，UWB直接用脉冲对信号进行调制，调制脉冲的形状非常陡峭，其波形所占用的频谱宽达数吉赫兹。根据香农理论
，可以通过扩展信号的带宽来增加传输系统的容量。香农容量极限公式为
（8.3.2）式中，C=信道容量（bits）； BW=信道带宽； SNR=P/BW?N，
信噪比； P=所接收的信号功率； N=噪声功率谱密度（W/Hz）。 在时域上，脉冲的持续时间决定了信号在频域内所占据的带宽。脉
冲越窄，频谱越宽。显然，UWB技术可以在极低的发射功率下传输非常高的数据数率。UWB技术在短距离（特别是小于10m）时吞吐量远远大
于IEEE 802.11a、IEEE 802.11g两种WLAN技术的吞吐量。3．UWB脉冲波形（1）高斯单周期波形一种高斯单周期
波形的数学表达式 （8.3.
3）式中，fmono为峰值经归一化之后的脉冲输出值，波形如图8.3.2（a）所示。该波形的频谱如图8.3.2（b）所示。图8.3.
2 一种高斯单周期信号的波形及其频谱图8.3.2（b）所对应的数学表达式为其中心频率或频谱密度中的峰值频率fc为 （2）UWB脉
冲序列Time Domain公司设计的一种 UWB脉冲序列在时域中的表示，以及在频域中的能量分布如图8.3.3所示。
图8.3.3 UWB脉冲序列波形及其在频域内的能量4．UWB的空间容量UWB的空间容量定义为单位面积信号覆盖区域内系统的吞吐量
。这一参数可以比较客观地反映系统的容量。作为对比，图8.3.4绘出了几种短距离通信技术的空间容量，UWB的空间容量可以达到1Mb/
(s·m2)，其优势是非常明显的。图8.3.4 几种短距离通信技术的空间容量比较5．UWB信号的编码与调制UWB单脉冲的产生可以
采用如图8.3.2（a）的方案。通过改变脉冲的特性就可以产生符合能量与频谱要求的波形。这其中影响波形特性的因素有3个：发射能量的带
宽；在规定频谱内发射能量的大小；定义能量在频谱中的中心位置。由脉冲的频率可以确定所发射的能量在所处带宽内的中心频率。由脉冲的形状可
以确定在频域内能量的分布。理论上，UWB可以采用以下技术调制：脉冲幅值调制（PAM）、相位调制（BPSK等）、通断键控（OOK）、
脉冲位置调制（PPM）（包括M进制）、正交脉冲调制等。UWB的PAM调制波形如图8.3.5所示。 图8.3.5 UWB的PAM调
制波形多带调制方案是一种更加灵活的频谱利用方案。该方案的基本思想是把7.5GHz的频带分裂成多个更小的频带。为了有效利用整个频谱，
多个频段必须在多个频率中心处产生。采用伪载波振荡可以完成中心频率的选择。伪载波振荡频率确定了频带的中心频率，而振荡波的形状则定义冲
击脉冲的形状，因而确定带宽。多带UWB调制可以有效地使用FCC所规定的整个频谱；可以独立对待单个子频带，增加了UWB系统的灵活性。
在UWB设备与其他设备共存时，多带调制方案可以有效地减少UWB设备对其他窄带设备的干扰。通常，UWB系统采用跳时编码（TH－UWB
）和直接序列编码（DS－UWB）。6．UWB存在的问题UWB在技术上还有诸多尚未解决的问题：① 调制和编码技术还有待完善。但在未来
的商业应用中，用户容量是非常重要的因素。调制和编码技术是已知的改善系统容量的最重要的手段，必须发明自适应的调制方法和信道编码方案，
以适应UWB所具有的特殊的时域特性；② 为了能够适应复杂的信号传播环境，可能需要一些如MIMO（多输入多输出）之类的先进技术，从而
提供可靠的连接，以及对数据速率的适应能力；③ 虽然UWB技术具有内在的抗多径能力，但它并不能完全克服这一问题。在有些室内环境下，这
种多径效应将变得非常严重； ④ 在物理层，UWB收发器的系统结构、天线设计与实现是一个突出的问题与挑战，UWB设备的天线系统需要面
临更高的带宽和线性度及可变的工作条件等要求；⑤ 如何在最有效地利用频谱的同时，克服窄带（NB）发送器对UWB接收器所造成的干扰？如
何采用自适应滤波器等技术来降低干扰；⑥ UWB技术的速率或吞吐量的极限是多少？ ⑦ UWB设备对其他无线电设备的干扰的定量分析和评
价；如何解决UWB设备对窄带接收器所造成的干扰？如何评价UWB信号对其他共存无线系统如对蓝牙设备、WLAN、FWA和3G蜂窝系统等
的影响？⑧ 在地理环境复杂的条件下，如何有效地捕捉多径能量；⑨ UWB系统与设备的非线性模拟电路和元件设计技术，超高速时钟、同步延
时和功耗等问题的解决。8.3.2 UWB收发器电路拓扑结构一般的UWB发射机和接收机电路拓扑结构如图8.3.6和图8.3.7所示
。一种高集成度的、低功耗、用于室内的、用于无线网络的UWB收发器电路拓扑结构如图8.3.8所示。图8.3.6 UWB发射机电路拓
扑结构 图8.3.7 UWB接收机的电路拓扑结构图8.3.8 UWB收发器电路拓扑结构示意图UWB相关接收器负责对所接收的信号
进行相关处理，即将所接收的信号与所期望的脉冲信号进行相关操作。一个UWB相关接收器的原理图如图8.3.9所示。两种UWB相关接收器电路拓扑结构示意图如图8.3.10所示。在图8.3.10（a）中，首先直接对信号进行采样，需要多个模/数（A/D）转换器，各转换器在时间上分别具有不同的偏移量，以较低的分辨率和脉冲重复速率采样。图8.3.10（b）是一种模拟积分器方案，即在模/数转换之前，先对N个脉冲进行相关操作，分辨率可以增大到大约log2N。图8.3.9 一个UWB相关接收器的原理图图8.3.10 UWB相关接收器电路拓扑结构示意图 |
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