第1章 绪论
超宽带(UWB)无线通信技术是近年来通信领域兴起的一种无线互连技术。超宽带无线通信是使用微弱的，持续时间极短的脉冲进行短距离通信。一般脉冲持续时间为0.2ns到1ns，因此脉冲序列不必转换成较高的载波频率进行传输，而是直接利用纳秒至皮秒级的窄脉冲形式传输。这种方式占用带宽非常之宽，具有G量级带宽。信号占空比极低，每个信号间出现较长的无信号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间干扰降至可忽略的程度，所以它有很好的多径免疫能力。
一般认为，如果一个信号的带宽相对于载波中心频率或中心频率来说较宽，即相对带宽很大，那么这个信号就是UWB信号。更一般的定义来自于雷达领域，规定只要一个信号在10dB处的绝对带宽大于0.5GHz或分数带宽大于20%，则这个信号就是超宽带信号。传统上，UWB信号是通过很窄的脉冲来获得的，这项技术目前已经在雷达系统中广泛应用，称其为脉冲无线电（IR）。这种脉冲传输的特点是，通过对非常窄的脉冲信号进行调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。
1.1 UWB通信技术背景和发展现状
UWB的历史渊源，可以追溯到一百多年前的无线电报时代。早在向2英里外传输莫尔斯电码，而早在1900年，费森登(Fessenden)就利用了火花隙发射机将声音传到了1英里之外。由于技术上的限制和需求可靠通信的商界压力，研究和开发转向连续波传输，直到最近几年，都只是局限在雷达领域。但是Marconi的一些追随者也不断地出现：1946年，开发了一种不寻常的微波中继系统，该系统以传输脉冲信号为基础，采用脉冲位置调制(PPM)方式，双向语音传输的无线链路总共可达1600英里，单向时为3200英里。Barrett曾在2000年指出，美国国防部于1989年“铸造”了UWB这个词。20世纪
90年代，一些中小型企业又重新引入基于UWB概念的无线通信思想，并进一步发展了遵从IR范例的UWB技术，提升了无载波和极短脉冲传输技术
[1][2][3]
。
2002年2月28日，美国英特尔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。
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。
通过通信界专家们大量努力所作出技术成果的铺垫，UWB无线通信史上最具里程碑意义的时间发生在2002年4月，美国FCC（联邦通信委员会）批准了第一个指南，允许（至少在美国）在指定地功率辐射掩蔽(emission mask)下的UWB信号有意识发射。然而，根据FCC的规定，UWB并不局限于脉冲传输，而是可以扩展为类似地传输技术，只要发射信号大带宽大于500MHz。FCC规定的发布产生了双重影响。一方面，FCC关于UWB的辐射规定，提高了主要芯片生产商（如Texas Instrument、Motorola、IBM和Intel等）的兴趣；而在另一方面，引发了围绕IR方式与传统地基于连续载波传输技术的优势问题的争论。争论一直没有达成一致，这一点可从当前在UWB标准问题上的分歧，尤其IEEE是802.15.3a任务组(Task Group)的框架便知。这个任务组于2011年底为了发展高速低功耗WPAN的而成立。到2004年3月为止，对基于UWB的物理层提出了两种仍在考虑中的提案：一种是将跳频与正交频分复用(OFDM)结合起来的MB(Multi-Band)方案，另一种是保存了原始UWB脉冲属性的DS-UWB方案。由于两种方案的截然不同，而且各自都有强大的阵营支持，制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案，于是将其交由市场解决，该工作组也于05年宣布投票解散。至今，UWB还在争论之中。
1.2 UWB的技术特点
由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点[4][5]：
(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，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，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而也不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。
(2)高速的数据传输：UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
(3)功耗低：UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲时间很短，一般在0.20ns~1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统设备有很大的优越性。
(4)安全性高：由于UWB信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。
(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的事持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，