通过脉冲无线电评估超宽带系统的优势

以脉冲无线电为例，我们将检验超宽带 (UWB) 技术与其他短距离无线通信技术相比的优势。

超宽带 (UWB) 是一种短距离无线通信技术（如 Wi-Fi 或蓝牙），它使用非常大的相对和/或绝对频带来发送和接收信息。根据 FCC 规定，UWB 设备可以在 3.1–10.6 GHz 频段 (PDF) 中在未经许可的基础上运行。

在本文中，我们将了解 UWB 技术的一些重要特性。

UWB 共享无线电频谱

分配给 UWB 的部分频率范围已被现有通信系统使用。例如，如下所示，802.11ac（一种高吞吐量 WLAN 通信协议）和 UWB 都被允许使用 5 GHz 左右的频段。

图 1. UWB 在“本底噪声”下工作的示意图。图片由国际电联提供

UWB试图更有效地利用稀缺的频谱资源。

UWB技术如何在不造成干扰的情况下使用与现有无线系统相同的频谱？这是通过限制超宽带发射机发射的电磁信号的功率谱密度来实现的。

根据 FCC（美国频率监管机构）的规定，室内 UWB 发射机的功率谱密度在 3.1 至 10.6 GHz 之间应低于 -41.3 dBm/MHz。这限制了 UWB 设备造成的干扰。

图 2 显示了 FCC 规定的室内 UWB 发射机频谱模板。

图 2. 室内 UWB 发射机的频谱模板。图片由超宽带无线通信和网络提供

UWB 在数据传输速率、抗多径效应、高测距精度、低功耗和实施简单性方面具有优势。让我们考虑一类称为脉冲无线电的 UWB 系统，以更好地了解这项技术的关键特性。

脉冲收音机

传统窄带通信系统传输连续波形，而脉冲无线电传输超短持续时间脉冲（小于1 ns）来传达信息。

在每个脉冲之后，发射器在相对较长的时间内保持“静音”。例如，脉冲无线电可能在每 100 ns 时间间隔内仅传输一个 1 ns 脉冲。在这种情况下，我们说占空比为 1%（脉冲仅出现在传输时间的 1%）。

图 3。 脉冲无线电发射的典型脉冲序列

这些脉冲可以以不同的方式调制以传达信息。下面的图 4 显示了脉冲位置调制和双相调制如何改变未调制序列。

图 4。 脉冲位置和双相调制会改变未调制的序列。图片由通信工程中的超宽带信号和系统提供

请注意，较短的持续时间对应于频域中的宽带宽。因此，根据信号持续时间，UWB 发射器天线将发射宽带信号。

图 5。 脉冲无线电发射的信号占用很大的频带。图片由 Time Domain Corporation 提供

传输信号的中心频率和带宽完全取决于脉冲宽度。

低功耗

由于脉冲仅在传输时间的一小部分期间传输，因此发射器发射的平均功率非常低。具有微瓦数量级的传输功率，UWB 设备可以延长电池寿命。

高数据速率

尽管发射功率受到限制，但 UWB 允许在未经许可的情况下使用超宽带频谱。这使我们能够拥有高数据速率 (>100Mbit/s)。然而，这种高数据速率只能在 10 m 的相对较短的传输距离内实现。这是因为每一位信息只发出非常低的功率。

在较低的数据速率 (<1 Mbit/s) 下，我们可以采用较大的扩频因子来支持更长的距离。下表比较了 UWB 与其他室内无线通信技术的数据速率和范围。

UWB 与类似的室内无线通信技术。数据由通信工程中的超宽带信号和系统提供

对多径效应的鲁棒性

与传统无线技术相比，UWB 信号对多径效应表现出更强的鲁棒性。假设除了从发射器到接收器的电磁波传播的直接路径之外，还有另一条由物体反射引起的路径。

图 6。 多径效应的描述

传输信号通过给定路径的总距离（d）所需的时间（t）可由下式获得：

d =c x t

其中 c 表示电磁波的速度，约为 3✕10 ⁸ 多发性硬化症。因此，对于我们发送的每个脉冲，接收器输入端都会出现两个脉冲。这在图 7 中进行了说明，其中发送和接收的脉冲显示在一张图中。

图 7。 对于每个传输的脉冲，接收器输入端会出现两个脉冲。

在该图中，两个接收到的脉冲很容易识别，因为它们彼此不重叠。然而，一般情况并非如此。查看上图，我们可以看到脉冲不会产生干扰——只有当两条路径之间的延迟差（t1-t0）大于脉冲宽度（PW）时。

由于 UWB 脉冲的持续时间非常短，来自不同路径的脉冲更有可能不会干扰我们想要的脉冲。因此，我们可以轻松地从那些来自不需要的反射的信号中提取所需的信号。这使 UWB 系统对多径效应具有更大的免疫力。或者，能量可以通过耙式接收器加在一起。

测距精度高

如上所述，UWB 信号的敏锐时间分辨率使我们能够拥有一个无需借助复杂算法即可解决多径分量的系统。这使得超宽带适用于基于到达时间 (ToA) 的距离估计应用。

值得一提的是，虽然这些时基测距方案受益于 UWB 信号的高时间分辨率，但它们也有其自身的局限性。例如，由于 UWB 脉冲的持续时间非常短，时钟抖动成为限制因素。

结论

正如我们在脉冲无线电中看到的那样，UWB 可以成为一种有益的短程通信技术，因为它具有数据传输速率、对多径效应的免疫力、测距精度高、功耗低和易于实施。由于这些原因，许多商业开发人员正在转向 UWB 而不是近场通信 (NFC) 选项，以增强设计实施和安全性。