超宽带 (UWB) 脉冲无线电为何超越 Wi-Fi 与蓝牙

以脉冲无线电为例，考察超宽带 (UWB) 技术相较其他短距无线通信技术的优势。

超宽带 (UWB) 是短距无线通信技术——如 Wi-Fi 或蓝牙——利用极大相对和/或绝对频带收发信息。按 FCC 规定，UWB 设备可在 3.1–10.6 GHz 频段免许可运行（PDF）。

本文考察 UWB 技术重要特性。

UWB 共享无线频谱

分配给 UWB 的部分频段已被现有通信系统使用。如下图，802.11ac——高吞吐 WLAN 协议——和 UWB 均可用 5 GHz 左右频段。

图 1. UWB 在“噪声底”下工作示意。图源 ITU

UWB 试图更高效利用稀缺频谱资源。

UWB 如何在不干扰现有无线系统前提下使用同一频谱？通过限制 UWB 发射机发射电磁信号的功率谱密度实现。

按 FCC（美国频率监管机构）规定，室内 UWB 发射机功率谱密度应在 3.1-10.6 GHz 间低于 -41.3 dBm/MHz。这限制了 UWB 设备造成的干扰。

图 2 展示 FCC 强制室内 UWB 发射机的频谱模板。

图 2. 室内 UWB 发射机频谱模板。图源 Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

UWB 在数据传输率、抗多径效应、高测距精度、低功耗、实现简易性方面具优势。以脉冲无线电这一类 UWB 系统为例，深入了解关键特性。

脉冲无线电

常规窄带通信系统发射连续波形，脉冲无线电发射超短脉冲（<1 ns）通信。

每个脉冲后发射机保持“静默”相对长时间。例如脉冲无线电每 100 ns 间隔仅发单个 1 ns 脉冲。称占空比 1%（脉冲仅占传输时间 1%）。

图 3. 脉冲无线电典型发射脉冲序列

这些脉冲可用不同方式调制传递信息。图 4 展示脉冲位置调制和双相位调制如何改变未调制序列。

图 4. 脉冲位置调制和双相位调制改变未调制序列。图源 Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

注意短时域对应频域宽带宽。因此取决于信号持续时间，UWB 发射天线发射宽带信号。

图 5. 脉冲无线电发射信号占据大频带。图源 Time Domain Corporation

发射信号中心频率和带宽完全取决于脉冲宽度。

低功耗

脉冲仅在传输时间小百分比内发射，发射机平均发射功率极低。发射功率微瓦级，UWB 设备可延长电池寿命。

高数据率

虽发射功率受限，UWB 允许免许可使用极宽频谱。可实现高数据率 (>100 Mbit/s)。但仅在相对短传输距离 10 m 可达。因每比特信息仅发射极低功率。

低数据率 (<1 Mbit/s) 可用大扩频因子支持更远距离。下表对比 UWB 与其他室内无线技术数据率和距离。

UWB 与可比室内无线通信技术对比。数据源 Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

抗多径效应鲁棒性

UWB 信号比常规无线技术更抗多径效应。假设除发射机到接收机直达路径外，还有物体反射路径。

图 6. 多径效应示意

发射信号传播路径总距离 (d) 所需时间 (t)：

d = c x t

c 为电磁波速度约 3×10⁸ m/s。故每发射脉冲，接收机输入出现两个脉冲。图 7 将发射和接收脉冲同图展示。

图 7. 每发射脉冲，接收机输入出现两脉冲。

图中两接收脉冲易识别因不重叠。但一般情况非如此。可见脉冲不干扰——仅当两路径延迟差 (t₁-t₀) 大于脉冲宽度 (PW)。

UWB 脉冲极短，不同路径来的脉冲更可能不干扰期望脉冲。故易从反射信号中提取期望信号。这给 UWB 系统更强抗多径能力。或用耙式接收机合成能量。

高测距精度

如前所述，UWB 信号锐利时间分辨率允许系统无需复杂算法分辨多径分量。这使 UWB 适合基于到达时间 (ToA) 的测距估计应用。

值得注意的是，这些时域测距方案虽受益于 UWB 高时间分辨率，但有自身局限。例如因 UWB 脉冲极短，时钟抖动成为限制因素。

结语

如脉冲无线电所示，UWB 凭借数据传输率、抗多径效应、高测距精度、低功耗、易实现，可成有益短距通信技术。因此许多商业开发者转向 UWB 而非近场通信 (NFC) 选项，以增强设计实现和安全性。