超寬帶（UWB）是一種短距離無線通信技術（如Wi-Fi或藍牙），它使用非常大的相對和/或絕對頻帶來發送和接收信息。根據FCC規定，UWB設備可以在3.1–10.6GHz頻段（PDF）中在未經許可的基礎上運行。

在本文中，我們將了解UWB技術的一些重要特性。

UWB共享無線電頻譜

分配給UWB的部分頻率范圍已被現有通信系統使用。例如，如下所示，802.11ac（一種高吞吐量WLAN通信協議）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技術如何在不造成干擾的情況下使用與現有無線系統相同的頻譜？這是通過限制UWB發射器發射的電磁信號的功率譜密度來實現的。

根據FCC（美國頻率監管機構）的規定，室內UWB發射機的功率譜密度在3.1至10.6GHz之間應低于-41.3dBm/MHz。這限制了UWB設備造成的干擾。

圖2顯示了FCC為室內UWB發射機規定的頻譜模板。

圖2.室內UWB發射機的頻譜模板。

UWB在數據傳輸速率、抗多徑效應、高測距精度、低功耗和實施簡單性方面具有優勢。讓我們考慮一類稱為脈沖無線電的UWB系統，以更好地了解該技術的關鍵特性。

脈沖收音機

傳統窄帶通信系統傳輸連續波形，而脈沖無線電傳輸超短持續時間脈沖（小于1ns）來傳達信息。

在每個脈沖之后，發射器在相對較長的時間內保持“靜音”。例如，脈沖無線電可能在每100ns時間間隔內僅傳輸一個1ns脈沖。在這種情況下，我們說占空比為1%（脈沖僅出現在傳輸時間的1%）。

圖3.脈沖無線電發射的典型脈沖序列

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

圖4.脈沖位置和雙相調制改變未調制序列。

請注意，較短的持續時間對應于頻域中的寬帶寬。因此，根據信號持續時間，UWB發射器天線將發射寬帶信號。

圖5.脈沖無線電發射的信號占用很大的頻帶。

傳輸信號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間的一小部分期間傳輸，因此發射器發射的平均功率非常低。具有微瓦數量級的傳輸功率，UWB設備可以延長電池壽命。

高數據速率

盡管發射功率受到限制，但UWB允許在未經許可的情況下使用超寬帶頻譜。這使我們能夠擁有高數據速率（》100Mbit/s）。然而，這種高數據速率只能在10m的相對較短的傳輸距離內實現。這是因為對于每一位信息僅發射非常低的功率。

在較低的數據速率（《1Mbit/s）下，我們可以采用較大的擴頻因子來支持更長的距離。下表比較了UWB與其他室內無線通信技術的數據速率和范圍。

UWB與類似的室內無線通信技術。使用的數據由通信工程中的超寬帶信號和系統提供

對多徑效應的魯棒性

與傳統無線技術相比，UWB信號對多徑效應表現出更強的魯棒性。假設除了從發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.多徑效應的描述

傳輸信號通過給定路徑的總距離（d）所需的時間（t）可通過以下等式獲得：

d=cxt

其中c表示電磁波的速度，大約為3?108m/s。因此，對于我們發送的每個脈沖，接收器輸入端都會出現兩個脈沖。這在圖7中進行了說明，其中發送和接收的脈沖顯示在一張圖中。

圖7.對于每個傳輸的脈沖，接收器輸入端會出現兩個脈沖。

在該圖中，兩個接收到的脈沖很容易識別，因為它們彼此不重疊。然而，一般情況并非如此。檢查上圖，我們可以看到脈沖不會產生干擾——僅當兩條路徑之間的延遲差（t1-t0）大于脈沖寬度（PW）時。

由于UWB脈沖的持續時間非常短，來自不同路徑的脈沖更有可能不會干擾我們想要的脈沖。因此，我們可以輕松地從來自不需要的反射的信號中提取所需信號。這使UWB系統對多徑效應具有更大的免疫力。或者，能量可以通過耙式接收器加在一起。

高測距精度

如上所述，UWB信號的敏銳時間分辨率使我們能夠擁有一個無需借助復雜算法即可解決多徑分量的系統。這使得UWB適用于基于到達時間（ToA）的距離估計應用。

值得一提的是，雖然這些時基測距方案受益于UWB信號的高時間分辨率，但它們也有其自身的局限性。例如，由于UWB脈沖的持續時間非常短，時鐘抖動成為限制因素。

結論

正如我們在脈沖無線電中看到的那樣，UWB可以成為一種有益的短程通信技術，因為它具有數據傳輸速率、對多徑效應的免疫力、高測距精度、低功耗和易于實施。由于這些原因，許多商業開發人員正在轉向UWB而不是近場通信（NFC）選項，以增強設計實施和安全性。
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