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超宽带（UWB）无线传输技术分析及应用
刘岚 1，张建琼 2 ，宫兆隆 3
武汉理工大学,(430070)
摘要：超宽带无线传输技术（UWB），以其高性能低功耗和低成本等优点成为实现数字
家庭网倍受关注的技术之一。本文就超宽带无线通信技术的信号模型，特点，收发机模型，
标准的制定，以及该技术应用前景和实现所面临的困难做了简要的分析和阐述。
关键词：UWB（超宽带），PAN（个人区域网）,MBOA，DS-CDMA
1. 引言
随着短距离无线通信技术的发展，近几年无线通信界提出个人局域网（ Personal Area
Network 简称为 PAN ）的概念, PAN 的核心思想是利用新的无线传输技术代替原有的有线
传输技术，实现个人通信终端设备的智能化连接，组成个人化办公室或家庭信息网络。目前
已提出的技术有 BlueTooth,, IrDA( Infrared Data Association) HomeRF 以
及超宽带无线传输技术（UWB），其中 UWB 以其功耗低、传输速率高、抗干扰等优点成为实
现 PAN 中最具竞争利力的技术之一。
2. 超宽带无线传输技术
UWB 的起源和概念
现代意义上的超宽带数据传输技术，又称脉冲无线电（IR Impulse Radio）技术, 其
历史可以追溯到 1942 年 De Rosa 提交的随机脉冲系统的专利。70 年代得到重新发展，其中
多数集中应用于军事上的雷达和低截获率/低侦测率的通信系统。到 80 年代后期，该技术开
始被称为‘无载波’无线电，或脉冲无线电。美国国防部在 1989 年首次使用了“超宽带”
这一术语。自 1998 年起，美国联邦通信委员会（FCC）对超宽带无线社设备对原有窄带无线
通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，在有美国军方和航空界等众多
不同意见的情况下，2002 年 2 月 FCC 准许 UWB 技术进入民用领域。
FCC 定义，信号带宽大于 500HZ，或带宽与中心频率之比大于 25％的带宽为超宽带。
UWB 技术的特点
UWB 技术的优点
z 占用的频带宽，传输速率高。UWB 使用的带宽在 1GHz 以上，高达几个 GHz。UWB 的数据
速率可以达到几十 Mbit/s 到几百 Mbit/s，目前在 10m 范围以内其传输速率可以达到
470Mbps。
z 保密性好。UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送
端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，对于一般的
通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，用传统的接收机无法接收。
z 抗多径衰落。UWB 每次发射的脉冲时间短，当反射波到来时已经接受完毕了，因此抗多
径衰落的能力较强。
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z 无载波通信，功耗低，收发设备简单。采用纳秒级（一般低于 ）脉冲宽度的周期
性非正弦高斯短脉冲信号传输信息，通信设备可以用小于 1mW 的发射功率就能实现通
信。不需上变频，从而不需功率放大器和混频器；接收端无需中频处理，因此相对于传
统的窄带信号来说，大大简化了收发设备。
UWB 技术的缺点
UWB 与其他窄带系统共用频段，UWB 的瞬时功率大，容易影响到民航及现有的通信系统，
为保护 GPS、导航和军事通信频段，UWB 被限制在 GHz 频段和低于 41 dB 的发射功
率，目前重点用于短距离通信（<10m）。
3. UWB基本原理及体系结构
UWB 信号模型
高斯单循环脉冲
UWB 最常用的信号脉冲是高斯单循环脉冲，理想的高斯脉冲的时域、频域特性如图 1示，
该脉冲是宽带信号，中心频率和带宽完全取决于脉冲的宽度，其时域表达式为：
2( )
( ) au
t
t
au
tv t e
t
−= （1）
式中 aut 表示脉冲宽度。
高斯单循环脉冲的频域表达式为：
2 22( ) auf tauv f j f t e
−= − × × × （2）
从图 1示例看出，高斯单周期脉冲的周期为 ，其中心频率 f,=1/ =2GHz，带宽
是中心频率的 116％，大约是 2GHZ。
图 1周期单循环脉冲时域、频域图
调制信号
目前 UWB采用的调制技术主要是脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）。规
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则的单循环脉冲会产生规则分布的能量尖峰，这些能量尖峰会对其他同用频段内的无线系统
产生较大的干扰。为消除由于多用户而引发的突发性冲突现象出现，目前提出采用脉冲位置
调制技术（PPM）得到的典型跳时（TH）信号形式可以较好的解决此问题，即给每个用户
分配一个不同的跳时序列来获得不同的附加脉冲时移，使得下一时刻的脉冲信号发射提前或
是滞后一段时间，射频能量更加均匀的分布在带宽内，从而避免的信号能量的累加，使得频
谱更为平坦，减小对其他系统的干扰。
对第 k个发射机而言 TH-PPM信号可以表示为
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
/( ) ( )s
k k k k k
tr tr f j c j N
j
s t w t jT c T dδ∞ ⎢ ⎥⎣ ⎦=−∞= − − −∑ （3）
其中 ( )kt 是第 k个发射机的时钟时间， fT 是脉冲重复时间， ( )trw t 表示被发送的单周期
脉冲波形，对第 k个发射极的 TH-PPM 信号可能包含由不同的时间移位而构成的许多单周
期脉冲波形，第 j个单周期波形的开始时间为： ( ) ( )/ s
k k
f j c j NjT c T dδ ⎢ ⎥⎣ ⎦+ +
PAM 能有效提高频谱效率，在高斯白噪声信道中具有最佳性能。预测在多径信道中
PAM调制表现出更好的性能，因此为支持基于 IP的多速率业务及提高系统资源利用率，有
必要进一步研究使用于 UWB信道的多进制脉冲调制和自适应脉冲调制技术。
UWB 收发机框图
UWB 发射机直接发送纳秒级脉冲来传输数据而不需使用载波电路，所以 UWB 发射机比现
有的无线发射设备要简单得多。经调制后的数据与伪随机码产生器生成的伪随机码一起送入
可编程延迟电路，可编程延迟电路产生的时延控制脉冲信号发生器的发送时刻.
相关器用特定的模板波形乘接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。模板
波形匹配时，相关器的输出度量了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差，当直
流输出为正或者负时表示接收到的脉冲相位超前或者落后模板波形相位，根据位置差即可解
调出数据序列。
图 2 UWB 收发设备框图
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UWB 的传输标准的制定
虽然 UWB 具有其他短距离无线通信传输系统无法比拟的优越性，目前进行市场推广最大
的障碍是 UWB 标准的制定，而且在标准化工作上还存在比较大的分歧。目前在 UWB 技术标准
方面存在两大阵营，分别是以英特尔和德州电器为代表的 MBOA(multiband-OFDM alliance) ,
Motorloa 公司和 Xtreme Spectrum 公司所支持的 DS-CDMA 技术阵营。
DS-CDMA 建议采用了双频带( GHz 加 GHz)的传输，即在每个超
过1GHz的频带内用极短时间脉冲传输数据。它采用24脉片(chip) /符号的直接扩频(DS-SS)
实现编码增益，与 MB--OFDM 相比有较好的频率利用率。
图 3 双频带方式
MB-OFDM 多频带 OFDM 提案由德州仪器和英特尔的方案统一而成，其基本思想是把频段
分为多个 528 MHz 的频带，数据在每个频带用 OFDM 调制进行传输。每个子频带(信道)采用
时一频交织正交频率复用(<TFI-OFDM)方式，把超宽带带宽分成一组正交窄带信道(即增大符
号时间)。图 4 显示多载波频谱。长符号时间的好处是抗 ISI(符号间干扰)能力较强，但是
OFDM 方式提高了收发器的复杂度，增加了对 ICI(子信道间干扰)的处理，对功放器件的线性
度要求也更高了。
图 4 多频带方式
UWB 短脉冲天线设计
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UWB 系统的实现存在着很多技术上的挑战，天线更是至关重要的一个环节。超宽带短脉
冲天线应具备的特征是:辐射脉冲应保持激励信号性状，要脉冲失真小;天线输入端反射信号
要小;在一定方向上辐射信号的幅度应尽可能大。圆柱单极子天线，对数周期天线，单圆锥
天线等都可以作为辐射短脉冲的天线，对其结构或材料进行一定的改良以期可以实现优良的
超宽带性能。例如：根据 WU 和 KING 的加载偶极子的思想，对圆柱单极子天线进行适当的连
续阻性加载一方面改善了天线辐射短脉冲的性能，另一方面由于损耗而导致辐射效率降低。
对双圆锥天线进行加载可以减小反射，提高有限长天线辐射短脉冲的能力。
4. UWB 的应用前景
UWB 技术，特别是采用基带脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行
通信、成像或定位。与全球定位系统(GPS)相比，UWB 技术的定位精度更高。根据上述的功
能，UWB 技术可以应用于无线多媒体局域网/家域网/个域网，无线传感网，雷达定位和成像
系统，智能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。
UWB 的主要市场在家庭,与其他无线技术 WLAN、蓝牙相比，具有一定"相容"性和高速、
低成本、低功耗的优点使得 UWB 较适合家庭无线消费市场的需求，例如取代 USB 作为外设的
接口、把 DVD 机播放的视频流传输到隔壁房间的电视或 PC 机上、在小型公司内部进行数据
传输等。据预测，家庭网络市场将于 2007 年增长至 53 亿美元。在这个市场内，家庭多媒体
无线网络技术将占据大约 49%的份额，即 26 亿美元。如此巨大的市场自然吸引业界的关注。
从有关 UWB 标准的争论就能看出巨头们对于 UWB 的重视。
5.总结
实现ＵＷＢ袖珍设备前端机还面临一些困难：
首先是难以实现高效率的天线，尤其是尺寸很小时；目前还无法解决由信道和天线滤波
特性引起的脉冲形状失真和宽带匹配引起的损耗和宽带 LAN 的损耗。其次，另一个挑战来自
基带设计。UWB 是通过微弱的窄脉冲信号进行通信的，其脉冲宽度为纳秒级。因此需要极高
的时间分辨率，并可能需要增加捕获时间且增加相关器的数目来捕获信号能量。
超宽带无线通信技术在实现数字家庭网中的优越性奠定了其发展的可能性，目前的研究
表明，有关该技术的标准的制定，收发天线的实现等方面还存在着诸多问题，UWB 无线传输
技术的实现过程中所存在的问题有待于进一步的研究和探讨。
参考文献：
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[2]约瑟夫 翁 穆王高卡,曹志刚,超宽带(UWB)通信的标准化现状,信息技术与标准化,2004,(7):24~29
[3] Terence W Barrett, History of Ultra Wide Band (UWB), Radar&Communication Pioneers and
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[4] StanSchatt, Ultra wide band Wireless Networks on the Horizon’ 2001 Giga Information Group,
December 7,2001
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The introduction of UWB and its application
Liu Lan ， Zhang Jian qiong，Gong Zhao long
Wu Han University of Technology，430070
Abstract： These years, ultra wideband (UWB) has become one of the most important
wireless .technologies . The characteristics and standards of UWB and the modes of its sending and
receiving devices are talked in this paper. And the difficulties of its developing are also discuss here.
The designing of its antenna is mentioned a little too.
Keywords: UWB，PAN , MBOA，DS-CDMA
