超宽带通信技术的发展现状与展望
摘要：超宽带（UWB）通信技术是一种利用极短的脉冲信号在超宽的频带内进行信息传输的无线电技术，具有高速率、低功耗、抗干扰、精确定位等优点，近年来受到了广泛的关注和研究。本文介绍了UWB通信技术的基本原理和特点，分析了UWB通信系统的主要组成部分和关键技术，概述了UWB通信技术在无线传感网络、雷达、定位、多媒体等领域的应用情况，展望了UWB通信技术的发展趋势和面临的挑战。
关键词：超宽带；通信技术；系统组成；关键技术；应用领域
随着信息社会的发展和人们对无线通信服务的需求日益增加，传统的窄带无线通信技术已经难以满足高速率、高容量、低成本、低功耗等性能要求，因此，寻找一种新型的无线通信技术成为了迫切的课题。超宽带（UWB）通信技术就是一种具有很大潜力的新兴无线通信技术，它利用极短的脉冲信号（持续时间在纳秒级以下）在超宽的频带内（至少占据3.1GHz以上或20%以上相对带宽）进行信息传输，可以实现高速率（达到数百兆比特每秒）、低功耗（每比特功耗在皮瓦级以下）、抗干扰（可以与其他窄带或宽带系统共存）、精确定位（可以实现厘米级甚至毫米级的定位精度）等优点。
UWB通信技术起源于上世纪60年代，最初是用于军事目的，如隐身雷达、地下探测等。1998年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动了多项目多大学联合研究计划（MURI），将UWB技术引入民用领域，如无线局域网（WLAN）、个人区域网（PAN）、无线传感网络（WSN）等。2002年2月14日，美国联邦通信委员会（FCC）正式批准了UWB设备在3.1GHz至10.6GHz频段内以极低功率辐射电磁波进行商业运营的规则，这标志着UWB通信技术的商业化进程正式开始。此后，UWB通信技术在全球范围内引起了广泛的关注和研究，各国政府和标准化组织也相继制定了相关的法规和标准，如欧盟、日本、韩国、中国等。
本文旨在介绍UWB通信技术的基本原理和特点，分析UWB通信系统的主要组成部分和关键技术，概述UWB通信技术在无线传感网络、雷达、定位、多媒体等领域的应用情况，展望UWB通信技术的发展趋势和面临的挑战。
2. UWB通信技术的基本原理和特点
2.1 UWB通信技术的基本原理
UWB通信技术的基本原理是利用极短的脉冲信号（持续时间在纳秒级以下）在超宽的频带内（至少占据3.1GHz以上或20%以上相对带宽）进行信息传输。UWB信号可以采用不同的调制方式，如脉冲位置调制（PPM）、脉冲幅度调制（PAM）、脉冲相位调制（PPM）、正交调制（OOK）等，来实现不同的数据速率和性能要求。UWB信号可以通过不同的方式产生，如高斯单极性脉冲（Gaussian monocycle pulse）、高斯双极性脉冲（Gaussian doublet pulse）、高斯导数脉冲（Gaussian derivative pulse）、海森堡脉冲（Hermite pulse）、多边形脉冲（Polygonal pulse）等。图1给出了一些常用的UWB脉冲信号的时域波形和频域谱图。
图1 常用的UWB脉冲信号
2.2 UWB通信技术的特点
UWB通信技术具有以下几个显著的特点：
1.高速率：由于UWB信号占用了超宽的频带，因此可以实现高速率的数据传输，达到数百兆比特每秒甚至更高。例如，IEEE 802.15.3a标准规定了一种基于多带正交频分复用（MB-OFDM）技术的UWB系统，可以实现110Mbps至480Mbps不等的数据速率。
2.低功耗：由于UWB信号采用了极短的脉冲信号，因此每个脉冲所携带的能量很小，每比特功耗在皮瓦级以下。这使得UWB设备可以使用很小的电池或甚至无需电池而使用能量收集技术来工作，适合于低功耗、低成本、小型化的无线设备。
3.抗干扰：由于UWB信号具有很宽的带宽，因此可以抵抗窄带或宽带干扰信号的影响，同时也可以与其他窄带或宽带系统共存而不造成严重的干扰。另外，由于UWB信号具有很低的功率谱密度，因此可以作为一种隐秘通信方式，难以被探测或拦截。