射频原理

UWB（超宽带）与其他 RF 技术的不同之处在于，它不使用窄带频率载波来传输数据，而是跨频率频谱发送能量脉冲（图 1 ））。FCC（联邦通信委员会）规定，UWB 传输的频率范围为 3.1 至 10.6 GHz，最小频谱宽度为 500 MHz，或中心频率的 25%（中心频率为 4 GHz 时为 3.5 至 4.5 GHz） ）。通过将信号功率划分到一定频率范围内，对任何频率的影响都低于 FCC 第 15 部分规则定义的无意发射器可接受的本底噪声。例如，在 1 GHz 频谱上传播 1W 功率时，每个赫兹频段仅产生 1 nW 功率。接收器收集整个频谱的发射功率以重建脉冲。因此，UWB 可以与其他 RF 技术共存，因为它仅表现为噪声。

图 1窄带通信包将能量传输到窄频谱中。超宽带通信将传输能量分布在很宽的频谱上，因此任何频段的能量都低于本底噪声（由 XtremeSpectrum 提供）。

怎么找到信号？

显然，对于 UWB 接收器来说，脉冲看起来不像噪声。您可以将脉冲称为“成形噪声”，因为它不是平坦的，而是在频谱上弯曲。相比之下，噪声在一定频率范围内看起来相似。换句话说，它没有形状。因此，有时可能与脉冲具有相同强度的实际噪声不会消除脉冲。干扰必须均匀地分布在整个频谱上才能掩盖脉冲。仅部分频谱中的干扰会减少您可以收集的总体信号量，但您仍然可以恢复足够的脉冲来恢复或构建信号。UWB 的另一个重要概念是信号是时间的函数，而不是频率的函数。UWB 中的频率主要决定传播特性，例如可以发送信号的距离、

UWB 的优势之一是供应商已经针对其多种应用进行了开发。由于其高数据速率和范围，UWB 特别适合传输多媒体数据，例如虚拟 PC 或多个便携式高清电视显示器。另一个关键应用是测距。使用单个接收器，您可以确定发射器的范围；通过三个接收器，您可以使用三角测量来确定位置，其精度比 GPS（全球定位系统）高得多。测距产品的示例包括接近检测设备（例如汽车中的碰撞检测器）和跟踪设备（例如缝在儿童衣服中的发射器）。第三个应用类别是雷达和成像。由于UWB使用宽带频谱，信号比窄带频率发射器更容易穿透墙壁。使用测距，接收器可以确定物体是否正在移动。现实世界的应用包括救援工作，其中超宽带雷达可以检测瓦砾下人员的呼吸情况。

供应商使用不同的方法将数据调制成信号（图 2）。一般来说，每种方法都使用某种形式的 PPM（脉冲位置调制）、PAM（脉冲幅度调制）或两者的组合。PPM 涉及及时放置脉冲。例如，如果使用 1 纳秒的间隔或窗口，每秒可以产生多达 10 亿次脉冲。如果将两个连续窗口分组，则第一个窗口中的脉冲表示值 0，第二个窗口中的脉冲表示值 1。PPM4 使用四个窗口来定义两个位，PPM8 使用八个窗口来定义四个位，依此类推。您还可以在一个窗口内及时偏移脉冲，例如偏移 100 皮秒，以指示值 1。在另一种变体 OOK（开关键控）中，脉冲的存在表示值为 1；无脉冲表示值为零。多路径问题可能会使 OOK 的使用变得困难。另一方面，PAM 通过改变脉冲的功率来定义值。例如，PAM8 使用八个级别的脉冲幅度来产生四个位。

一种被广泛接受的调制方案是BPSK(二进制移相键控)，其中信号的相位(0°或180°)决定比特值而不是位置。一些供应商声称BPSK比PPM提供了3db的优势，因为它保持了较低的峰值功率，从而产生了较高的平均功率。

使超宽带信号显示为噪声实际上是一个更复杂的过程。例如，如果你以一定的间隔或PRF(脉冲重复频率)发出脉冲，你就可以提高某些载波及其谐波的本底噪声。信号需要模仿白噪声，这是随机的。此外，如果你把脉冲放入超过一定比例的窗口(一些专家说超过10%)，你的信号就不能产生足够的伪随机性来显示为噪声。(注:在测试UWB对窄带传输的影响时，争论的一个领域在于测试是否使用PRF，从而使UWB看起来比正确实施时更具破坏性。)

提高信号完整性和安全性的一种方法是将几个脉冲组合成一个码字来表示数据值为1;码字的倒数表示零。当一组脉冲出现时，接收端注册该值。将每个数据位的几个脉冲分组可以增加接收机的增益。例如，如果接收方看到一个10位代码中的9位，则很有可能发生了错误，并且实际上发送了这个码字。对脉冲进行分组也使无法获得密码的人更难监听传输。此外，编码脉冲可以同时支持多个用户。为了提高数据的完整性，代码应该是正交的;也就是说，两个10位码应该相差不止一个脉冲，以防止混淆。请注意，编码可以是一个动态特性，随着距离的增加，编码的大小(脉冲的数量)增加，以提高信噪比。当然，您可以实现其他纠错方案来确保信号完整性。因此，纠错的开销会随着信号传播距离的增加而增加，而衰落的影响也会增加。

功耗很大程度上取决于实现，因此UWB功耗引用，如“使用802.11功耗的八分之一”是可疑的。诚然，超宽带的传输功率比802.11低，因为它发送的是短脉冲而不是连续信号。此外，超宽带可以根据节点和接入点之间的距离改变发射功率。然而，这些名言大多只涉及传输权力。发射功率不如总功率重要，总功率包括RF子系统的其余部分。超宽带发射功率以微瓦为单位，但芯片组消耗毫瓦。因此，IC功耗或多或少地决定了电池寿命，而传输功率控制更多的是一个增加空间内用户数量或调整近距离差异的问题，例如降低功率，以便较近的设备不会淹没较远的设备。