胡哲峰
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超宽带（UWB）技术具有带宽极宽、传输速率较高、发射功率很低且功耗小、保密性较好等优点，因而被认为是一种非常有前途的新兴技术，在短距离、大容量无线通信系统及宽带传感网络中具有十分广阔的应用前景。
当前各种短距离无线通信技术的对比
技术种类 |
工作频段(GHz) |
传输速率 (Mbit/s) |
通信距离 (m) |
发射功率 |
成本 |
WiMAX |
2-11 |
<74.7 |
<50000 |
>100 mw |
较高 |
Wi-Fi |
2.4 |
54 |
10-100 |
>1 w |
较高 |
Bluetooth |
2.4 |
<1 |
10 |
1-100 mw |
较低 |
UWB |
3.1-10.6 |
>100 |
<10 |
<1 mw |
较低 |
Zigbee |
2.4 |
0.01-0.25 |
10-75 |
1-10 mw |
极低 |
目前广泛被接受的关于UWB的标准定义是由美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission, FCC）给出的。2002年，FCC发布了关于超宽带无线设备在严格功率辐射限制下商用的初步规定，其中对UWB信号作了非常详细定义。在这个定义中，对于室内和手持的UWB系统或设备，必须满足信号的工作频率在3.1-10.6 GHz范围内，有效的全向辐射功率小于-41.3 dBm/MHz，且其10 dB带宽需大于500 MHz或相对带宽在20%以上。对于满足上述规定的UWB系统和设备，无需申请牌照便可直接使用。
UWB信号的频谱范围
由于UWB技术在无线短距离通信上能实现非常高的数据传输速率，国际电气与电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)已经将其列为IEEE802系列物理层的无线标准。其中，在IEEE关于无线个域网(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的标准IEEE802.15.3a中，已将UWB作为其首选的技术方案。此外，在给低速率无线网制定的标准IEEE802.15.4a中，还计划扩大其在低速无线传感网络的应用范围。三星、德州仪器、Time Domain等国际顶级公司都在为推动UWB技术成为IEEE802.15.4a的物理层标准做努力。此外，基于UWB技术的最新USB标准也将出台。UWB技术在无线局域网(Wireless Local Area Networks, WLAN)中也很可能成为未来Wi-Fi的802.11n的物理层标准，用以支持108 Mb/s的传输速率。一些国际大公司，如Intel, General Atomics, Wisair等，参与了高速无线网中UWB技术的研发工作，并计划推出适合UWB技术在WPAN和WLAN中应用的相关芯片组。而另一部分国际大公司，如Time Domain, Multispectral Solutions, Freescale等则将主要的目标市场瞄准于UWB技术在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)中的应用，如雷达、定位产品的研发等。中国在2001年初发布的“十五”计划中，在国家863计划的通信技术研究里，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信创新的研究内容。随着半导体技术和无线通信技术的发展，UWB技术必将在WPAN, WLAN及WSN中得到更广泛的应用。
然而由于射频信号在空气中传播时损耗非常大，而且容易受到障碍物的阻挡，UWB技术所规定的发射功率又极低，所以UWB信号主要应用于WPAN和WLAN等短距离无线通信的场合，而不太适合以射频的形式直接在空气中进行长距离的传输。在这种情况下，如果只是单纯地在射频通信上使用UWB技术，则难以构建一个有广阔的覆盖面的通信网络，极大地限制了UWB技术的应用范围。
光纤通信系统在长距离传输时则具有损耗低，抗干扰能力强等独特的优点，且光纤通信的带宽较大，完全能够承载UWB信号较大的带宽需求。因此，将UWB技术与光纤通信技术融合起来，成为了UWB在进行远距离连接时非常好的解决方案。在现实的操作中，在需要进行短距离无线通信的场合，直接使用射频的方式传送UWB信号，而在需要进行长距离信息交换时，则将其调制到光载波上，使用光纤来传输光学UWB信号，即采用UWB-over-Fiber (UWBoF)的方法，可以使得UWB技术的应用范围得到极大的拓展。
一种全光可调可切换一阶UWB脉冲的产生方案的工作原理如图所示。将同一波长上的连续光和高斯光脉冲分别从前后两个端面同时注入SOA中，经过SOA中的XGM效应，反向传输的光脉冲会对正向传输的连续光产生调制，使得正向传输的光信号从后端面输出时被调制上与原反向传输的光脉冲极性相反的信息，即形成负极性的高斯光脉冲。而反向传输的光信号在前端面输出时，形状仍将保持为正极性的高斯脉冲。在正负极性的高斯脉冲之间引入可调谐的延时，然后进行组合，输出光脉冲将成为一阶UWB脉冲的形状。通过调节正负极性高斯脉冲之间延时量的大小，可实现脉冲极性的切换，以及脉冲宽度和射频谱的可调谐。
单一波长上全光可调可切换一阶UWB脉冲的实现原理
单一波长上全光可调可切换二阶UWB脉冲的实现原理
全光可调可切换二阶UWB脉冲的产生方案的工作原理如上图所示。将同一波长上的连续光和高斯光脉冲分别从前后两个端面同时注入SOA中，经过XGM效应使得正向传输的光信号从后端面输出时形成负极性的高斯光脉冲，而反向传输的光信号在前端面输出时仍为正极性的高斯脉冲。将正负极性的高斯脉冲各自都分为三路，其中一路的功率较大，而另外两路的功率相对较小，且各路信号间相对的功率大小可以控制。
经过上述系统产生的UWB脉冲波形和频谱如下图
一阶UWB脉冲波形和频谱
二阶UWB脉冲波形和频谱
本项目得到了国家自然科学基金青年科学基金项目（61501088）的支持
