超宽带(UWB)技术.ppt

微波通信v超宽带(UWB)无线通信技术 一、概述 超宽带UWB由Ultra Wideband缩写而成，它是一种无载波通信技术，利用时间间隔极短(小于1 ns)的非正弦波窄脉冲传输数据。超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别：1、超宽带的带宽，按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25为超宽带；信号带宽与中心频率之比在125之间为宽带，小于1为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。2、超宽带的无载波传输方式。传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率（RF）载波来传送信号，载波的频率和功率在一定范微波通信围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相反的，超宽带以基带传输。UWB通信系统模型见下图。按照FCC 的规定，从3.1GHz 到10.6GHz 之间的7.5GHz 的带宽频率为UWB 所使用的频率范围。微波通信二、UWB的技术特点 UWB具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。1、简单系统结构 UWB发射器直接用脉冲小型微带天线。由于UWB 不需要对载波信号进行调制和解调,故不需要混频器、滤波器、RF/IF 转换器及本地振荡器等复杂器件,同时更容易集成到CMOS 电路中。2、高速数据传输 理论上,一个宽度为0的脉冲具有无限的带宽,因此脉冲信号要想发射出去并有足够带宽,必须有足够陡峭的上升/下降沿和足够窄的微波通信宽度。UWB 的脉冲宽度用于军事雷达系统时,最短在ps 级水平;在民用上,一般在ns 级。ns 为1s 的十亿分之一,这意味着,如果一个脉冲代表一个数位,那么UWB 有能力在1s 内传送10 亿个数位,即1 Gbit/s 的速率;若脉冲宽度降至0.1 ns,则速率可达10 Gbit/s。3、功耗低 由于不使用载波,仅在发射窄脉冲时消耗少量能量,从而节约了发射连续载波时的大量能耗。这一特色还使UWB 可通过缩小脉冲宽度,在提高带宽的同时而不增加功耗,这打破了过去传输技术中功耗和带宽成正比的定律。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电 微波通信 磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。4、安全性高 由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。5、多径分辨能力强 由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。因此适合室内等复杂环境下的高速传输。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10 30 dB 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不 微波通信 到5 dB。6、定位精确 超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内；与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。7、抗干扰性能强(电磁兼容性电磁兼容性),误码率低 由于UWB 脉冲极窄、频带极宽,其带宽相当于1 000 个电视频道或3万个FM 广播频道,因此单位频宽内的功率密度相当低。美国FCC 对UWB 的发射功率做了严格限制,其功率密度甚至低于一般的噪声水平(比如低于一部笔记本电脑的辐射)。因此,UWB 对其他设备的影响微乎其微。UWB系统误码率可达到10-8、10-9。微波通信三、与其它短距离无线技术的比较 常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。UWB蓝芽802.11aHomeRF速率（bps）最高达1G1M54M12M距离（米）10101010050功率1毫瓦以下1100毫瓦1瓦以上1瓦以下应用范围探距离多媒体家庭或办公室电脑和Internet网关电脑、电话及移动设备微波通信 这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争，但在某些实际应用领域内它们又相互补充。四、超宽带技术原理 发射超宽带（UWB）信号最常用和最传统的方法是发射时域上很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”（Impulse Radio，简写为IR）。信息数据符号对脉冲进行调制，最常用的两种调制方式是脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）。直接序列扩谱（DS-SS）就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制，这在冲激无线电（IR）中被称为直接序列超宽带（DS-UWB，Direct-Sequence UWB）。1、直接序列超宽带信号的产生 微波通信 输出信号s(t)可表示为：若使用PPM调制器代替PAM调制器，得到的信号可表示为：UWB 技术采用脉冲位置调制(PPM)单周期脉冲来携带信息和信道编码,一般工作脉宽为0.11.5 ns,重复周期为251 000 ns。微波通信 典型高斯单调周期脉冲的时域和频域如下图所示。实际通信中使用一长串的脉冲,周期性重复的单脉冲时域和频域特性如下图所示。频谱中出现了强烈的能量尖峰,这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰,而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰,即采用脉冲位置调制(PPM)。同时可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串,按位置调制进行编码,特别是采用伪随机序列编码。微波通信2、接收机 UWB 采用相关接收技术,相关器(correlator)实质上是改进了的延迟探测器。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号,再通过积分得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内,间歇期则没有。处理过程一般不超过1 ns。模板波形匹配时,相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。微波通信 UWB接收机结构，主要由相关器和检测器构成3、干扰 因所有带内的无线电信号都会对UWB 信号产生干扰,UWB 可以综合运用伪随机编码、随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。微波通信五、UWB技术的应用 UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势，同时受发射功率的限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB LPI/D 无线内通系统(预警机、舰船等)、战术手持和网络的PLI/D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体；在民用方面，自从2002 年2 月14 日FCC 微波通信 批准将UWB 用于民用产品以来，UWB的民用主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system)；汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system)；家电设备及便携设备之间的无线数据通信(communication and measurements system)。1、UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0.3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统.它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务,其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。微波通信还可跟踪墙厚度30-60厘米的建筑物内的消防人员的急救活动。这种精度高、抗干扰能力极强、并具有很强的穿透墙壁等障碍物能力的宽带视频定位系统亦有很高的军事应用潜力。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1.31.7 GHz(1.575GHz)，相对带宽为27%。2、UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。而应用UWB技术的无线USB提供了这种可能。六、主要研发企业 如美国的Freescale(飞思卡尔飞思卡尔)半导体公司、半导体公司、General Atomics公司、公司、Time Domain公司以及日本的公司以及日本的SONY公司等。公司等。微波通信