超宽带技术
超宽带无线通信技术课件
信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时，
超宽带可以提供的信道容量为C=7G×log2 （1+0.1）≈ 0.963Gbps，接近1Gbps。
➢ 数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系 统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。
超宽带的特点
3、低成本，低功耗
➢ 脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不 需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，因 此，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器， 接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机 的硬件实现复杂性和成本。同时，为了避免对 现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很 低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超 宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间 供电。
脉冲波形
➢ 高斯脉冲微分，升余弦、Herimite(厄密特)脉冲等。
高斯函数脉冲
高斯脉冲宽度 和频域带宽取 决于参数α, α的值越大， 高斯脉冲越宽， 相应的频域带 宽就越小
p(t)
1
2 2
e
t2 2
2
2 e
2
t
2
2
高斯脉冲二阶导
w2 (t)
4 2
e
2 t 2
2
1
4 t 2
2
高斯脉冲各阶导数
原始的发送信息。
（a）发射部分
在发射端，欲传输的基带信
号与一个码片速率很高的伪
随机码进行时域相乘，其输 d(t)
出为一个频谱带宽被扩展的
扩频码流，然后将此扩频码
流变换为射频信号发射出去。c(t)
在接收端，射频信号经过变
频后输出中频信号，它与本 d(t)*c(t)
地的伪随机码进行时域相乘，
UWB超宽带
UWB超宽带什么是UWB超宽带？UWB（Ultra-WideBand）超宽带是一种通过在超宽频带范围内传输数据的无线通信技术。
它基于短脉冲信号，能够在极短的时间内传输大量数据。
UWB超宽带技术在无线通信领域具有广泛应用，包括室内定位、物体追踪、雷达和无线传感器网络等。
UWB超宽带的特点1.宽频带范围： UWB超宽带技术的一项主要特点是其宽频带范围。
通常，UWB的频带范围从几百兆赫兹（MHz）到几千兆赫兹（GHz），因此能够支持高速数据传输和较长的传输距离。
2.低功率： UWB超宽带技术在传输数据时使用低功率，这使得它可以在不干扰其他无线设备的情况下工作。
3.高精度定位： UWB超宽带技术可以实现高精度的室内定位。
由于UWB信号能够穿透墙壁和障碍物，因此可以在室内环境中实现准确的物体定位。
4.抗多径干扰：多径干扰是指由于信号在传播过程中碰撞、反射和折射等原因导致信号传输路径的多样性。
UWB超宽带技术通过使用信号的多径特性来抵消多径干扰，提高信号传输的可靠性。
UWB超宽带的应用1. 室内定位UWB超宽带技术在室内定位方面具有特殊优势。
通过将UWB设备部署在建筑物内部，可以实现对人员和物体的高精度定位。
这在商场、医院和仓库等场所可以提供实时的位置信息，便于管理和安全监控。
2. 物体追踪利用UWB超宽带技术，可以实现对物体的追踪。
通过将UWB标签附着在物体上，可以准确追踪其位置和运动轨迹。
这在物流管理、仓库管理和供应链领域具有广泛应用。
3. 雷达应用UWB超宽带技术在雷达领域也得到了广泛应用。
与传统雷达相比，UWB雷达具有更高的分辨率和更好的目标检测能力。
它可以在不同的天气和环境条件下提供高质量的目标识别和跟踪。
4. 无线传感器网络UWB超宽带技术在无线传感器网络中起到重要作用。
通过使用UWB传感器，可以实现对环境参数（如温度、湿度和压力等）进行高精度和实时的测量。
这在工业自动化、环境监测和智能家居等领域有着广泛的应用前景。
超宽带技术概述
超宽带（UWB）技术一、UWB技术简介UWB(Ultra Wide Band)是一种短距离的无线通信方式。
其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。
UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线个人通信。
美国联邦通讯委员会(FCC)规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。
超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面：一个是传输带宽，另一个是是否采用载波方式。
从传输带宽看，按照FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25％的为超宽带。
超宽带传输技术直接使用基带传输。
其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数1O亿个脉冲。
然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。
由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB对传统的无线电波影响相当小。
UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。
二、UWB技术的发展历程现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术，又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术，出现于1960年，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。
通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。
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"超带宽"这一术语。
为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起，美国联邦通信委员会( FCC) 对超宽带无线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，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。
超宽带天线 (2)
超宽带天线1. 引言超宽带（Ultra-Wideband，简称UWB）技术是一种基于大带宽无线传输的技术，可以实现高速数据传输、精确定位以及物联网应用等多种功能。
而超宽带天线作为UWB系统中至关重要的组成部分，其设计和性能对系统的整体性能有着重要影响。
本文将详细介绍超宽带天线的概念、设计原则以及常见的超宽带天线类型。
2. 超宽带天线概述超宽带天线是一种能够在超宽带频段内工作的天线。
它能够传输大量的数据，且具备透过墙体和障碍物传输数据的能力，因此在无线通信、雷达系统、物联网等领域有着广泛应用。
与传统窄带天线不同，超宽带天线具备以下特点：•带宽宽广：超宽带天线的工作频率范围通常达到几百兆赫兹到几十吉赫兹，因此能够传输更多的信息。
•抗干扰能力强：超宽带技术采用短脉冲信号传输，在频域内具有较好的抗多径干扰能力。
•精确定位能力：超宽带信号能够提供高精度的时延测量，从而实现精确定位功能。
3. 超宽带天线设计原则3.1 带宽匹配超宽带天线的设计需要考虑到其工作频率范围的宽广性。
天线的输入阻抗和辐射模式应当在整个超宽带频段内保持稳定，以保证信号的传输质量和距离。
在设计过程中，可以采用多种技术手段来改善带宽匹配，如使用宽带阻抗转换器、多振子设计等。
3.2 辐射效率超宽带天线的辐射效率对系统性能至关重要。
辐射效率高意味着更好的信号传输质量和更远的传输距离。
辐射效率的提高可以通过合理的设计天线结构、优化天线材料以及减小辐射功率损耗等方式来实现。
3.3 多频段覆盖超宽带天线不仅要满足带宽宽广的要求，还需要能够在不同频段内工作。
因此，设计超宽带天线时需要考虑多频段覆盖的需求。
可以采用多种技术手段，如使用多振子结构、配置可调谐元件等来实现多频段覆盖。
4. 常见的超宽带天线类型4.1 偶极天线偶极天线是最常见的超宽带天线类型之一。
它由两个电极构成，能够在多个频段内较好地匹配和辐射。
偶极天线具有简单的结构和方便的制造工艺，因此被广泛应用于超宽带通信系统中。
什么是超宽带
什么是超宽带推荐文章如何解除网络宽带限制热度：如何解决家里宽带IP变成内网地址热度：电脑开机后宽带连接很慢怎么解决热度： win10怎么解除宽带限制热度：光纤宽带怎么修改密码热度：超宽带(Ultra-wideband，简称UWB)是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通讯技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络(WPAN)、家庭网络连接和短距离雷达等领域。
它不采用连续的正弦波(sine waves)，而是利用脉冲讯号来传送。
下面店铺与大家分享一下什么是超宽带。
什么是超宽带UWB技术是一种新型的无线通信技术。
它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。
超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。
UWB的优点与其他无线通信技术相比,UWB具有许多优点。
表1将UWB技术与其他无线局域网技术进行了比较。
UWB技术的特点有：传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。
UWB通过改变脉冲的幅度、间距或者持续时间来传递信息。
与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比,UWB不需要产生正弦载波信号, 可以直接发射冲激脉冲序列,因而具有很宽的频谱和很低的平均功率,有利于与其他系统共存,提高频谱利用率。
UWB不需要正弦波调制和上、下变频,也不需要本地振荡器、功放和混频器等,因此体积小,系统的结构比较简单。
UWB信号的处理也比较简单,只需使用很少的射频或微波器件,射频设计简单,系统的频率自适应能力强。
可以将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上,再加上时间基和控制器,就可以构成一部UWB通信设备。
因此,它的成本可以大大降低。
由于UWB信号采用了跳时扩频,其射频带宽可以达到1GHz以上,它的发射功率谱密度很低,信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中,用传统的接收机无法接收和识别,必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此增加了系统的安全性。
UWB(超宽带Ultra Wide Band)定位技术优劣势及成本比较
UWB（超宽带Ultra Wide Band）定位技术优劣势及成本比较目录一、UWB定位技术优劣势分析 (2)1. UWB定位技术原理介绍 (2)2. UWB定位算法： (2)3. UWB定位技术的优劣势 (3)4. UWB定位技术的应用场景 (5)5. UWB定位系统前景展望 (8)二、RFID定位和UWB定位的成本比较分析 (8)三、UWB定位和蓝牙定位的成本对比分析 (10)四、WIFI定位和UWB定位的成本分析对比 (11)一、UWB定位技术优劣势分析1.UWB定位技术原理介绍超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
2.UWB定位算法：目前无线定位技术是指，即定位算法目前最常用的用来判定移动用户位置的测量方法和计算方法主要有：时差定位技术、信号到达角度测量（AON）技术、到达时间定位（TOA）和到达时间差定位（TDON）等。
其中，TDO1技术是目前最为流行的一种方案，除了用于CSM系统，在其他诸如AMPS和CDMA系统中也广泛应用，UJWB定位采用的也是这种技术。
目前UWB定位系统也可以提供3D 定位功能，此定位系统采用TDOA 和NOA 两种定位算法，已达到3D）定位的效果系统构成：接下来以UJWB 精确定位系统为例介绍：Ubisense UJWB精确定位系统包含三个组成部分：传感器sensor、有源定位标签tag和定位平台iTocateTRM，在该系统中，定位标签tag利用UWB脉冲信号发射出位置信息给传感器sensor，传感器接受到信号后采用TDOA和\OA定位算法对标签位置进行分析，最终通过有线以太网传输到iT ocate服务器。
超宽带技术(UWB)概述
B10dB fH fL
注：纵坐标PSD（信号功率谱密度）， 单位是功率/Hz，所表现的是单位频 带内信号功率随频率的变换情况。 实际应用中，绝对带宽有−3dB绝对 带宽、−20dB绝对带宽等不同选择。
相对带宽（Fractional Bandwidth）
( fH fL ) 2 (2.8 1.2) 2
fL 1.2 GHz fH 2.8 GHz
窄带
相对带宽
fH fL ( fH fL )
2
2.8 1.2 (2.8 1.2)
100% 80% 2
宽带 UWB
相对带宽<1% 1%<相对带宽<20%
相对带宽>20%
UWB定义
分数带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率 DARPA：FBW>25％ （－20dB） FCC：FBW>20％或者绝对带宽>0.5GHz （－10dB）
超宽带技术(UWB)概述
超宽带技术概述 Ultra-W i d e b a n d ,
UWB
单位频带
发射功率
窄带
宽带
超宽带 频率
超宽带（UWB）发展简史
• 19世纪末期，马可尼演示的第一个无线通信系统就涉及了脉冲超宽带 的概念；最早的超宽带又称为 Impulse Radio ；
• 1942年，随机脉冲系统专利，上世纪六七十年代在雷达信号处理领域 有成功应用；
–超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，1998 年FCC征询用于民用的意见，2002年2月确定辐 射模板正式将其解禁。
非正弦载波调制传输：
• 非正弦载波调制传输：
• 第一个基于UWB无线电通信的脉冲技术为Spark Gap无线 电通信技术，主要用来传送摩尔斯电码。
第二章超宽带实现技术IR-UWB
扩频调制如果是载波调制，分为相移键控PSK和频 移键控FSK。相移键控对应的扩频即是直接序列扩 频；频移键控对应的即是跳频扩频。
扩频调制如果是脉冲调制，采用脉位调制PPM的即 是跳时扩频，采用二相调制BPM的即是直接序列扩 频。
BPSK直接序列扩频系统： 数据
信道编码
PN码
采用模2加法
数据 信道编码
a2 ) N0
)
Pe Q(
2Eb ) N0
比OOK有3dB的优势
脉冲位置调制（PPM）
典型的2-PPM：当调制数据为“0”的时候，脉冲位置不 变，脉冲间隔仍然是脉冲周期；当调制数据为“1”的时 候，出现一个偏移。
s t p(t kTf bk p ) k
功率密度
2
S( f ) 1 2Tf
What is the impulse radio?
Impulse radio——信息调制到脉冲上发送出去， 不是调制载波。
脉冲无线电的系统结构
数 据
差错控 制编码
调制
脉冲发 生器
Impulse radio涉及到的技术
✓脉冲调制技术 ✓极窄脉冲的产生
解调
解码
数 据
2.1 脉冲调制方式
脉冲调制方式从携带的信息来看，可以分为
数据信息调制后还要多址调制，所以两者通常一 起研究设计。
Impulse Radio中的多址调制
以前我们了解的有SDMA、TDMA、FDMA、 CDMA
在宽带、超宽带通信系统中，多址方式通常是和 扩频技术相结合的。
IR-UWB现有的扩频方式
✓ 跳时扩频（TH，Time Hopping） ✓ 直接序列扩频（DS，Direct Sequence Spread）
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根据FCC Part15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1～10.6 GHz。
为保护现有系统（如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等）不被UWB系 统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行 了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为−41.3 dBm/MHz.。 下图示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。
下表列出 UWB 技术与其他短距离无线通信技术的比较。
蓝牙 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g
UWB
传输速率/Mbps ≤1 11 54 54 ≥480
功耗/mW 1～100
200 40～800
65 ≤1
传输距离/m 100 100 20 50 ≤10
频段/GHz 2.402～2.48
它的另一奇妙之处是能够同时获得宽带高速、低成本和低功耗的好处， 这在传统无线技术中一直是只能折中取舍的两难问题。
8.1 UWB技术概述
8.1.1 UWB技术的产生与发展
超宽带技术最早可以追溯到100年前波波夫和马可尼发明的越洋无线电报 的时代。
现代意义上的超宽带无线电，又称为冲激无线电（Impulse Radio，IR） 技术期仅限于军事、灾害救 援搜索、雷达定位及测距等 领域。
80 年代开始，随着频带资源的紧张以及对高速通信的需求，超宽带技术 开始应用于无线通信领域。
超 宽 带 技 术 在 历 史 上 还 有 一 些 其 他 的 名 称 ， 如 冲 击 雷 达 （ Impulse Radar）、基带脉冲、无载波技术等
第8章 超宽带技术
本章章节
8.1 UWB技术概述 8.2 UWB的关键技术 8.3 UWB的系统方案 8.4 UWB技术的标准化 8.5 UWB的应用及研究方向
广义的超宽带（Ultra Wide Band，UWB）概念是指以极窄脉冲方式 进行无线发射和接收的特种技术。
其特殊之处在于完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统 手段，成为在时域中直接操作的无线技术。
相对带宽 fH fL
1989年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）首先采用超宽带这 一术语，并规定：若信号在−20 dB处的绝对带宽大于1.5 GHz或相对 带宽大于25%，则该信号为超宽带信号。此后，超宽带这个术语才被 沿用下来。
绝对带宽和相对带宽定义为
2002年，美国联邦通信委员会（FCC）发布了超宽带无线通信的初 步规范，正式解除了超宽带技术在民用领域的限制。
信道参数 均方根时延扩展/ns 均方根时延扩展/ns
衰落分布 衰落分布 路劲损耗指数/dB 路径损耗指数/dB 阴影衰落标准差/dB 阴影衰落标准差/dB 衰落范围/dB
链路条件 LOS NLOS LOS NLOS LOS NLOS LOS NLOS
UWB 信道 4～12 8～19
Nakagami、Log-Normal 等 Nakagami、Log-Normal 等
1.5～2 2.4～4 1.1～2.1 2～5.9
5
窄带信号 10～100 <200 Rice Rayleigh 1～3 2.1～6 3～6 6～12 25
8.2 UWB的关键技术 8.2.1 UWB的脉冲成形技术
从2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基 于载波的多带脉冲无线电超宽带（IR-UWB）系统、基于 直扩码分多址（DS-CDMA）的UWB系统、基于多带正交 频分复用（MB-OFDM）的UWB系统等。
在产品方面，Time-Domain、XSI、Freescale、英特尔等 公司纷纷推出UWB芯片组，超宽带天线技术也日趋成熟。
UWB技术已成为短距离、高速无线连接极具竞争力的物 理层技术。
IEEE已经将UWB技术纳入其IEEE 802系列无线标准，正在加紧制订基于UWB技术的高速 无线个域网（WPAN）标准IEEE 802.15.3a和低速无线个域网标准IEEE 802.15.4a。
在未来的几年中，UWB可能成为无线个域网、无线家庭网络、无线 传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。
8.1.3 UWB的信道传播特征
无线信道的传播特征通常可通过3个层面进行描述，即路径传播损耗、 阴影衰落和多径衰落。
路径传播损耗
反映大、中尺度传播特征，表现为信号平均功率的起伏变化，主要用于链路预算。
阴影衰落
反映大、中尺度传播特征，表现为信号平均功率的起伏变化，主要用于链路预算。
多径衰落
反映信号在小尺度范围的信道传播特征，是影响接收机性能的主要因素。在传统窄带 信道中，通常用瑞利（Rayleigh）分布或莱斯（Rice）分布来描述多径信道的衰落分 布。
这是超宽带技术真正走向商业化的一个里程碑，也极大地激发了相关学术研究和产 业化进程。
FCC 对于UWB信号进行了重新定义，规定UWB为任何相对带宽（信号带宽与中心频率 之比）大于20%或−10 dB绝对带宽大于500 MHz，并满足FCC功率谱密度限制要求的 信号。当前人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。
由于超宽带（UWB）系统占据极大的带宽，其信道传播特征与传统 的无线信道有明显的差异。
UWB信号多径分辨率极高，多径信号衰落分布不再服从Rayleigh分布， 而演化为Nakagami、Log-Normal等分布；
信号衰落范围只有5 dB左右，远小于窄带信道；阴影衰落比窄带信道 明显改善。这充分反映了UWB信号的抗衰落特征。
2.4 5 2.4 3.1～10.6
C B log2 (1 SNR)
8.1.2 UWB的技术特点
传输速率高，空间容量大
在UWB系统中，信号带宽B高达500 MHz～7.5 GHz。因此，即使信噪 比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1 Gbps的传输 速率。
适合短距离通信 具有良好的共存性和保密性 多径分辨能力强，定位精度高 体积小，功耗低 系统结构的实现比较简单