超宽带(UWB)信号的时频特性
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。
uwb工作频段
uwb工作频段
UWB（UltraWideband，超宽带）是一种新型的无线通信技术，它的工作频段非常宽广。
UWB的频带可以覆盖从低于1GHz到超过10GHz 的所有频段，这使得它在很多应用场合中都有着非常广泛的用途。
UWB技术的优势在于它的传输速率非常快，可以达到几百兆比特每秒的级别。
同时，UWB的传输距离也很远，可以达到十几米甚至更远的范围。
这使得UWB成为了一种非常适合用于高速数据传输、室内定位、雷达探测等应用的技术。
在UWB的工作频段中，最主要的频段是3.1GHz到10.6GHz，这个频段被称为UWB基础频段。
除了基础频段以外，UWB还涵盖了从0.05GHz到30GHz的所有频段，这些频段中的一部分被用于不同的应用场景中。
总的来说，UWB的工作频段非常广泛，这使得它可以被应用于很多不同的领域，从高速数据传输到室内定位，再到雷达探测等。
随着技术的不断发展和完善，相信UWB技术会在未来的通信领域中扮演越来越重要的角色。
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物联网中的UWB是什么,UWB技术介绍
新版UWB技术介绍UWB技术使用两种方式传输数据：一种是无线收发，利用卫星信号进行传输，另一种是通过无线通信的方式传输数据。
无线收发采用的模式主要是同步、异步和自适应多址。
UWB系统是近几年来非常热门的一个技术了，在民用市场已经有很大优势了，但由于技术发展太快，现在很多都没有进行商用了，所以我们先从最新版的UWB技术开始介绍吧！一、超宽带超宽带（Ultra-wideband, UWB）是一种利用无线电信号进行数据传输的技术，是一种非授权频段的超宽带（UWB）系统。
超宽带通信系统的工作频率为1~10 GHz，波长为5~100μm，工作在C波段。
UWB具有高数据速率、低时延、穿透能力强、抗多径干扰等优点。
UWB是利用脉冲重复频率（PRS）和脉冲间隔时间（PLD）实现高速数据传输的技术。
脉冲重复频率指单位时间内脉冲发射次数，可分为连续或离散形式。
PRS可以根据频率来划分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以划分为2~4路数字信号处理模块组成；脉冲间隔时间（PL, pulse latency，即PL/PLD）主要用于实现时钟恢复等功能；脉冲重复频率与PRS有关，但更多地取决于天线形式、接收灵敏度、载波频率等因素，可通过测量PRS和PLD 的PL/DL值来计算。
二、时隙UWB技术的时隙分为两类：同步和异步。
同步时隙：同步信号使用固定时隙，每个载波接收信号，并在发送时同步它的相位和幅度；异步时隙：每个载波接收一个相位和幅度变化的正弦信号，将其解调成一个时间片，然后通过时频转换成一个时间片。
UWB系统中使用同步和异步的时隙。
由于UWB的波束窄且功率低，在对目标进行定位时通常使用UWB信号来传输数据，而不是传统的无线电系统使用多个射频天线来发射信号，而射频天线只能用于接收数据。
因此在使用UWB通信时，必须考虑发射功率问题，通常需要考虑的功率包括几个方面：首先是发射时间点选择；其次是在接收端需要设置接收器来识别是否来自目标位置；最后才是根据接收到的信号类型进行选择正确的波束。
uwb频谱波形
uwb频谱波形
UWB（Ultra-Wideband）是一种无线通信技术，其频谱波形具有非常宽的带宽和极高的时间分辨率。
以下是UWB频谱波形的详细介绍：
带宽：UWB的频谱带宽非常宽，通常在几个GHz到几十GHz之间。
这种宽的带宽使得UWB信号具有极高的数据传输速率和低的时间散射特性，从而提高了信号的定位精度和穿透能力。
波形：UWB信号的波形多种多样，可以根据实际应用的需求进行选择。
常见的UWB波形包括脉冲波形、多频带波形和基于OFDM的波形等。
时间分辨率：由于UWB信号的带宽非常宽，其时间分辨率也非常高。
这意味着UWB信号可以在非常短的时间内传输大量的数据，从而实现高速无线通信。
频谱形状：UWB信号的频谱形状取决于其调制方式和带宽。
一般来说，UWB信号的频谱形状类似于矩形，但其中心频率和带宽可以根据实际需要进行调整。
抗干扰能力：由于UWB信号的带宽非常宽，其对于其他窄带信号的干扰具有较强的抗干扰能力。
同时，UWB信号也具有较强的穿透能力和低的时间散射特性，这使得UWB通信具有较强的抗干扰能力和适应性。
UWB超带宽技术
概念超宽带技术UWB(Ultra Wide Band，超宽带)是一种无线载波通信技术。
即不采用正弦载波，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是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。
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。
从频域来看，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。
窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1％，相对带宽在1％到25％之间的被称为宽带，相对带宽大于25％。
而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。
从时域上讲，超宽带系统有别于传统的通信系统。
一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制。
而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒)直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行。
而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。
UWB(Ultra Wide Band，超宽带)主要技术特点UWB是一种“特立独行”的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接人技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。
UWB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，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。
UWB具有以下特点：1 抗干扰性能强UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。
接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。
因此。
与IEEE 802.1la、IEEE 802.1lb和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
2 传输速率高UWB(Ultra Wide Band，超宽带)的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s。
uwb芯片原理
uwb芯片原理UWB芯片，全名为超宽带芯片（Ultra Wide Band），是一种用于无线通信与定位的芯片。
它采用了一种特殊的信号传输方式，利用极短的脉冲信号，来实现高速、高精度的数据传输和定位跟踪功能。
UWB芯片的原理主要基于以下两个方面：1.频率控制。
UWB芯片所发射的信号在时间域上具有极短的宽度，一般小于1纳秒。
但在频率域上，信号幅度会分布在一个非常宽广的频段内，通常在1GHz到10GHz之间。
因此，UWB芯片需要利用特殊的调制技术，才能在不同频段之间快速切换从而控制发射的信号。
2.时间解决。
UWB芯片中还存在着时间分分辨率的问题。
因此UWB芯片传输的调制信号需要在微秒和纳秒级别的时间范围内控制。
在实际应用时，UWB通信系统会将信号分为多条不同的数据流，每条流之间通过时间间隔来进行区分和识别。
除此之外，UWB芯片还具有以下的特点：1. 大容量和高速度：UWB具有非常大的带宽，能够支持高达多 Gbps级别的数据传输，对于高带宽应用比如视频流传输和图像传输十分适合。
2.小型化和低功耗：UWB芯片具有体积小、功耗低的特点，能轻易地嵌入到各种设备中。
3.高位置精度：UWB芯片也可以通过综合多种方法，实现对移动设备的精确定位和跟踪。
其定位精度能够到达厘米级别，对于高精度定位需求比较高的情境下十分有用。
UWB芯片目前已经被广泛应用于智能出行、工业物联网、智慧城市、室内定位等领域。
相比于其他无线通信技术，UWB芯片能够快速传输大量的数据，同时最大程度上降低耗电量且较为稳定。
从而更好地满足未来各种场景下的通信和定位需求。
超宽带技术(UWB)概述
UWB的特点
2、信道容量大，传输速率高
➢ 香农信道容量公式
C
W
log2 (1
S N
)
(b / s)
➢ 超宽带信号占有数百兆赫兹（MHz）甚至几吉赫兹
（GHz）带宽，理论上可以提供极高的信道容量，达
到Gbps以上的传输速率，或者在很低的信噪比下，
以一定的传输速率实现可靠传输。假定一个超宽带信
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。
• 时隔这么多年后，在最近七八年中其它先 进的无线技术如蓝牙技术、WiFi、WiMAX 都先后面世，UWB为什么会重出江湖并引 起如此密切的关注呢？
UWB：由来
• UWB技术特点与时代需求的结合
– 随着网络技术的发展，网络信息传输从以文字 为主过渡到以多媒体信息为主，因此对带宽的 要求就比较高；
– 从技术层面来说，可靠地传输视频图像所需的 数据传输速度超过了蓝牙与WiFi的能力；
➢ 例如基于UWB技术的无线USB 2.0，可取代有线USB, 实现PC之间及消费类电子设备（电视、数码相机、 DVD播放器、MP3等）之间的无线数据互连与通信。
➢ 无线个域网(WPAN) 、高速智能无线局域网、智能交 通系统，公路信息服务系统，汽车检测系统，舰船、 飞机内部通信系统，楼内通信系统、室内宽带蜂窝电 话，战术组网电台，非视距超宽带电台，战术/战略 通信电台，保密无线宽带因特网接入等等
非正弦波形传输
传统无线发射信号
UWB发射信号
Signal1
Signal2
时域共享
Signal1
Signal2
超宽带信号的时频分析
超宽带信号的时频分析
赵立昕;蔡志坚;周正
【期刊名称】《高技术通讯》
【年(卷),期】2006(016)002
【摘要】超宽带(UWB)信号的特性更多表现为非平稳信号的特性,而对非平稳信号采用时频域的变换更能描述信号频谱的分布情况.首先引入了一种基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换,然后给出两种典型的UWB信号,利用这种时频分析方法对两种UWB信号进行了时频分析.分析结果表明,无论是PAM-DS-UWB信号还是OFDM-UWB信号都符合FCC对UWB信号的功率限制.
【总页数】3页(P133-135)
【作者】赵立昕;蔡志坚;周正
【作者单位】北京邮电大学96号信箱无线网络实验室,北京,100876;北京邮电大学96号信箱无线网络实验室,北京,100876;北京邮电大学96号信箱无线网络实验室,北京,100876
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.一种新的估计多项式相位信号瞬时频率的参数化时频分析方法 [J], 方杨;彭志科;孟光;杨扬
2.基于两种时频分析的裂缝性地层阵列声波测井信号时频特征 [J], 向旻;帕尔哈提;
张峰玮
3.多速率STFT超宽带信号瞬时频率估计研究 [J], 杨宁;占日新;葛红娟
4.基于affine类时频分析的旋回性薄互层时频特征影响因素分析 [J], 聂伟东;李雪英;万乔升;王福霖;何谞超
5.基于时频点聚类的雷达回波信号时频特性分析 [J], 巩学彬;余烈
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超宽带（UWB ）信号的时频特性1孙超，周正摘 要：由于超宽带（UWB ）信号属于非平稳信号，其时频特征更能反映信号的本质属性。
为了研究UWB 信号的特征，首先介绍了目前常用的三种UWB 信号的调制方式，然后提出使用时频分析的方法对UWB 信号进行分析，使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换（STFT ）对采用不同调制方式生成的UWB 信号进行分析，并且根据不同UWB 信号各自的特点，结合仿真结果从时域和频域联合特征的角度对UWB 信号进行了新的认识，并提出需要进一步进行研究的问题。
关键词：超宽带；时频分析；短时傅立叶变换美国联邦通信委员会（FCC ）对超宽带（UWB ）无线系统的定义是分数带宽大于20％或者10dB带宽大于500MHz [1]。
自从2002年FCC 开放3.1～10.6GHz 频带给UWB 设备使用之后，就掀起了UWB 技术用于民用高速率、低功耗通信设备的研究热潮，新的技术、新的产品不断涌现。
目前UWB 的调制方式主要有PPM ，P AM ，DS －UWB ，MB －OFDM 等，由于新的调制方式的使用，如何分析不同调制方式下的UWB 信号成为人们目前面临的新问题。
由于UWB 信号的生成方式与传统的窄带信号不同，是典型的非平稳信号，目前建立在使用传统的傅立叶分析方法分析信号的手段无法完全确定UWB 信号的特征，需要采用新的分析方法以达到正确认识UWB 的目的。
本文使用基于布莱克曼窗的短时傅立叶变换分析3种常见的UWB 信号，从时频域的角度对UWB 的特征进行分析。
1、UWB 信号的生成[2]产生UWB 信号最常用和最传统的方法是在非常短的时间内发射脉冲信号，这种方式被称为冲击无线电（Impulse Radio ，IR ）。
常用的调制方式包括脉冲位置调制（PPM ）和脉冲幅度调制（P AM ），并且为了控制生成信号的频谱，数据符号编码需要进行伪随机化或者伪噪声化。
此外，UWB 信号的调制方式还包括引入时间抖动的跳时（TH ）调制方式直接序列扩频（DSSS ）调制方式。
根据FCC 关于UWB 信号的定义，可以将7.5GHz 的带宽分成14个子信道，其中每个子信道带宽为528MHz ，采用OFDM 调制方式，称为MB －OFDM 调制方式。
本文将分析TH －PPM 、DS －P AM 和MB －OFDM 信号的时频特性，根据参考文献2，TH －PPM －UWB 信号的生成表达式为：∑+∞−∞=−−−=j j j s a jT t p t s )()(εη （1）其中p （t ）表示发射的脉冲波形，T s 为一个码元的周期，ηj 为跳时码序列，a j 为待传输的信息，取值为0或1，ε为脉冲偏移时间。
P AM －DS －UWB 信号生成形式为-1-1本课题得到国家自然科学基金项目（60372097；60432040；60572158；60572020）、北京市自然科学基金项目（4052021）、教育部博士点专项基金项目（20060013008）和韩国仁荷（UWB-ITRC ）合作项目的资助。
北京邮电大学无线网络实验室，北京（100876）E-mail ：zzhou@()()j s j s t d p t jT +∞=−∞=−∑ （2）其中p （t ）表示发射的脉冲波形，d j 为待传输的信息，取值为0或1，T s 为一个码元的周期。
MB －OFDM 信号将使用3条子信道，中心频率分别为3.432GHz 、3.960GHz 和4.488GHz 。
每条子信道的信号生成表达式为：12010()()()()()m N j f tm m N m m T m x t g t c e c t g t S πϕ−=−==≡≡∑∑ （3）t 2()()m j f t m T t g t eπϕ=其中c ，S （t ）是周期为T m 为待传输的信息在星座图中的位置，0的周期函数，g T （t ）为周期为T 的矩形波，表达式为：0()0G T T T T t T g t 0−=−≤≤=⎪⎩其它 （4） 其中T 0为子载波上传输的单个数据符号的周期；T G 为OFDM 信号的保护间隔。
2、UWB 信号的时频分析[3][4]传统的信号分析是建立在傅立叶变换的基础上的。
傅立叶变换将信号由时域变换到频域，变换后完全失去了原信号的时域信息，在分析平稳信号时没有问题，但是在分析非平稳信号时由于不包含时域信息，无法得知不同时刻下的频域特性[3]。
UWB 信号的特点是信号周期短、覆盖频域宽，使用传统的傅立叶分析方法无法得到UWB 信号的全部特性。
常用的时频分析方法包括短时傅立叶变换（Short-Time Fourier Transform ）、Gabor 变换、小波变换、分数阶傅立叶变换等。
短时傅立叶变换的基本思想是：假定非平稳信号f （t ）在分析窗函数g(t)所持续的时间间隔内是平稳的，并且移动分析窗函数，使f(t)g(t-τ)在不同的有限时间宽度内是平稳信号，从而计算出各个不同时刻的频谱。
其表达式为：∫+∞∞−−−=dt e t g t f W t j ωττω)()(),( （5） 由于对同一信号的短时傅立叶变换结果和选择的窗函数g(t)有关，因此需要根据不同信号的特点选择不同的窗函数，用以区分不同信号的时频特性。
常用的窗函数包括矩形窗、汉明窗、高斯窗、布莱克曼窗等，为了抑制旁瓣，本文选用布莱克曼窗，其表达式为：)4cos(08.0)2cos(5.042.0)(t t t g ππ++= （6）为了便于使用计算机进行仿真，所有连续的信号需要经过抽样变换成为离散信号。
3、仿真结果及分析由于UWB 信号占用带宽很宽，对生成的UWB 信号进行离散化时为了满足抽样定理抽样的要求，对DS －P AM －UWB 信号和TH －PPM －UWB 信号的抽样频率定为50GHz ，对MB －OFDM －UWB 信号的抽样频率定为25GHz 。
由于离散后窗函数的长度影响短时傅立叶分析的精度，为了-2-保证分析的一致性，窗函数的长度和信号抽样后的长度成比例，长度为1000点左右。
经过短时傅立叶变换以后，不同UWB信号的生成方式呈现出不同的时频特性：对于TH－PPM －UWB信号，在不同时刻，信号的频域特性完全相同，而在相同的频点上，信号的时域特性则和TH－PPM－UWB信号的时域特性相同；对于DS－P AM－UWB信号，不同的信息数据对应着不同的频域特性，而这是傅立叶变换不能体现出来的；对于MB－OFDM－UWB信号，每个子信道的时频特性都是相似的，信号根据时间的变化在不同子信道中呈现出跳频信号的特性。
UWB信号不同的时频特性揭示了传统的UWB信号生成方式和采用OFDM调制方式生成UWB 信号的不同：采用冲击无线电方式产生的UWB信号的频谱变化比较平缓，信号带外辐射功率的抑制需要进行相应的处理以保证不对带外信号产生严重的影响；而采用OFDM方式产生的UWB信号在各个子带的边缘频谱下降比较明显，说明对带外辐射功率的抑制比较好，不易对带外信号产生干扰。
此外，采用冲击无线电方式产生的UWB信号频域信息相似，或者说对频域信息不敏感；而应用OFDM方式产生的UWB信号由于采用的跳频的方式，分析其时域信息和频域信息同样重要。
在电磁兼容领域，信号的均方根（RMS）功率是一个重要的参数，采用IR技术产生的UWB信号只在时域上不是连续的，而采用OFDM技术的UWB信号在时域和频域上均不是连续的，如何合理的制定测量标准测量不同调制方式下的UWB信号需要进行更为深入的分析。
由于短时傅立叶变换的时频分辨率是固定的，因而在分析带宽很宽的信号时不能根据信号的特点变换分辨率。
如果需要进行更为精确的分析，可以采用小波变换或者分数阶傅立叶变换对UWB 信号进行分析。
仿真结果如下图所示，数据经过了归一化处理：图1：TH－PPM－UWB信号时频分析图图2：DS－P AM－UWB信号时频分析图-3-图3：MB－OFDM信号时频分析图参考文献[1]1: Revision of part 15 of the commission's rules regarding ultra-wideband transmission systems，《First Report and Order》，ET Docket 98-153，Federal Communications Commission，Apr. 2002。
[2]2: Maria-Gabriella Di Benedetto,Guerino Giancola，《Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentals》[M]， New Jersey：Prentice Hall Professional Technical Reference Pearson Education，Inc，2004， P26～72。
[3]3：王忠，周力，《MATLAB环境下的跳频信号分析与仿真》[J]，计算机仿真，2003.11,P131～134[4]4：Stéphane Mallat，《信号处理的小波导引》[M]，北京：机械工业出版社，2003.9，P69～78The Time-Frequency Characters of Ultra Wide Band（UWB）SignalSun Chao，Zhou ZhengBeijing University of Posts and Telecommunications , P. O. Box 96 , Beijing, China（100876）AbstractUltra Wide band signals belong to nonstable signals, which aren’t suitable for using Fourier Transform to analyze. Short-Time Fourier Transform is a method of Time-Frequency analysis. STFT with Blackman Window was used to analyze UWB signals with the modulations of TH-PPM, DS-P AM and MB-OFDM. The characters of signals show in both time domain and frequency domain after STFT. The simulated results show the characters of UWB signals are different from conventional narrow-band signals, and different modulations have its own characters in Time-Frequency domain.Keywords：UWB；Time－Frequency Analyze；Short－Time Fourier Transform-4-。