第二章超宽带实现技术IR-UWB
UWB超宽带室内定位方案介绍
刷新频率：0~10Hz 防雨：可防雨（充电口加塞）
精度：典型精度≤30cm
设设备备稳稳定定性性强强
防水
防尘
防雷
耐低 温
防爆
耐高 温
IP67，Ingress Protection，支持最高等级的防尘（6级， 灰尘禁锢：尘埃无法进入物体整个直径不能超过外壳的空 隙）。
IP67，Ingress Protection，支持次高级的防水功能（7级，防 短时浸泡：常温常压下，当外壳暂时浸泡在1M深的水里将 不会造成有害影响）。
基站进行测距定位。
7
UWB定位原理（TOA)
4个已知坐标的基站为一组，实现三 维定位； 标签进入定位区域后，按照分配的 时间和顺序，依次与基站进行测距； 距离信息通过有线/无线网络上传到 服务器，实现位置实时跟踪。
Time of fly
Time of fly
Time of fly
Time of fly
基站：4个，A2是主基站，A1,A3,A4 是从基站，发送时钟同步帧。 标签：1个，发送Blink帧。 CLE运行在PC上。
10
较大系统的基站布局(TDOA)
11
应用场景基站布置
空旷场所80米布一个基站，如果 有阻隔，需要重新布至少三个基 站。
12
UWB定位系统框图
有线数据网络 无线定位网络
定位服务器
UWB定位原理（TDOA)
TDOA，Time Difference of Arrival，通过测量被测标签(B)与已知位置基站 (P1,P2,P3)间的报文传输时间差，计算出距离差；计算出被测标签的位置。需要已知 位置基站间时钟同步。
P1
P1 P2
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。
超宽带无线电基础
power spectral density
dBm/MHz
80UWB技术可以被用作一种射频识别技术。将存储信 息的RAM和UWB芯片集成制造为智能标签，附到各 种物品上，再将UWB芯片集成到带CPU的阅读器或 搜索器上，就可以对各种物品进行智能识别、管理 了。
UWB在军事领域中的应用
由于UWB具有低截获率，最早应用于军事领域，如 雷达、战场上给士兵定位无线传感网。
到了二十世纪六十年代，随着采样示波器、雪崩晶体管、 隧道二极管的发明以及亚纳秒级脉冲发生技术的开发， 可以产生近似的冲激脉冲激励，从而微波网的冲激响应 可以直接进行观察和测量。冲激响应测量方面的研究导 致了基于脉冲的传输被应用于雷达和通信中（仅限于军 事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面）。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”这一术语表 示脉冲无线电。
车载雷达：22~29GHz，另外，中心频率和最高辐射电 平点的频率必须大于24.075GHz。
FCC对超宽带设备的功率辐射限制
FCC对超宽带设备的功率辐射限制以EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）指标给出。所谓EIRP，即有 效全向辐射功率，是一个天线的输入功率与某个指定方 向天线增益的乘积相对全向天线的值。
IP
PAL
PAL
PAL
WiNET
WiMedia UWB Radio Platform MAC & Policies
新版超宽带(UWB)无线通信技术课件.ppt
参考文献
[1] J.D. Taylor. Introduction to Ultra Wideband Radar Systems[M]. Boca Raton: CRC, 1995. [2] FCC. FCC Notice of Proposed Rule Making, Revision of Part 15 of the Commission’s Rules
多径衰落的统计特性
图4 UWB信号的信道冲激响应曲线
精品课件
UWB无线室内信道特性
路径损失和阴影衰落特性
路径损失表示为：
PL(d )(dB)
C0
10 nΒιβλιοθήκη log10(4d
)
X
C0是参考距离的路径损失， 是信号中心频率对应的波
长，d是收发天线间的距离，X表示阴影衰落。
图3 一种频谱利用率高的UWB窄脉冲的时域波形和频域波形
精品课件
UWB通信的信号形式
调制载波形式
调制载波形式通过调制载波, 将UWB信号搬移到合 适的频段进行传输, 从而可更加灵活、有效地利用 频谱源。
调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用 的方法类似, 技术成熟度高, 在目前的工艺条件下, 比基带窄脉冲形式更容易实现高速系统。
述了每簇中电波(rays)的到达。
簇到达的时间分布：
p(Tl | Tl1) exp[(Tl Tl1)], l 0
簇中路径到达的时间分布：
p( k,l | (k1),l ) exp[( k,l (k1),l )], k 0
信道冲激响应模型：
/papers/MultiBand_OFDM_Physical_Layer_Proposal_for_IEEE_80 2.15.3a_Sept_04.pdf[DB/OL]. 2004-9-14. [5] R.Roberts. XtremeSpectrum CFP document. /groups/802/15/pub/2003/ Mar03/03154r0P802-15_TG3aXtremeSpectrum-CFP-Document.pdf[DB/OL]. 2003-3. [6] J.R.Foerster, A.Molisch. A Channel Model for Ultrawideband Indoor Communication[DB/OL]. /reports/docs/TR2003-73.pdf[DB/OL]. 2004-7-2 [7] J.Kunisch, J.Pamp. Measurement Results and Modeling Aspects for the UWB Radio Channel[A]. UWBST(C). Baltimore:IEEE, 2002. 19–24. [8] R.J.M.Cramer, R.A.Scholtz, M.Z.Win. Evaluation of an Ultrawide-band Propagation Channel[J]. IEEE Trans on Antennas Propagation, 2002, 50(5):561-570. [9] D.Cassioli, M.Z.Win, A.R.Molisch. A Statistical Model for the UWB Indoor Channel[A]. Vehicular Technology Conference[C]. Israel:IEEE, 2001. 1159–1163. [10] L.Rusch, C.Prettie, D.Cheung, Q.Li, M.Ho. Characterization of UWB Propagation from 2 to 8 GHz in a Residential Environment[DB/OL]. /technology/ultrawideband/pres_tech.htm. 2004-2-20. [11] Sumit Roy, Jeff R.Foerster, V.Srinivasa Somayazulu, Dave G.Leeper. Ultrawideband Radio Desigan:the Promise of High-speed, Short-range Wireless Connectivity[J]. Proceedings of the IEEE, 2004,92(2),:295-311.
超宽带(UWB)无线通信技术详解
超宽带（UWB）无线通信技术详解作者：王德强李长青乐光新近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。
许多世界著名的大公司、研究机构、标准化组织都积极投入到超宽带无线通信技术的研究、开发和标准化工作之中。
为了使读者对UWB技术有所了解，本讲座将分3期对UWB 技术进行介绍：第1期讲述UWB的产生与发展、技术特点、信号成形及调制与多址技术，第2期对UWB信道、系统方案及接收机关键技术进行介绍，第3期介绍UWB的应用前景及标准化情况。
1 UWB的产生与发展超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。
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-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz 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。
其中，fH为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、fL为信号在-20 dB辐射点对应的下限频率。
图1给出了带宽计算示意图。
可见，UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。
为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。
美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。
2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。
根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。
根据FCCPart15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1 GHz～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.。
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
uwb超宽带无线通信技术(高精度定位)
UWB(定位技术)超宽带无线通信技术一、UWB调制技术超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。
它源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。
传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，需要传送信息通过例如调幅，调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。
现在的无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。
下图是一个使用调幅方式传递语音信号的的连续波信号产生示意图。
图1 连续波调幅信号而脉冲超宽带IR-UWB(Impluse Radio Ultra Wideband)信号，不需要产生连续的高频载波，仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲，便可通过天线进行发送。
需要传送信息可以通过改变脉冲的幅度，时间，相位进行加载，进而实现信息传输。
下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图。
图2 IR-UWB调相信号从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图3所示。
图3 IR-UWB信号频谱在无线定位中，使用IR-UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，IR-UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。
主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为定位、通信和成像三种场景。
·通信：因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢。
UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。
UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能实现数百Mbit/s至2Gbit/s 的数据传输速率。
而且具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、空间容量大、能精确定位等诸多优点，可以说是个超级“潜力股”，很有可能在将来成为家庭主用的无线传输技术。
超宽带(UWB)技术
一、UWB技术简介UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。
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，它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。
UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。
虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。
关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。
一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会(FCC)所定义比中心频率高25%或者是大于1.5G赫兹。
很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。
二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。
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，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。
相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。
UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。
当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。
几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。
与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。
UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。
这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。
脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
S(f)a 2 Tf
2
P(f)2Tfa 2
2
P(k)(fk)
Tf
Tf
其中
a
和
2 a
分别是调制信号 a i
的均值和方差，P ( f ) 2
是基本脉冲信号的功率谱密度。
当采用二进制PAM（设调制信息为：a 1 , a 2 ）时，在AWGN信道下的二进制 PAM相干接收的误码率性能为：
第二章超宽带实现技术IR-UWB
功率密度
2
S (f) 2 T 1 fP (f)2 ( 1 c o s ( 2fp ) ) 2 T 1 f 2 k P ( T k f)( 1 c o s ( 2 T k f p ) )(f T k f)
既有连续谱线，又有离散谱线
误码率
Pe Q (
Eb ) N0
PPM调制的优点：
信号的正交性容易得到保证，很适合于多址和多进制调制。
PPM调制的缺点： 系统在AWGNPPM的实现比较复杂
第二章超宽带实现技术IR-UWB
脉冲间隔调制（DPIM）
脉冲间隔调制（DPIM）和PPM类似，都是通过 改变脉冲在时间上的位置来传输信息的。
Modulation ✓ 脉冲波形调制 PSM，Pulse Shape Modulation ✓ 多维双正交键控 M-BOK，Multiple Bi-Orthogonal
keying
第二章超宽带实现技术IR-UWB
常用的脉冲调制方式示意
第二章超宽带实现技术IR-UWB
脉冲幅度调制（PAM）
信息调制在脉冲幅度上
但是DPIM和PPM又是不同的，PPM改变的是脉 冲在一个周期里的绝对位置来调制信息的，而 DPIM是通过改变相邻脉冲之间的间隔来调制信 息的，也即脉冲周期在DPIM中是变化的。
第二章超宽带实现技术IR-UWB
N-PPM将脉冲重复周期N等分为N个时隙，在每个脉冲重复周期内发
一个脉冲，由待传信息am决定该脉冲在脉冲重复周期的哪个时隙上 发送， am=3，则该脉冲在脉冲重复周期的第3个时隙上发送。 （am∈{0,1,…N-1}）
已有的实现数据信息调制的脉冲调制方式：
✓ 脉冲幅度调制 PAM, Pulse Amplitude Modulation ✓ 开关键控 OOK，On Off Keying ✓ 二进制相位调制 Biphase Modulation ✓ 脉冲位置调制 PPM，Pulse Position Modulation ✓ 数字脉冲间隔调制 DPIM，Digital Pulse Interval
当调制信息为 a i ，i0,1,2, ，调制信号为：
stakp(tkTf ) k
其中， p ( t ) 是基本的脉冲信号；T f 是脉冲周期。
第二章超宽带实现技术IR-UWB
假如发送序列 a i 是独立同分布的随机变量，
则可以推导得到PAM的功率密度函数如下：
功率谱密度函数对 于分析系统的辐射 是否满足FCC的辐
第二章超宽带实现技术IR-UWB
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
据数
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
第二章超宽带实现技术IR-UWB
st bkp(tkTf ) k
bk 1,1
第二章超宽带实现技术IR-UWB
BPSK 的功率密度和误码率
当调制信息 b k 等概出现 1 ，并且调制信号幅度为“A”时，
a0, a2A2
由
S(f)a 2
Tf
2
P(f)2Tfa 2
2
P(k)(fk)
Tf
Tf
s( f ) A2 P( f ) 2 Tf
第二章 超宽带实现技术IR-UWB
可以实现超宽带无线通信的技术有哪些？
✓ IR-UWB • 传统的超宽带实现技术，脉冲无线电
✓ DS-UWB • FCC发布了民用超宽带的辐射限制后，IR-UWB方 案的改进版。
✓ MB-UWB • 非脉冲调制技术，使用正交频分复用技术，即载波 调制，信号带宽大于500MHz。
Pe Q(
(a2
2(a2
a1)2Eb
a2)N0
)
第二章超宽带实现技术IR-UWB
开关键控（OOK）
当调制数据是“1”的时候，发送脉冲信号；当调制信号为“0”的时
候，不发送脉冲。
s(t) bkp(tkTf ) k
bk 0,1
OOK调制可以看作是PAM的一个特例 (a1A,a2 0)
2
S(f)4 A T 2 f P(f)24 A T 2 f2k P(T kf)
解调 解码 据 数
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 ✓ 多址调制
多址信息是用来区分信道或用户的，多址调 制通常与扩频结合在一起。
下面分别介绍在脉冲调制通信中如何实现数据 信息调制和多址调制。
第二章超宽带实现技术IR-UWB
Impulse Radio中的数据信息调制
(fk) Tf
aA2,a 2A2 4
第二P章e 超Q宽(带实NE现b0 技) 术IR-UWB
BPSK
UWB中的BPSK也叫二进制相位调制BPM（Bi-Phase Modulation），或者二进制极性调制（Bi-Pole Modulation），类似于传统窄带通信中的BPSK，故这样 命名。它也可以看作是脉冲幅度调制（PAM）的一个特 例。
4-PPM
1
2
0
重复周期1
重复周期2
重复周期3
在N-DPIM中，第m个脉冲与前一脉冲的间隔为am+1，am为待传信息。
4-DPIM 1
2
0
相对于 PPM，DPIM的传第输二章速超率宽带更实高现技。术IR-UWB
脉冲波形调制（PSM, Pulse Shape
Modulation） 便于相干解调
脉冲形状也可以用于脉冲调制，一般使用正交的不同脉冲来实现调制。
没有离散谱线
由
Pe Q(
(a2 a1)2Eb )
2(a2 a2)N0
第Pe二章Q超(宽带2NE实0b现) 技术IR-U比WBOOK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。
stp(tkTf bkp) k