超宽带无线通信
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。
关于超宽带(UWB)无线通信技术的分析研究
关于超宽带（UWB）无线通信技术的分析研究
随着科技的不断发展，无线通信技术也在逐步提升。
超宽带（UWB）无线通信技术作为一种新兴的无线通信技术，已逐
渐被工业界和学术界广泛认可。
本文将对超宽带无线通信技术进行分析研究。
首先，超宽带技术是指利用极短的脉冲信号进行通信的一种无线通信技术。
它具备宽带、低功耗、高速、高精度、低干扰等优点，可以在短距离范围内实现高速数据传输和定位服务。
与传统的无线通信技术相比，超宽带技术具有更高的频带利用率和系统容量，可以实现更安全和高效的通信服务。
其次，超宽带技术已经被广泛应用于各种领域。
在物联网领域，超宽带技术可以应用于智能家居、智能医疗、智能交通等多个领域，可以为人类生活带来更加便利和舒适的体验。
在电子商务领域，超宽带技术可以实现高速数据传输和快速支付，可以为现代商业带来极大的便利和效益。
此外，在智能制造、智慧城市等领域也可以应用超宽带技术。
再次，超宽带技术还存在一些挑战和问题。
例如，超宽带技术的系统复杂，需要高精度的硬件和软件支持。
此外，超宽带技术的应用范围和可靠性还需要进一步完善。
综上所述，超宽带无线通信技术已经成为当前无线通信领域的热门技术之一。
尽管它还存在一些挑战和问题，但它有着广阔的应用前景和市场前景。
随着科技的不断提升和完善，相信超宽带无线通信技术将在未来得到更广泛的应用和推广。
浅谈超宽带无线通信技术的发展
浅谈超宽带无线通信技术的发展超宽带无线通信技术是一种近年来快速发展的通信技术。
它利用较大的带宽传输数据，可以实现较高的数据传输速率和较低的干扰、噪声抑制，广泛应用于军事、医疗、民用等领域。
随着技术的不断发展，超宽带无线通信技术也得到了快速的发展。
从最初的简单研究到今天的成熟应用，超宽带无线通信技术的发展历程可以分为三个阶段。
第一个阶段是在20世纪90年代初期，由美国军方开始开发。
其重点在于利用超宽带信号实现弱信噪比下的传输，并且在基带中采取分步传输技术，提高传输速率和可靠性。
第二个阶段是在21世纪初期，由学术界开始研究。
此时超宽带技术的全球标准化工作逐渐建立，主要标准为IEEE802.15.3a。
随着技术的不断提高，超宽带无线通信技术开始逐渐应用于民用领域。
第三个阶段是现代阶段，随着物联网的兴起，超宽带无线通信技术得到了越来越广泛的应用。
目前除了在民用领域得到了广泛应用外，还广泛用于医疗器械、汽车等领域，成为未来通信技术发展的一大趋势。
总的来说，超宽带无线通信技术的发展历程是一个不断探索、不断完善的过程。
虽然技术上还存在一些问题，但随着技术的不断提高，我们相信这种技术将会在未来实现更广泛的应用。
SWOT分析法是一种经典的市场营销分析工具，它可以帮助分析企业的内部优势、挑战、外部机会和威胁。
以下是SWOT分析法的分析内容和案例。
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比如，一家新兴的电动汽车制造商可以利用政府对新能源汽车支持政策和公众对环保的关注来扩大市场份额。
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(UWB)无线通信技术介绍
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。
3.1 UWB与IEEE802.11a
IEEE802.11a是IEEE最初制定的一个无线局域网标准之一，它主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，工作在5GHzU-NII频带，物理层速率54Mbps，传输层速率25Mbps。采用正交频分复用（OFDM）扩频技术；可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务。IEEE802.11a用作无线局域网时的通信距离可以达到100m，而UWB只能在10m以内的范围通信。根据英特尔照FCC的规定而进行的演示结果显示，对于10m以内的距离，UWB可以发挥出高达数百Mbps的传输性能，但是在20m处反倒是IEEE802.11a/b的无线局域网网设备更好一些。因此在目前UWB发射功率受限的情况下，UWB只能用于10m以内的高速数据通信，而10m到100m的无线局域网通信，还需要由802.11来完成，当然与UWB相比，802.11的功耗大，传输速率低。
3.2 UWB与Bluetooth
自从2002年2月14日，FCC批准UWB用于民用无线通信以来，就不断有人将UWB评论为蓝牙（Bluetooth）的杀手，因为从性能价格比上看，Bluetooth是现有无线通信方式中最接近UWB的，但是从目前的情况看UWB不会取代Bluetooth。首先从应用领域来看，Bluetooth工作在无须申请的2.4GHz ISM频段上，主要用来连接打印机、笔记本电脑等办公设备。它的通信速率通常在1Mbps以下，通信距离可以达到10m以上。而UWB的通信速率在几百Mbps，通信距离仅有几米，因此二者的应用领域不尽相同。其次，从技术上看，经过多年的发展，Bluetooth已经具有较完善的通信协议。Bluetooth的核心协议包括物理层协议和链路接入协议，链路管理协议及服务发展协议等等，而UWB的工业实用协议还在制定中。还有，Bluetooth是一种短距离无线连接技术标准的代称，蓝牙的实质内容就是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，从这方面讲，UWB可以看作是采用一种特殊无线电波来高速传送数据的通信方式，严格地讲，它不能构成一个完整的通信协议或标准。考虑到UWB高速、低功耗的特点，也许在下一代Bluetooth标准中，UWB可能被用做物理层的通信方式。最后，从市场角度分析，蓝牙产品已经成熟并得到推广和使用，而UWB的研究还处在起步阶段。基于以上原因，在未来的几年内，UWB和Bluetooth更有可能既是竞争对手，又是合作朋友。
超宽带无线通信技术讲义
缺点
• 信息传输速率不高 • 频谱利用效率不高 • 频谱使用不灵活
2018年5月21日
东南大学
17
基带窄脉冲方式的典型应用
隔障碍物探测、通信
• 穿墙探测 • 抢险救灾 • 探地雷达
极低功耗、低速、低成本通信
• 无线传感网 • 军事网络
其它应用
东南大学 18
2018年5月21日
调制载波的UWB通信
单位频带 发射功率
窄带
宽带 超宽带 频率
2018年5月21日
东南大学
3
UWB的本质特点
在极宽的频带中进行通信，并为避免对其它 系统造成干扰，发射功率受到严格的限制
美国FCC的定义 和规范
关于UWB的 一些错误认识
2018年5月21日
东南大学
4
FCC关于UWB的定义
定义
• 相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz • 相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率 fH fL Br ( fH fL ) / 2 • 这一定义还可能再修改
数据/ 用户接口
编码
脉冲产生
LNA
脉冲检测
解码
数据/ 用户接口
2018年5月21日
东南大学
12
PPM UWB通信系统
2018年5月21日
东南大学
13
PPM调制的时域波形和频谱特性
2018年5月21日
东南大学
14
窄脉冲的产生
雪崩晶体管 阶跃恢复二极管（ Step Recovery Diode，SRD） 高速CMOS电路
调制载波方式
• 与现有一般通信方式较接近的方式 • MB-OFDM、DS-UWB等
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超宽带（UWB）无线通信
▪ UWB的概念及其发展 ▪ UWB的技术特点 ▪ UWB与其他无线技术的比较 ▪ UWB的关键技术 ▪ UWB的应用与前景 ▪ 其他
窄带、宽带、超宽带的定义
窄带
信号带宽/中心频率 ≤1%
宽带
1%≤…≤25%
超宽带（UWB）≥25%或带宽≥500Mbps
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。
UWB的历史
▪ UWB并不是一件新生事物，它已经有几十年的历
史了，起源于20世纪60年代Dr. Gerlad.F.Ross对 微波网络冲激响应的研究。但是过去它仅仅应用 在军事雷达和定位设备中，它也可以实现穿墙视 物等功能。
UWB的技术特点
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，使时间供电。
UWB的技术特点
5、定位精度高
▪ 由于脉冲超宽带具有较强的穿透能力，因此可以用于各种环境下的测距 和定位。系统的定位精度与信号的频谱宽度直接相关，频谱越宽，时间 分辨率越高。脉冲超宽带发射极短的基带窄脉冲信号具有很高的定位精 度，其带宽通常在数GHz，所以理论上其定位精度可达厘米量级。研究 表明，与GPS全球定位系统相比，超宽带技术具有更高的定位精度。
与其它短距离无线技术的比较
▪ 从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离
只有10M左右，因此我们只拿常见的短距 离无线技术与UWB作一对比，从中更能显 示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无 线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
IEEE802.11a与UWB
▪ IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物
密度下共享频谱的方式，在频谱资源非常紧张的今天具有极其重要的意 义，这也是超宽带兴起和发展的主要原因之一.
2、信道容量大，传输速率高
➢ ➢
香超农宽信带道信容号量占公有式数百兆C赫兹W（lMogH2z(）1甚NS至)几吉(b赫/ s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
4、信号衰减小，穿透能力强
▪ 正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反比，在密集多径情况下，信 号的功率衰减更是与距离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号为定向窄脉 冲，不需要载波，具有较强的方向性，在相同的功率下，比正弦电磁波 的衰减更小。
▪ 同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波具有较强的穿透能力，能够 穿透多种材料，使其可以应用于成像、检测、监视和测量等领域。
技术
GPS
定位精度 5-20m
Bluetooth IEEE802.11 UWB
3m
3m
15cm
UWB的技术特点
6、保密和安全性能好
▪ 超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境噪声和 其他信号中，同时又具有极宽的带宽，很难被基于频 谱搜索的侦测设备检测到。
▪ 同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式，包括： 跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频等，在接收端必 须采用与发射端一致的扩频码才能正确的解调数据， 这使得使非合法用户很难获取合法用户的传输信息， 系统的安全性和保密性非常高。
▪ 直到2002年美国联邦通讯委员会（FCC）才发布
商用化规范。摩托罗拉2005年7月8日已经在台湾 成立亚洲第一座超宽带无线通讯研发中心。
UWB的发展
应用到民用领域
FCC开放频带 第一个专利被授予 最早美国提出
至今 2002年 1973年
1960年提出
UWB的技术特点
1、共存性能好
▪ 超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信使用的频 谱范围从3.1GHz到10.6GHz，频谱宽度高达7.5GHz，通过发射功率的 限制，避免了对其他通信系统的干扰。超宽带信号的最高辐射功率为41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这样在很低的功率谱
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。
➢ 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。
蓝牙(Bluetooth)与UWB
▪ 蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的
一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织 (SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世 界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为 10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术， 速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比 较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的 速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看， 蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成 熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势， 因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝牙的杀手， 不是没有道理的。
3
上述定义的示意图
单位频带 发射功率
窄带
宽带 超宽带 频率
FCC关于UWB的定义
▪ 定义
▪ 相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz ▪ 相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率
Br
(
fH fL fH fL)/ 2
▪ 这一定义还可能再修改
5
什么是超宽带无线通信技术
▪ 是一种具备低耗电与高速传输的无线
理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信 距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在 短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与 UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是 IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)， 由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演 示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因 此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但 是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB 相比，802.11a的功耗相当大。