(完整版)UWB—超宽带无线通讯技术及应用
UWB
3.4.1 UWB无线通信技术原理
脉冲无线电技术
（1）常用UWB基带窄脉冲波形
单周期高斯脉冲对应的时域和频域的数学模型 可以表示为：
v(t) 6 A e t exp[ 6 ( t )2 ]
3
v( f ) j 2 ft 2 e exp( f 2t 2 )
32 6
式中，A为脉冲的峰值幅度， 是一个时间延迟长度，
等于脉冲持续时间。
3.4.2 UWB无线通信技术原理
脉冲无线电技术 （1）常用UWB基带窄脉冲波形
单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性
3.4.2 UWB无线通信技术原理
脉冲无线电技术
（1）常用UWB基带窄脉冲波形
1
-40
Magnitude (dBm)
3.4.2 UWB无线通信技术原理
脉冲无线电技术
（2）UWB脉冲调制方式
UWB技术常用的脉冲调制方式包括脉位调制 （PPM）、脉幅调制（PAM）和二相调制 （BPSK）。
3.4.2 UWB无线通信技术原理
脉冲无线电技术
（2）UWB脉冲调制方式
脉位调制（PPM）：
通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对 于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是 简单，但是需要比较精确的时间控制。
此后研究焦点主要集中在雷达系统，并一直被 美国军方严格控制，利用占用频带极宽的超短 基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达， 以及低截获率/低侦测率的通信系统。
3.4.1 UWB技术背景和概述
UWB技术背景
1989年，美国国防部首次使用超宽带UWB的名 称，规定相对带宽大于0.2或在传输的任何时 刻带宽大于500MHz的信号为超宽带信号。
超宽带技术——UWB
UWB 蓝牙 802.11a HomeRF的区别
UWB 速率(bps) <=1G 距离(m) ＜10 功率(毫瓦) <=1 应用范围 探距离 多媒体 蓝牙 802.11a ＜1M 54M 10 10~100 1~100 1>= 家庭或 电脑和 办公室 Internet网关 HomeRF 1~2M 50 <=1 电脑、电话 及移动设备
与其它短距离ห้องสมุดไป่ตู้线技术的比较
(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB
蓝牙的传输距离为10cm～10m，它采用2.4GHzISM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。
UWB技术特点
（8） 工程简单造价便宜
在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全 数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对 脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上， 设备的成本将很低。
与其它短距离无线技术的比较
(1)IEEE802.11a与UWB
IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一， 物理层速率在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。
(完整版)uwb概述
UWB定位算法：
1、临近检测（与天线有关，根据天线强度） 2、信号强度分析（接收信号的强度与发射机和接收机距离之间的关系） 3、到达时间定位 4、到达时间差定位 5、到达角度。 已有算法分析： 1、基于TOA的定位系统方案 2、泰勒级数展开法 3、MES（最大能量输出）算法 4、用锁相环来估计IR—UWB信号的到达时间 5、超宽带通信系统加权移动三角形到达时间精确定位算法
超宽带无线电基础
一、概论 二、研究现状 三、定位算法研究
1
一、概论
1960年UWB 技术最初作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术。 直到2002年2月，FCC批准了UWB技术用于民用。 FCC对 UWB设备的最初定义是：一种发射信号的相对带宽大于O.2，或者
传输时带宽至少为500MHz的设备。相对带宽定义为2(fH—fL)／(fH十fL)， 其中fH和fL分别为-10dB时的上界频率和下界频率。规定其UWB频段3.1 到10.6Ghz
6
TR传输参考接收机（ＴＲ和改进ＴＲ）ＴＲ优点接收端本地模板信号从含噪声的接s 收信号中提取，降低了接收端对同步的要求，接收机结构简单，缺点是利用含噪声的 模板，会降低接受检测的性能，数据传输速率只有５０％，功率也有一半消耗在发射 参考信号上。
7
2、发射机：主要是建立发射模型，发射电路实现，超宽带发射芯片 系统主要由电源、MSP430F123单片机、超宽带发射芯片TH-UWB02、简单 的滤波整形电路组成。
9
发射机最新研究成果：针对超宽带标签信号的发射, 提出采用基于竞争冒险 原理的ECL 与门来产生窄脉冲的方法。
10
UWB定位系统现有模型
11
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
测量时一个基站向目标站发射ＵＷＢ脉冲，目标站接收判断后发送回 执信号，其他基站重复此过程。各个基站计算出到每个基站到达目标站的 往返时间，这个往返时间的一半就是定位算法中需要的ＴＯＡ测量值。该 定位方案不需要基站之间的同步，但需要点对点的传输 ，因此需要较高的复杂性，较高的功耗和较长的处理时延。因此提出改进 方法：由一个目标站Ａ，３个服务站Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３（其中Ｂ１为主服 务站），１个中央处理站组成（ＰＵ）。Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３固定在已知位 置上。ＰＵ发送ＵＷＢ脉冲给Ｂ１，然后Ｂ１把ＵＷＢ脉冲分别传给Ａ， Ｂ２，Ｂ３；Ａ接收到ＵＷＢ脉冲后经过Ｔ时刻后分别传送给Ｂ１，Ｂ２， Ｂ３。最后Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３分别做ＴＯＡ测量，把测得的数据给ＰＵ。
超宽带(UWB)无线传输技术分析及应用
超宽带（UWB）无线传输技术分析及应用刘岚1，张建琼 2 ，宫兆隆 3武汉理工大学,(430070)zhangjianqiong619@摘要：超宽带无线传输技术（UWB），以其高性能低功耗和低成本等优点成为实现数字家庭网倍受关注的技术之一。
本文就超宽带无线通信技术的信号模型，特点，收发机模型，标准的制定，以及该技术应用前景和实现所面临的困难做了简要的分析和阐述。
关键词：UWB（超宽带），PAN（个人区域网）,MBOA，DS-CDMA1. 引言随着短距离无线通信技术的发展，近几年无线通信界提出个人局域网（ Personal Area Network 简称为 PAN ）的概念, PAN 的核心思想是利用新的无线传输技术代替原有的有线传输技术，实现个人通信终端设备的智能化连接，组成个人化办公室或家庭信息网络。
目前已提出的技术有BlueTooth,IEEE802.11a, IrDA( Infrared Data Association) HomeRF以及超宽带无线传输技术（UWB），其中UWB以其功耗低、传输速率高、抗干扰等优点成为实现PAN中最具竞争利力的技术之一。
2. 超宽带无线传输技术2.1 UWB的起源和概念现代意义上的超宽带数据传输技术，又称脉冲无线电（IR Impulse Radio）技术, 其历史可以追溯到1942年De Rosa提交的随机脉冲系统的专利。
70年代得到重新发展，其中多数集中应用于军事上的雷达和低截获率/低侦测率的通信系统。
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“超宽带”这一术语。
自1998年起，美国联邦通信委员会（FCC）对超宽带无线社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，2002年2月FCC准许UWB技术进入民用领域。
FCC定义，信号带宽大于500HZ，或带宽与中心频率之比大于25％的带宽为超宽带。
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。
超宽带无线通信系统关键技术及应用
超宽带无线通信系统关键技术及应用摘要:超宽带技术是目前正被广泛研究的一种新兴无线通信技术。
本文重点介绍了超宽带无线通信系统中物理层及上层的关键技术,并详细描述了超宽带技术在军事应用、智能交通以及智能家居领域中的应用前景。
关键词:超宽带信道建模定时同步Rake接收信道估计1 引言近年来,超宽带(Ultra-wideband,UWB)技术开始用于民用高速、定位和近距离无线通信等领域,并取得了较快发展。
UWB技术具有许多优点:传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。
然而,UWB系统中许多基本问题尚未解决。
物理层关键技术的研究引起了国内外学者的极大兴趣。
UWB信道严重的频率选择性衰落特征和系统的低辐射功率限制对接收机设计提出严峻的挑战。
为优化接收机设计,必须对定时同步、信道估计、接收机结构等若干关键技术进行深入研究。
2 超宽带无线通信系统关键技术2.1 信道建模为进行正确的系统设计,理解并量化多径传播的影响,建立可靠的、可以捕捉到信道特性的模型是重要的,它是UWB通信系统设计和研究的基础。
IEEE工作组的目标就是选择正确的模型用于描述UWB 传播信道,以对传输方案性能进行评估。
其中,IEEE 802.15.3a工作组主要考虑短程高速无线个域网通信环境,而无线传感网低廉低功耗网络应用技术标准则由IEEE802.15.4a工作组负责。
与稳定可观测的有线信道不同,无线信道随机且不易分析,该模型的获取一直是无线系统设计中比较棘手的问题。
目前,关于UWB信道的测量方法已有很多[1]:直接UWB脉冲探测法;扫频测量法;射线跟踪法等。
2.2 定时同步定时同步是通信系统中至关重要的问题。
在UWB系统中,由于信号持续时间非常短,且信号功率很低,使同步捕获和跟踪变得相当困难。
UWB信道的密集多径特征进一步增加了定时同步的复杂性。
目前提出的UWB系统定时同步方法可以分为数据辅助定时同步和盲定时同步[2]。
2.3 Rake接收机克服多径影响的方法之一就是利用Rake接收机,也即匹配每一条路径进行时间分集,把输出的结果按某种准则合并,形成一个充分统计量进行判决,这样可以极大地减弱多径的影响。
课件--5.3超宽带技术与应用
《物联网技术》
UWB技术的特点
UWB技术的应用
UWB信号能够穿透墙壁和其他物体。不同的材料和厚度导致不同程度的信号衰减，因此，在 系统设计前有必要进行现场环境的射频性能测量。传感器通过以太网(无线或有线方式)实现相互间 的通讯，也可以通过以太网连接来接收它们的固件程序。传感器可以选择交换机POE供电，也可以 选择外部直流电源供电。
《物联网技术》
UWB系统的关键技术
（4）天线的设计 UWB信号占据带宽很大，在直接发射基带脉冲时，需要对设备功耗和信号辐射功率谱密 度提出严格要求，这使得UWB通信系统的收发天线设计面临巨大挑战。辐射波形角度和损 耗补偿、线性带宽、不同频点上的辐射特性、激励波形的选取等都是天线设计中的关键问题。 在要求通信终端小型化的应用中，往往要求设计高性能、小尺寸、暂态性能好的UWB天线。 UWB天线的要求：一是输入阻抗具有UWB特性；二是相位中心具有超宽频带不变特性。 即要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号的有 效发射和接收。
① 单脉冲调制 对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。适用于UWB的主要单脉 冲调制技术包括：脉冲幅度调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）、通断键控（OOK）、二相 调制（BPM）和跳时/直扩二进制相移键控调制（TH/DS-BPSK）等。
《物联网技术》
UWB系统的关键技术
PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。PAM可以改变脉冲幅度的 极性和绝对值大小。通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。 BPM和OOK是PAM的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有 脉冲幅度的绝对值相同。OOK通过脉冲的有无来传递信息。 在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。PAM、OOK和PPM共同 的优点是可以通过非相干检测恢复信息。 TH-PPM和TH/DS-BPSK的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下，TH/DS-BPSK 的性能要优于TH-PPM。
超宽带_UWB_通信技术的特点及其应用
归纳而讲,总控采用智能化的监控软件对总控音频设备进行参数设置、调整,能集中监看通道中各设备的工作状态,并提供提示和报警。
但要注意无论怎样先进的设备都是由人来操作执行的,维护人员的基本素质和业务能力是设备管理维护的重要决定因素,安全可靠的系统设计提高了广播中心的安全性,恰当的技术措施也很重要。
我们现在的技术人员都是由原来操作处理传统设备的人员组成的,习惯用陈旧的观念和手段完成值班和维护工作,针对这一现状,大家认真分析了各种可能发生的问题,对不同的故障,从现象到故障点分析判断,到最后的操作列出详细的清单,以图示标明跳线位置,并将这些资料放在控制台上。
▲(收稿日期:2005-10-27)文章编号:1006-5628(2005)12-0015-02《西部广播电视》2005年第12期超宽带(UW B)通信技术的特点及其应用周薛雪(四川大学数学学院 四川 成都 610064)摘 要:超宽带(UW B)通信技术是近来研究的热点,本文具体介绍了UW B的概念及特点,并简单介绍了它在一些领域的应用。
关键词:超宽带(UW B) 无线通信技术中图分类号:T N91414 文献标识码:B1 引言超宽带其实有着悠久的发展历史,可以追述到一百年前波波夫、马可尼发明越洋无线电报的时代。
现代意义上的超宽带UW B(UltraWide Band)出现于上世纪90年代,但是它的应用仅仅局限于军事、灾害救援等方面。
直到1989年美国国防部高级研究计划署(DARPA)才首先采用了超宽带这一术语,并对它的定义做了明确的规定:若信号在-20dB处的绝对带宽大于115G H z或相对带宽大于25%,则该信号为超宽带信号。
到了2002年2月14日,这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC)的批准用于民用通信,从而引起了世界各国的广泛关注。
2 超宽带(UWB)的技术特点1)系统容量大。
根据Shannon信道容量公式,在高斯信道中,系统无差错传输速率的上限为:C=B×log2(1+SNR)其中B为信道带宽,SNR为信噪比。
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1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将超宽带系统的 发射功率限定在一定范围内，即在超宽带通信频率范围内的 每个频率上都规定一个最大的允许功率，这个功率值一般通 过辐射掩蔽（emission mask）来决定.
(1)
(2)
探地雷达 穿墙成像
墙内成像 监视系统
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
Emitted Signal Power
GPS PCS
WIFI, Bluetooth 802.11b
WIFI 802.11a
-41 dBm/MHz
UWB Spectrum
1.6 1.9 2.4
3.1
5
10.6
Frequency (GHz)
1 UWB技术背景和概述
➢ 2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形
脉冲无线电（Impulse Radio）是早期超宽带系 统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲） 作为信息载体的非正弦载波无线电技术。
该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系 统，属于基带、无载波通信的范畴。
2.UWB无线通信技术原理
➢ 2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形
医疗成像
室内UWB设备辐射掩蔽
室外手持设备
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
FCC（美国联邦通信局）：
对UWB系统所使用的频谱范围规定
带宽规定： 绝对带宽 （Absolute Bandwidth） 相对带宽 （Fractional Bandwidth）
绝对带宽大于500MHz 相对带宽大于25%
基带窄脉冲形式是UWB通信最早采用的信号形 式，一般来说它的工作脉宽是纳秒级的
典型的UWB脉冲采用高斯双叶脉冲（Gaussian Doublet），这种脉冲因为生成容易而被经常 使用
生成方法： 光电法，电子法
2.UWB无线通信技术原理
➢ 2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形
单周期高斯脉冲
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
UWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术， 利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数 据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号， UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至 数Gbit/s的数据传输速率
1 UWB技术背景和概述
➢ 1.1 什么是 UWB
窄带 相对带宽<1% 宽带 1%<相对带宽<20% 超宽带 相对带宽>20%
超宽带 绝对带宽 大于 500MHz
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
1 UWB技术背景和概述
➢ 1.2 UWB 与传统载波通信的区别
传统载波通信信号
调幅
调频
1 UWB技术背景和概述
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景 相对带宽（Fractional Bandwidth）
相对带宽是指绝对带宽与中心频 率之比。由于超宽带系统经常采 用无正弦载波调制的窄脉冲信号 承载信息，中心频率并非通常意 义上的载波频率，而是上、下截 止频率的均值 。
中心频率： fH fL 2
宽就越小
p(t)
1
2 2
t2
e 2 2
2 t2
2 e 2
2.UWB无线通信技术原理
➢ 2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形
高斯脉冲的一介导数
1
-40
Magnitude (dBm)
0.8
-45
0.6 -50
0.4
0.2
-55
0
-60
-0.2
-65
-0.4 -70
-0.6
-0.8
-75
-1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
绝对带宽（Absolute Bandwidth）
绝对带宽是指信号功率谱 最大值两侧某滚降点对应 的上截止频率 与下截止 频率之差。
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。
UWB
——超宽带无线通信技术及应用
超宽带无线通信技术（UWB）
1 UWB技术背景和概述 2 UWB无线通信技术原理 3 UWB通信的技术特点 4 UWB技术的应用
1 UWB技术背景和概述
➢ 1.1 什么是 UWB
UWB (Ultra Wide Band,) 技术被称之为 “ 超 宽带 ” ，又称冲激无线电（Impulse Radio） 技术。
➢ 1.2 UWB 与传统载波通信的区别
传统载波通信信号
数字调制
1 UWB技术背景和概述
➢ 1.2 UWB 与传统载波通信的区别
UWB 通信信号
Tc
dn=1
Tc
dn=-1
Tf
Tf
Ts=NfTf
Ts
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
超宽带(Ultra Wide Band, UWB)无线通信技术起 源于20世纪60年代对微波网络冲激响应的研究
2002年2月，这项无线技术首次获得了美国联 邦通信委员会（FCC）的批准用于民用和商用 通信，这项技术的市场前景开始受到世人的瞩 目
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
频谱范围规定
FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.110.6GHz，
功率谱密度规定
发射机的信号最高功率谱密度为 −41.3dBm/MHz，
➢1.3 UWB 技术背景1 UWB技术背景和概述
➢ 1.4 UWB与其它短距离无线技术的比较
UWB
蓝牙
速率（bps） 最高达1G ＜1M
WIFI 802.11a
54M
WIFI 802.11b
11M
距离（米） ＜10
10
30
功率
1毫瓦以下 1~100毫瓦 1瓦以上
80 1瓦以上
2.UWB无线通信技术原理
此后研究焦点主要集中在雷达系统，并一直被 美国军方严格控制，利用占用频带极宽的超短 基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达， 以及低截获率/低侦测率的通信系统。
1 UWB技术背景和概述
➢1.3 UWB 技术背景
自1998年起，FCC (美国联邦通信委员会)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，