UWB —— 超宽带无线通信技术及应用

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 UWB (Ultra Wide Band,) 技术被称之为 “ 超宽带 ” ，又称冲激无线电（Impulse Radio）技术。 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 • 1.1 什么是 UWB

1 UWB技术背景和概述 • 1.1 什么是 UWB 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 • 1.2 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

1 UWB技术背景和概述 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。 • 1.3 UWB技术背景

1 UWB技术背景和概述 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， 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 • 1.3 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3.1-10.6GHz，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 UWB技术背景和概述 • 1.3 UWB 技术背景

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. • 室外手持设备 • 室内UWB设备辐射掩蔽

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%

绝对带宽（Absolute Bandwidth） 1 UWB技术背景和概述 • 1.3 UWB 技术背景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。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。

相对带宽（Fractional Bandwidth） 1 UWB技术背景和概述 • 1.3 UWB 技术背景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：

WIFI, Bluetooth 802.11b WIFI 802.11a Emitted Signal Power PCS GPS -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 • 1.3 UWB 技术背景

1 UWB技术背景和概述 • 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

2.UWB无线通信技术原理 • 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，相应的频域带宽就越小

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

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2 UWB的脉冲调制方式 UWB技术常用的脉冲调制方式包括脉位调制（PPM）脉幅调制（PAM）二相调制（BPSK）

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2 UWB的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。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2 UWB的脉冲调制方式脉幅调制（PAM）：通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2UWB的脉冲调制方式二相调制（BPSK）： BPSK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。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于PPM的3dB增益。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2 UWB的脉冲调制方式几种调制方式的比较 PAM和PPM共同的优点：可以通过非相干检测恢复信息。可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.2UWB的脉冲调制方式 PAM和PPM共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，而且会降低功率的利用率。 BPSK则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统， BPSK是一种比较理想的脉冲调制技术。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现用户之间通信的技术扩频通信是将待传送的信息数据用扩频序列调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的扩频序列进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的扩频为什么要多址扩频

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频多址扩频的优点: • 多址接入 • 隐蔽性和保密性好 • 抗干扰性强，误码率低实际的多址扩频技术有：跳时扩频 TH （TimeHopping）直接序列扩频 DS（Direct Squence）

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频跳时扩频

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频跳时扩频跳时扩频是用伪随机码去控制信号的发送时刻，首先把时间轴分成许多时隙，在一帧内哪一个时隙发射信号由伪随机序列去控制。在发射端，发送的信号先暂存在一个缓存器中，待由伪随机码发生器控制的通断开关接通时，将缓存器中的发送数据输出，经过调制后的信号送到由伪随机码发生器控制的开关电路，然后以脉冲的形式发送出去，信息“1”和“0”采用不同的脉冲传输。在接收端，本地的伪随机码产生器生成与发射端完全一致的伪随机码控制两个选通门，然后经脉冲检测器检测后进行判决输出，从而得到传送的数据信息。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频直接序列扩频

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频直接序列扩频 • 直接序列扩频就是在发射端直接利用高码片速率的扩频码序列扩展发送信号的频谱。然后在接收端，用相同的扩频码序列相乘解扩，恢复出原始的发送信息。 • 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。在接收端，射频信号经过变频后输出中频信号，它与本地的伪随机码进行时域相乘，得到解扩信号，经信息解调器恢复成原始数字信号。 • 只有当时，才能进行正确的解扩和解码。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频 • 多址与调制方式相结合，可以得到4种典型的超宽带脉冲序列： TH-PAM 跳时扩频脉幅调制 TH-PPM 跳时扩频脉位调制 DS-PAM 直接扩频脉幅调制 DS-PPM 直接扩频脉位调制

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频跳时扩频脉幅调制图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为{2,3}。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频跳时扩频脉位调制图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为{2,3}。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频直接扩频脉幅调制图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的DS码序列为{1,1,-1,1,-1}。 0

2.UWB无线通信技术原理 • 2.3UWB的多址及扩频直接扩频脉位调制图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的DS码序列为{1,1,-1,1,-1}。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带 • 在2002年FCC规定了UWB通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案MB-OFDM（MultiBand OFDM） • OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,多载波调制

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带 ECMA-368协议 • 2005年3月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于MB-OFDM方案的ECMA-368和ECMA-369标准，于2007年通过ISO认证，成为第一个UWB的国际标准。 • 规定了用于高速短距离无线网络的UWB系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为3.1～10.6GHz，最高速率可以达到480Mbit/s。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带 PLCP（Physical Layer Convergence Protocol：物理层汇聚协议） PSDU（PHY Service Data Unit，物理层服务数据单元） PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP协议数据单元）（1）帧结构 ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（PLCP ）前导、PLCP头和物理层服务数据单元（PSDU ）三部分组成的PLCP协议数据单元（PPDU ）。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带（2）编码和调制 PPDU的数据经过编码调制过程后形成OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。其中PLCP前导是时域信号，不用经过编和调制直接形成OFDM信号，PLCP头与PSDU部分形成OFDM符号的过程如图所示：

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带（3）子带划分在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为528MHz的子带，这14个频带又分为5组，其中前4组内各含有3个子带，第5组内含有2个子带。实际方案中，先期仅采用3.168～4.752GHz的3个子带，在每个子频带上，信息采用128点IFFT/FFT的OFDM调制。IFFT将信号从频域转换为时域，FFT将信号从时域转换为频域。

2.UWB无线通信技术原理 • 2.4多频带超宽带（3）子带划分

3. UWB 技术特点 （1）共存性能好（2）信道容量大，传输速率高（3）低功耗（4）信号衰减小，穿透能力强（5）定位精度高（6）保密和安全性能好 (7) 工程简单

3. UWB 技术特点 • 3.1 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。从上图中可以看到，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.

3. UWB 技术特点 • 3.2、信道容量大，传输速率高 • 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。 • 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。

3. UWB 技术特点 • 3. 3、低功耗 • 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。

3. UWB 技术特点 • 3. 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。

UWB —— 超宽带无线通信技术 及应用