第二章超宽带实现技术IR-UWB
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。
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
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.。
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。
超宽带技术(UWB)概述
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。 实际应用中，绝对带宽有−3dB绝对 带宽、−20dB绝对带宽等不同选择。
相对带宽（Fractional Bandwidth）
( fH fL ) 2 (2.8 1.2) 2
fL 1.2 GHz fH 2.8 GHz
窄带
相对带宽
fH fL ( fH fL )
2
2.8 1.2 (2.8 1.2)
100% 80% 2
宽带 UWB
相对带宽<1% 1%<相对带宽<20%
相对带宽>20%
UWB定义
分数带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率 DARPA：FBW>25％ （－20dB） FCC：FBW>20％或者绝对带宽>0.5GHz （－10dB）
超宽带技术(UWB)概述
超宽带技术概述 Ultra-W i d e b a n d ,
UWB
单位频带
发射功率
窄带
宽带
超宽带 频率
超宽带（UWB）发展简史
• 19世纪末期，马可尼演示的第一个无线通信系统就涉及了脉冲超宽带 的概念；最早的超宽带又称为 Impulse Radio ；
• 1942年，随机脉冲系统专利，上世纪六七十年代在雷达信号处理领域 有成功应用；
–超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，1998 年FCC征询用于民用的意见，2002年2月确定辐 射模板正式将其解禁。
非正弦载波调制传输：
• 非正弦载波调制传输：
• 第一个基于UWB无线电通信的脉冲技术为Spark Gap无线 电通信技术，主要用来传送摩尔斯电码。
第二章超宽带实现技术IR-UWB
扩频调制如果是载波调制，分为相移键控PSK和频 移键控FSK。相移键控对应的扩频即是直接序列扩 频；频移键控对应的即是跳频扩频。
扩频调制如果是脉冲调制，采用脉位调制PPM的即 是跳时扩频，采用二相调制BPM的即是直接序列扩 频。
BPSK直接序列扩频系统： 数据
信道编码
PN码
采用模2加法
数据 信道编码
a2 ) N0
)
Pe Q(
2Eb ) N0
比OOK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。
s t p(t kTf bk p ) k
功率密度
2
S( f ) 1 2Tf
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
数 据
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
解调
解码
数 据
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
数据信息调制后还要多址调制，所以两者通常一 起研究设计。
Impulse Radio中的多址调制
以前我们了解的有SDMA、TDMA、FDMA、 CDMA
在宽带、超宽带通信系统中，多址方式通常是和 扩频技术相结合的。
IR-UWB现有的扩频方式
✓ 跳时扩频（TH，Time Hopping） ✓ 直接序列扩频（DS，Direct Sequence Spread）
超宽带技术(whr)——UWB
UWB Technical characteristics
(7) accurate positioning Impulse with high positioning accuracy, the use of ultra wideband radio communication, positioning and communication it is easy to one, while the conventional radiois difficult to achieve this point. Ultra wideband radio has a strong penetrating ability, precise positioning in indoor and underground, but the visible range of GPS positioning system can only work in GPS satellite positioning; GPS provides absolute location, ultrashort pulse locator can give the relative position, the positioning accuracy can reach centimeter level, in addition, ultra wideband radio locator more cheap.
UWB Technical characteristics
(3) with very wide bandwidth UWB use of bandwidth in 1GHz above, up to several GHz. Ultra wideband system capacity, and can work at the same time and currentnarrowband communication system without interference. This frequency in t. This frequency in today's increasingly tight resources, opens up a new domain radio resources.
UWB技术与超宽带通信
04 UWB通信性能分析
传输速率与误码率
传输速率
UWB技术通过高速传输数据来提供高带宽，其传输速率远高于传统的无线通信技术。例如，WiMedia UWB的 传输速率可达到数百兆bps，而IEEE 802.15.3a标准定义的UWB传输速率范围为100-480Mbps。
误码率
UWB技术的低误码率特性使其在数据传输中具有较高的可靠性。由于其采用扩频技术，信号在传输过程中具有 较强的抗干扰能力，因此误码率较低。例如，某些UWB系统的误码率可低于0.1%。
信号处理难度
UWB信号具有高速跳变和 宽带特性，对信号处理技 术提出了更高的要求。
设备成本与普及度
目前UWB设备成本较高， 普及度有待提高，需要进 一步降低成本和提高市场 接受度。
UWB技术在物联网中的应用
无线通信
UWB技术具有高速、低延迟、高精 度定位等特点，适用于物联网中的无 线通信和数据传输。
与其他通信系统共存
UWB通信系统需要与其他通信系统共 存，因此需要进行频谱管理和干扰抑 制，以保证UWB通信系统的正常运行 。
06 UWB技术发展前景
UWB技术发展趋势
标准化进程加速
随着UWB技术的普及，国际标 准化组织正在推动UWB标准的 制定和更新，以促进UWB技术
的广泛应用。
集成化与小型化
信道建模与仿真技术可以帮助研究人员更好地理解信道特性，提高UWB 通信系统的性能和稳定性。
多径抑制与抗干扰技术
多径抑制与抗干扰技术是UWB通信中用于解决多径干扰和噪声干扰的重要手段。
通过采用先进的信号处理算法和技术，可以有效地抑制多径干扰和噪声干扰，提高 信号的传输质量和可靠性。
多径抑制与抗干扰技术包括自适应滤波、扩频技术、信道编码等技术，可根据不同 的应用场景选择合适的技术组合。
超宽带技术概述
超宽带（UWB）技术一、UWB技术简介UWB(Ultra Wide Band)是一种短距离的无线通信方式。
其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。
UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微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，适用于高速、近距离的无线个人通信。
美国联邦通讯委员会(FCC)规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。
超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面：一个是传输带宽，另一个是是否采用载波方式。
从传输带宽看，按照FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25％的为超宽带。
超宽带传输技术直接使用基带传输。
其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数1O亿个脉冲。
然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。
由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB对传统的无线电波影响相当小。
UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。
二、UWB技术的发展历程现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术，又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术，出现于1960年，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。
通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。
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"超带宽"这一术语。
为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起，美国联邦通信委员会( FCC) 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，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。
(完整版)超宽带(UWB)技术
微波通信
到5 dB。 6、定位精确
超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确 定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之 内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相 对位置， 其定位精度可达厘米级。 7、抗干扰性能强(电磁兼容性),误码率低
获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。 1、简单系统结构
UWB发射器直接用脉冲小型微带天线。由于UWB 不需要对载 波信号进行调制和解调,故不需要混频器、滤波器、RF/ IF 转换器 及本地振荡器等复杂器件,同时更容易集成到CMOS 电路中。 2、高速数据传输
理论上,一个宽度为0的脉冲具有无限的带宽,因此,脉冲信号要想够窄的
微波通信
围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。相反的，超宽 带以基带传输。 UWB通信系统模型见下图。
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。
微波通信
二、UWB的技术特点 UWB具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截
由于不使用载波,仅在发射窄脉冲时消耗少量能量,从而节约了发 射连续载波时的大量能耗。这一特色还使UWB 可通过缩小脉冲 宽度,在提高带宽的同时而不增加功耗,这打破了过去传输技术中功 耗和带宽成正比的定律。民用的UWB 设备功率一般是传统移动 电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。 军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电
(完整版)UWB—超宽带无线通讯技术及应用
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
基于IR—UWB定位系统接收机的改进与实现
（ｃｏｌｏ ｎｏｍ ｔ ｎ ａｄ Ｃ ｍｍ ｎ ｏ ，Ｇ ｉｎ Ｕ ｉ ｒｔ ｆ Ｅｅｔ ｎｃ Ｔｃ ｎｌ ｙ ｕｌ ｕｎ ｘ ４ ０４ ｈｎ Ｓｈ ｏ ｆ Ｉ ｒ ａｉ ｎ ｏ ｕ ＆￣ｉ ｆ ｏ ｎ ｕｌ ｎｖ ｓ ｙｏ ｌ ｒ ｉ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｇ ｉｎ Ｇ ａｇ ｉ５ １０ ，Ｃ ｉ ｉ ｅｉ ｃｏ ｏ ｉ ａ）
（ ＯＡ） ｉ ｅ ａ ｔ ｅｔ ｔｄ ｔ ｒａｉｅ ｒｃｓ ｄｓ ｎ ｅ Ｔ ｓ ｘ ｃｌ ｓｉ ｅ ， ｏ ｅ ｌ ｐｅ ｉｅ ｉｔ ｃ ｍｅｓ ｒｍｅ ｔ ｎ ｎ ｏ ｒ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ Ｓ ａ ｔ ａｃ ｒｔｌ ｐ ｓｔ ｎ Ｔ ｅ ｙ ｍａ ｚ ａ ａｕｅ ｎ ｉ ｉｄ ｏ ｅ ｖｒｎ ｎ ， Ｏ ｓ ｏ ｃ ｕａｅｙ ｏｉｏ ． ｈ ｉ
ｉ ｐ ｏ ｅ ｎｔ ｆ ｐ ｓｔｏ ｉ ｇ ｒ ｃｓｏ ． ｍ ｒ ｖ ｍｅ ｏ Βιβλιοθήκη ｏ ｉｉｎ ｎ ｐ ｅ ｉｉ ｎ
【 ｙ ｗ ｒｓ Ｒ Ｕ ；Ａ Ｃ ｈ ｒｅｐ ｍ ｈｓ—ｏｋ ｄｌｏ；ｒ ｅｖｒ ｐ ｓｉ ｉｇ Ｋｅ ｏ ｄ 】Ｉ— ＷＢ Ｇ ；ｃａｇ ｕ ｐ ｐ ａｅ ｌ ｅ ｏｐ ｅ ｉ ； ｏｉｏ ｎ ｃ ｃ ｅ ｔｎ
【 ｂｔａｔ ｎ ｔｅ ｂｓ ｆｔｅ ｉ ｒｄ ｃｏ ｆＡ Ｃ ｕｔｅ ｉｐｏｅ ｅｔｏ ｔｅ ｐｅｉ ｓ Ｕ ｎ ｏｒ ｐｓｉ ｉｇ ｒｃｉｅ ｉ Ａ ｓ ｃ 】Ｏ ｈ ａｉ ｏ ｈ ｎ ｏｕ ｔｎ ｏ Ｇ ，ａ ｆｒ ｒ ｍ ｒｖｍ ｎ ｆ ｈ ｒｖ ｕ ＷＢ ｉ ｏ ｏｉｏ ｎ ｅｅｖｒ ｓ ｒ ｓ ｔ ｉ ｈ ｏ ｄ ｔｎ
尹 中南 ， 曹 慧 ， 邓成 奎 ， 山 山 涂
(完整版)无线通信原理与应用-2.6超宽带技术——UWB
➢ UWB（Ultra wideband）超宽带是一种不用载波，而采 用时间间隔极短（小于1ns）的脉冲进行通信的技术， 也可称作脉冲无线电、无载波或通信时域。
➢ FCC对UWB定义限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射 功率 ，传输速率是在10 米内为几兆到几百兆，甚至可 达GHz以上。
显示器
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无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice 家庭无线网络—数字娱乐中心 在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD、DVR、数码相机、数码摄像 机、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里 ，将来 你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用 它们 。
10
10-100
50
探测距离 多媒体
电脑和 Internet网
关
家庭办公
电脑电话及 移动设备
电气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
UWB的应用
军事应用: UWB雷达(探测地雷、反恐穿墙雷达 ）。
电气工程学院 通信工程系
无线通信原理与应用
Wireless Communications Principles and Practice
第2章 现代无线通信系统
（Introduction to Wireless Communication Systems）
电气工程学院 通信工程系
uwb技术的工作原理
uwb技术的工作原理
UWB技术是指超宽带技术，是一种用于无线通信的新型技术。
UWB技术的工作原理是利用超宽带信号在频谱上的特殊性质来实现通信。
UWB信号具有非常宽的带宽，可以同时在多个频段上传输信息。
这使得UWB 技术可以在不干扰其他无线设备的情况下，实现高速数据传输、精确位置定位等功能。
UWB技术在通信中的应用主要包括两种模式：发射模式和接收模式。
在发射模式下，UWB设备会发送一系列短脉冲信号，这些信号具有超宽的带宽和极短的持续时间。
在接收模式下，UWB设备会接收所发送的信号，并通过对信号进行处理和解码来实现数据传输或位置定位。
UWB技术在实际应用中，需要通过传输介质来进行信号传输。
这些传输介质可以是空气、混凝土、金属等物质。
通过选择合适的传输介质，可以在不同的应用场景中实现高效的信号传输和应用。
总的来说，UWB技术是一种具有广泛应用前景的无线通信技术，它的工作原理是利用超宽带信号的特殊性质来实现通信。
随着科学技术的不断发展和应用的不断推广，UWB技术将在未来的工业、医疗、物联网等领域得到更广泛的应用。
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keying
常用的脉冲调制方式示意
脉冲幅度调制（PAM）
信息调制在脉冲幅度上
当调制信息为 a i ，i0,1,2, ，调制信号为：
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AWGN信道下的误码率性能不是最好的 符号间干扰（ISI）比较严重 PPM的实现比较复杂
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。
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的传输速率更高。
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。
ai,1,ai,20,1 C 1 ( t ) 、C 2 ( t ) 分别为正交脉冲串
不同组的正交脉 冲串可以对应不 同的用户(多址)
Input data: a i , 2 a i ,1
00 01 10 11
L=4 Codes
1,0,0,0 0,0,1,0 -1,0,0,0 0,0,-1,0
L=2 Codes
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。
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}）
数据调制技术讨论
现有的脉冲调制技术不止这些。可以组合和创新。
调制技术的好坏主要考察
✓ 调制效率，符号携带的数据比特。M进制调制中，M 越大，则调制效率越高。
✓ 误码率。目前BPSK（或称BPM、2-PAM）的误码率 最低
✓ 实现难易程度。 ✓ BPSK是目前的首选。
对于超宽带还要考察调制信号的功率谱密度是否 容易满足FCC的辐射限制。所使用的调制技术应 尽量消除离散谱。（BPSK可以消除）
扩频调制如果是载波调制，分为相移键控PSK和频 移键控FSK。相移键控对应的扩频即是直接序列扩 频；频移键控对应的即是跳频扩频。
扩频调制如果是脉冲调制，采用脉位调制PPM的即 是跳时扩频，采用二相调制BPM的即是直接序列扩 频。
BPSK直接序列扩频系统： 数据
信道编码
PN码
采用模2加法
数据 信道编码
序列d的一般表达式如下：
dj cjTc aj
极窄脉冲发生器（不考虑脉冲形状）
脉冲发生器在超宽带无线通信系统中占据着极其重要的 地位，是UWB系统中独特的关键部件之一
可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、 阶跃恢复二极管、雪崩晶体管等器件。
✓ 隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达到 几十到几百皮秒，但其幅度较小，一般为几百毫伏的量级。
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
数 据
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
解调
解码
数 据
a1)2Eb
a2)N0
)
Pe Q (
2Eb ) N0
比OOK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
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)
频
率
频
槽
1T 2T 3T 4T 5T 6T
时间
数据
编码
FSK
信道
PN码 频率合成
输出
编码
FSK
信道
频率合成 时同步 PN码
补充内容
关于跳时扩频 使当前发送的脉冲位置根据码序列的变化而变
关于扩频码
扩频码有多种。 扩频码要求随机性好（互相关性低）、易于实现 扩频码越长，系统的保密性越好，系统发射信号
1, 0 0, 1 -1, 0 0, -1
C 1 (t ) C 2 (t) C 1(t) C2 (t)
发射参考调制
每次发两个脉冲，一个参考脉冲，一个信号脉冲， 根据信号脉冲相对参考脉冲的差异确定信号是0 还是1。
发射参考调制的优点是能够使接收机省去信道估 计，其误码率理论上可以和BPM的一样低，但在 多径环境下，参考脉冲和数据脉冲同时受到干扰， 会使判决准确率严重降低
S(t)a is0(t)(1ai)s1(t) p(tkT f) k s0(t)，s1(t) 代表相互正交的不同 脉冲
Pe,PSM Q(
Eb ) N0
PSM的误码率性能逊于BPSK，脉冲形状的改变对PSM的影响很大， 实际应用中要求发射和接受电路的线性要好，实现起来有一定的难度。
M进制双正交键控（M-BOK， Multiple Bi-Orthogonal Keying）
stakp(tkTf ) k
其中， p ( t ) 是基本的脉冲信号；T f 是脉冲周期。
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 射限制是必要的
S(f)a 2
Tf
2
P(f)2Tfa 2
2
P(k)(fk)
发送编码器 重复编码器 a （跳时扩频） d
PPM 调制器
脉冲形成器
s(t)
dj cjTc aj
s(t) p(tjTscjTcaj) j
式中，TC和 是常量，对所有cj 满足条件 cjTc TS ，且
T c 。其中，TS是比特间隔，或者称为脉冲重复周期
2PPM-TH-UWB系统实现框图
脉冲形成器
PN码
采用乘法
载波
输出
载波
输出
假设采用3比特的码片，在扩频通信中，每个信息比特与 码片模2加（或相乘），然后传送出去。采用码片010传送信 息比特101，三个信息比特就变成了9个连续比特，如下表所 示。
信息比特 扩频码
传送比特（模2加）
101 010 101010101
如果采用脉冲调制，就是一连串的脉冲发送出去，正 极性脉冲代表0，负极性脉冲代表1。
补充：扩频技术
扩频通信技术：有三种方法可以实现扩频通信， 分别是跳频扩频FHSS（frequency hopping spread spectrum)、直接序列扩频DSSS (Directive Sequence)、跳时扩频TH-SS (Timing Hopping)。
数据
信道编码
扩频调制
传输
PN序列 扩频数字通信模型
的功率谱越像白噪声，但系统的有效传输速率随 之降低。DS-UWB方案中采用变长度的扩频码。
跳时扩频的数学模型
a
跳时扩频
d
c
应用整数值伪随机码序列 c(...,c0,c1,..cj,cj 1,...)作用于输入 的二进制序列 a(...,a0,a 1,..aj,aj 1,...) ，产生一个新序列d，
✓ 而雪崩晶体管产生的脉冲，上升时间可以达1~2皮秒，输出脉冲 幅度可以达到几十伏。
现在有提出用FPGA产生一脉冲再与一延时脉冲相“与” 来获得极窄脉冲，可行性？
典型的IR-UWB系统
2PPM-TH-UWB PAM-DS-UWB
2PPM-TH-UWB
2PPM-TH-UWB超宽带系统的发射部分原理如图所示
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。
Impulse Radio中的数据信息调制
已有的实现数据信息调制的脉冲调制方式：
补充内容
关于跳频扩频
将可用的信道带宽分为大量邻接的频槽。在每个传号时间内 发送信号占一个或几个频槽。
频槽（载波频率）的选择由扩频序列决定。
调制可以采用二进制或M进制频移键控。
只有匹配的接收机知道扩频序列，能够正确接收信号。
跳频根据时间长短可以分为快跳和慢跳。当跳频速率大于消 息速率时称为快跳；反之，称为慢跳。
✓ 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