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。
宽带通信网络超宽带UWB技术
滨江学院宽带通信网络题目超宽带UWB技术院系滨江学院计算机系专业学生姓名学号指导教师二0 一一年六月二十四日摘要首先简要介绍了超宽带(UWB) 的系统性能特点及UWB 的调制与多址接入技术,然后着重讨论了UWB的最新进展,包括: IEEE 802. 15. 3a UWB 多径信道模型,UWB 的多入多出(MIMO) 系统,UWB 的正交频分复用(OFDM)系统以及定位于低速无线个域网(LR - WPANs) 的802. 15. 4a 标准。
最后提出几个值得探索的研究方向,如:寻求一种新的适合分析非正弦窄脉冲的UWB 系统的无线通信理论等。
超宽带(UWB) 通信技术是近来研究的热点, 本文具体介绍了UWB 的概念及特点, 并简单介绍了它在一些领域的应用。
UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱，采用安全信令方法。
基于UWB的宽广频谱， UWB 限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。
关键词：超宽带，脉冲无线电技术，调制与多址技术，直接序列扩频码分多址一前言当今世界已进入高速发展的信息网络时代，其中最为活跃和发展最快的当属无线网络和Internet，二者常被称为天地两大网。
Internet以光纤、电缆和电话线为传输媒质，把成千上万的计算机和智能终端连接成网，可传输数据、图像、话音（IP电话）等多媒体信息，目前正向以IPv6 为主要协议的下一代互联网（NGI）发展。
无线用户要接入Internet，Internet用户希望在移动中享受Internet服务，只有这两大网络互相补充和发展，人们才会享受到更加便捷、业务多样、更高速率和个性化的宽带多媒体信息服务。
因此，宽带无线通信技术受到国内外的广泛重视，并投入巨资进行开发和研究。
宽带无线通信技术包括宽带移动通信技术和宽带固定无线接入技术。
移动通信网大约3～5年发生一次大的变革，现已经历了第一代、第二代，目前发展到第三代（3G）,3G在部分国家和地区已经开始运行，第四代（4G）的标准和关键技术研究已全面展开。
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）
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
uwb超宽带无线通信技术（高精度定位）
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。
(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
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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 ）。
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Wireless Communications Principles and Practice
第2章 现代无线通信系统
（Introduction to Wireless Communication Systems）
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超宽带技术—UWB分解PPT课件
20%，就称之为超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再
局限于脉冲发射.
-
4
UWB的发展
• UWB（超宽带）概念在1960年就被提出
• 1973年，第一个UWB系统的专利被授予
• 从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术 主要用于军事 上的雷达系统
• 1993年，R. A. Scholtz在军事 通信会议上发表"论证IR 进行 调时/调位多址技术"的论文， 开辟了将IR（脉冲无 线电）作 为无线通信载体的新途径
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
-11ຫໍສະໝຸດ UWB系统方案一、MB-OFDM方案
二、DS-UWB方案
-
12
MB-OFDM方案
• 将频谱划分为多个宽度为528 MHz的子频带 – 3频带方案：3168 – 4752 MHz – 7频带方案： 3168 – 4752 MHz 和 6072 – 8184 MHz – 后续方案还可利用更高频率的子频带
-
20
Thank you !
-
21
另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机 无法接收。
（6）发送功率非常小
UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW
的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电
源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体
的影响也会很小，
-
8
UWB技术特点
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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