典型的超宽带技术的应用研究
UWB超宽带无线定位系统研究与设计
2020年第08期86UWB 超宽带无线定位系统研究与设计陶 凯华北电力大学，北京 102206摘要：文章以高精度定位需求为出发点，结合泛在电力物联网建设思想，采用 DecaWave 公司的 DW1000作为UWB（ Ultra -Wide Band，超宽带） 无线收发器，ST 公司的 STM32单片机作为定位系统的核心控制器，设计了UWB 定位系统基站标签一体化的硬件平台。
该平台可应用于电厂连续堆取料的斗轮机等高效装卸机械作业中，实现电厂堆取料作业的自动化。
在软件算法实现上，采用双向测距的机制准确估计基站（anchor）与标签（tag）之间的距离，通过下位机的硬件模块将测距信息发送给上位机进行处理。
上位机软件根据飞行时间（TOA -Time of Flight）定位算法计算标签与基站的距离，利用多个距离数据可计算出目标标签在三维空间中的坐标值。
此外，在坐标运算过程中采用改进的泰勒算法进行误差消除，从而完成高精度室内定位系统的设计与实现。
关键词：无线定位；UWB；飞行时间；定位系统；双向测距中图分类号：TN925.930 引言在巨大的市场需求的驱动作用下，建立室内实时定位系统（Real Time Location Systems，RTLS）［1］成为目前研究的焦点。
在定位系统的研究与设计中，UWB（Ultra -wideband，超宽带）技术已经在无线通信领域应用得极为广泛［2］。
相比于其他的传统无线信号，超宽带技术信号拥有更大的带宽，其频率范围在3.1 GHz~10.6 GHz ［3］。
同时，超宽带技术信号具有非常低的功率谱密度、高的时间分辨率［4］和良好的抗多径能力［5］。
因此，采用 UWB 技术的室内定位系统具有很高的实用价值。
在UWB 定位系统中，无线收发数据的芯片主要使用的是来自著名公司DecaWave 的产品——DW1000（超宽带无线收发芯片），该芯片根据基站与标签之间无线信号在空气中传播的时间（即飞行时间）来计算出该组物体之间的间隔距离，使用的测距算法为双边双向测距算法（dual -Sided Two -wayrange，DS -TWR）。
UWB超宽带技术研究及应用
１２ Ｕ ． ＷＢ的信号波形 Ｕ ＷＢ系统发送的是纳秒级脉冲 串， 冲宽度 远小于脉 冲之 脉
１５ Ｕ ． ＷＢ的特 点
由于Ｕ 独特 的频域和 时域特性 ， ＷＢ 使得 它具有 以下的特点 ａ ）系统结构的实现 比较简单： ＷＢ Ｕ 通过发送纳秒级脉； 来 中
传输数据信 号 其发射器直接用脉 ； 中小型 激励 天线 ．不需要功
图 １ 示。 所
家庭 网络 系统 由有线 系统和无线 系统综合构成 。其 中，有 线系统采用国际数字接 口标准Ｉ Ｅ １９ ｂ 在］ Ｅ １ ９ｂ Ｅ ４ ， Ｅ ４ 基础上 ． Ｅ ３ Ｅ ３ 家庭网络无线系统引入 了频谱高效率 的超宽带脉冲无线电技 术 ． 可提具有供灵活性和移动性 的宽带无线接入 ［］ ５。直扩序列超宽 带的 家庭 网络 把移动 高速 高性能无 线网无缝 隙 的扩 展至 有线
Ｕ ＷＢ总 线协 议 栈 结 构 如 下 图 ３ 示 。 所
Ｉ Ｅ ３ ４ 兼 容设备 Ｅ Ｅ１９
｛信道
Ｒ ＫＥ 收 Ａ 接
图 ２ Ｓ Ｕ 无线通信系统 Ｄ － ＷＢ ２ ２ 直接序列超宽带通信子网技 术 与无线 １ ９ 网桥综合 的家庭 网络结构支持 Ｉ Ｅ ４ ４ ３ Ｅ １９ 固定连 Ｅ ３ 接和Ｄ —Ｕ 无线连接。无线 Ｕ 总线系统的拓扑 结构 是呈现 Ｓ ＷＢ ＷＢ 星形 ，Ｈ Ｂ位置不是固定不变 ，管理所有挂在无线总线上 的子 Ｕ 站 ，负责维护帧结构 ，分配周期定时信息 。要监控在总线注册 的子站状态 ，在子站和子站 间广播通信质量信 息 ，显示 同步和 等时模式子站 的时 隙安排 ，控制 多址接入过程 保证输 出功率 在某一 电平之下。数据流的传输是 自组织网络中对等通信 的模 式 ，当一对子站之间直接链 路被 阻隔时 子站 和 Ｈ Ｂ也可 以承 Ｕ
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。
超宽带无线通信技术应用分析
超宽带无线通信技术近来，人们可能会注意到，在通信领域出现了一个新的技术词汇——超宽带无线通信，实际上，超宽带无线电的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫、马可尼发明越洋无线电报的时代。
现代意义上的超宽带UWB（UltraWide Band）无线电，又称冲激无线电（Impulse Radio）技术，出现于1960年代，但其应用一直仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面。
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，自1998年起，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，这充分说明此项技术所具有的广阔应用前景和巨大的市场诱惑力。
UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，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。
一般认为-10dB相对带宽超过25％，或-10dB绝对带宽超过1.5GHz就称为超宽带，后来FCC又将此带宽值修改为500MHz。
由计算信道容量的Shannon公式可知，在信道容量一定的情况下，带宽与信噪比可以互补。
UWB的带宽非常宽，目前FCC开放的频段是3.1-10.6 GHz，故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于FCC规定的电磁兼容背景噪声电平（-41.3dBm—FCC Part15），所以短距离UWB无线通信系统与其他窄带无线通信系统可以共存。
UWB的传输速率可达几十Mbps～几Gbps；其收发信机结构简单，成本低于全数字化；并且其固有的抗多径衰落功能很强。
UWB发射脉冲持续时间远小于脉冲重复周期，平均发射功率很低，使UWB 技术在实现超宽带信号时域波形高传输数据率的同时也有着低功耗的显著优点。
超宽带技术在实现同样传输速率时，功率消耗仅有传统技术的1/10-1/100。
超宽带无线通信技术的应用及发展前景分析
超宽带无线通信技术的应用及发展远景剖析【纲要】文章概括了超宽带无线通信技术的观点及特色，并总结了超宽带无线通信的优势，在此基础上，针对超宽带无线通信技术的实质应用进行了深入地剖析，旨在为同行供给参照借鉴。
【重点字】超宽带无线通信电子通信优势应用跟着全世界各地通信网络的快速，超宽带无线通信技术作为新兴技术也获取了快速的发展，在这个技术领域里，超宽带技术拥有较大的发展远景，进而在我国各个领域获取了宽泛的应用。
当前，超宽带技术在应用中变得愈来愈成熟，相信在将来的信息网络中将会发挥的重要性的作用。
下边联合笔者的工作经验，商讨了超宽带无线通信技术的应用及发展远景。
一、超宽带无线通信技术概括超宽带无线通信技术是指能够在超宽带的带宽长进行信号的传输。
超宽带一词最先使用于美国的国防部，那时是为了利用超宽带技术来实现对某一频次范围内信号的定义。
与一般通信方式对比，超宽带技术采纳的是一种极短的脉冲信号，每个脉冲信号的连续时间往常只有几十皮秒到几纳秒，在最大数据的传输速率上能够实现每秒几百兆比特。
二、超宽带无线通信的优势2.1 使用的宽带大、传输速率高超宽带无线通信技术和其余无线系统对比，拥有制造成本低的优势，同时在生产制造过程中所用技术简单，发送功率要比现有的无线系统要低好多。
在无线通信系统发展中，其空间容量也更大。
在频域上，超宽带无线通信技术在超越上拥有很广的范围，能够保证在喧闹复杂的环境中不被检测到，拥有很强的安全性。
同时，无线通信技术拥有相当高的穿透力，宽泛的应用于检测、定位等领域。
超宽带无线通信技术所供给的高速率的无线通信数据传输速率能够同时知足很多大容量的多媒体流的传输。
2.2 拥有高强度的保密性超宽带无线通信技术采纳的信息接收系统是采纳的跳时扩频。
只有超宽带无线通信系统的接收机知道发送端的脉冲序列，才能在数据信号发射和接收的过程中保证高度的安全性。
同时超宽带无线通信技术拥有低功率的发射优势，在信息化和数字化发展的信息时代，很难在喧闹的环境中被检测到。
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。
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）
超宽带通信技术在军用通信中的应用
超宽带通信技术在军用通信中的应用随着科技的不断发展，通信技术也在不断进步。
目前，超宽带通信技术已经成为最具潜力和前景的通信技术之一。
而在军事领域，超宽带通信技术的应用也日益广泛。
一、超宽带通信技术的基本概念超宽带通信技术是目前通信技术的一种新型技术。
所谓超宽带，指的是无需调制和调制解调过程，可以在一定带宽内，传输大量信息的通信技术。
超宽带通信技术的优点在于传输速度快、传输内容多、传输可靠性高等。
二、超宽带通信技术在军事通信中的优势1. 传输速度快：超宽带通信技术的传输速度非常快，可以达到几十甚至上百兆的传输速率，对于军事指挥、通信等应用领域非常优秀。
2. 传输内容多：超宽带通信技术的传输容量非常大，可以传输大量信息，对于军队指挥、情报收集、图像传输等场景非常有用。
3. 传输可靠性高：超宽带通信技术的传输可靠性非常高。
这是因为在传输过程中遇到干扰时，传输信号会被分离成多个不同的频段，被接收端重新组合，从而提高了数据传输的可靠性。
三、超宽带通信技术的应用场景1. 军队指挥通信场景：超宽带通信技术可以大大加快军队指挥的速度和效率，使得部队指挥更加快捷、准确和有效。
2. 情报收集场景：超宽带通信技术可以帮助军方更快地获得情报信息，提升军队对情报收集和分析的能力。
3. 图像传输场景：超宽带通信技术可以传输高清晰度、高质量的图像信息，对于战争前线的实时图像传输非常有用。
4. 军人训练场景：超宽带通信技术可以为军人训练提供高质量的音视频教学材料，使得军人快速掌握必要知识和技能。
四、超宽带通信技术的发展前景随着科技发展的不断深入，超宽带通信技术的发展前景非常广阔。
尤其在军事领域中，超宽带通信技术有着广泛的应用前景。
未来，超宽带通信技术将进一步完善和发展，为军事通信提供更加优秀的支持。
总之，超宽带通信技术是目前最具潜力和前景的通信技术之一，在军事通信中的应用也越来越广泛。
超宽带通信技术在军队指挥、情报收集、图像传输、军人训练等领域中发挥了很大的作用，未来也将会有广阔的发展前景。
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超宽带技术是一种全新 的无线通信技术 ，超宽带通常定义为带宽在
１ ． ５ Ｇ Ｈ ｚ 以上或带宽离 中心频率 ２ ５ ％以上 的信号。由于它发送 的脉冲非常
短 ，因而 ， 具有非常宽的带 宽 ， 也称为脉冲无线 电技术。特殊之处在于 完全摆脱了一般无线收发中必须采用载波调制的传统手段 ，成为在时域 中直接操作 的技术。
（ 五 ）抗衰落及 多径 分辨能力强
Ｕ ＷＢ信号 的大带宽特性使得基于 Ｕ ＷＢ无线电的多址接人通信系统 能够容纳很 多用户。 虽然理论上也可以利用不 同过零数的 Ｕ ＷＢ信号来达
地接收端的参考信号相关就可以得 到所需数据，而且这种方法可 以以较 低 的发射功率而获得相 同的信噪比（ ｓ Ｎ Ｒ ） 。 对一定功率的 Ｕ ＷＢ信号来说 ，
因其频谱范围非常宽 ，它的频谱 幅度远低于其他接收机噪声容限 ， 所以 即时窃听用接 收机对 Ｕ ＷＢ 脉冲的响应 幅度也是非常微弱。 这一特性最早
局域 网，前者传输半径为数百米后者为数十米 。随着人们对 现代科技依
二、超宽 带的特点
（ 一） 数据传输 高速可 靠 高速发展 的多媒体业务在不断 向着数字化、智能化 、小型化 和个人
赖度的提高 ， 来自 家庭和商业领域 的关于高速无线传输的新 功能和新要 求越来越多 ， 这无疑是对高速无线传输网络拥有更宽带宽的能力提 出的
新的挑战。出于对增加带宽的持续妻求，目前除了现有基于 ｗｉ — Ｆ ｉ 和蓝
牙技术的 ＷＰ Ａ Ｎ ｓ 产品之外， 相关技术人员正逐步尝试采用超宽带技术来 建立一种 “ 可变高速物理层”用以满足当下用户对无线传输网多用户 、
化发展 ，在此之中高速 、超高速的数据传输技术是一项重要基础和前提 技术 。在大多数数字通信系统中 ， 带宽等效或近似等同于信道符 号率。 因此 ，传统窄带系统为 了获得较高的数据传输速度 ， 纷纷在基于现有技
容易实现全数字化的结构 。
（ 三 ）较 高的处理增益
在通信系统中处理增益定义为接收机前端输入噪声带宽与输出数据 带宽之 比。没有考前 向纠错编码和统计分布 的干扰 ， 但研究表明无论有
没有编码 ，按照最终 比特率定的处理增益都是有效的，且干扰对接收机
提及定位技术首当其冲的应该就是 Ｇ Ｐ Ｓ 技术 ， 但 由于 Ｇ Ｐ Ｓ 信号在室
内环境下的信非常微弱，所以可以考虑在室 内或其他 Ｇ Ｐ Ｓ 信号非常微弱
的环境下使用其他定位 系来代替 Ｇ Ｐ Ｓ 进行定位。但 由于室内环境存在遮 蔽以及墙体 、物体 的多重反射 ，室内境下的无线 电定位技术又是相 当困
输 的影响非常类似高斯函数。ｕ ｗＢ 设的带宽往往是非常宽的 ， 所以 在
一
、
超宽 带技术的定义
的研究 、 发展和改进 ，目 前基于 Ｕ ＷＢ技术的无线多媒体家域个域 网、 雷 达定位 、 成像 系统 、智能交通 系统 已广泛应用于军事 、 公安 、救援 、医 疗 、测量等多个领域 。
（ 一 ）高速无线个人局域 网 （ Ｗ Ｐ Ａ Ｎ ｓ ） 目前在无线技术领域的两大主流应用分别为无线局域网和无线个人
Байду номын сангаас
用于军方 、 政府办公 室、保密船舶等保密场所的 ｗＬ Ａ Ｎ通信 ，用以提高 Ｗ Ｌ Ａ Ｎ 传输的防窃听能力 。现在 由于超宽带技术 的民用化 ， 它也广泛应
用于商业和民用隐私场所保密通信 。
（ 三 ）室 内定 位
秒级脉冲来传输数据信号 ， 射频 、 模拟以及信号处理部件都相对较简单 ，
典型的超宽带技术的应用研究
杨 莉萍 王思思 国脉通信规划设 计有限公 司 黑龙江 哈 尔滨
１ ５ ０ ０ ４ ０
【 摘 要 】近年来超 宽带技 术为何如 此受到越来越 多的学者 、军方以及 商家的追捧 其根本原 因在 于同传统 无线 电技术相 比超宽带技术有着众多独 有 的特点 ，而正是这些特点使它有着许多窄带 系统无法比拟的优 势。 【 关键词 】超 宽带技术 特点 应用 中图分类号 ：Ｔ Ｎ９ ２ ５文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ０ ０ ９ — ４ ０ ６ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ２ — ６ ８ 一 Ｏ ｌ
术下提高载波频率 。而超宽带系统天生工作频带极宽 ，在信噪比一定 的 情况下 ，它可以轻松实现很高速率的信息可靠传输 ； 或者在传输 速率一
高速率 、大带宽的要求 。
（ 二 ）低 功率 隐秘通信
Ｕ ＷＢ波形实际可给予 的带宽远超过高速数据通信所需要的带宽 ， 所
以在频域还留有不少空间用来传输码调制数据信号 。使用该调制码 与本
定的情况下， 它可以实现低信 噪比下的可靠传输。同时 Ｕ ＷＢ系统不 占 用 现有频率资源 ，而是在不影响其他无线系统的情况下 ，共享它们的频率 资源 ，达到无线 电 频率资源使用效率的最大。
（ 二 ）结构 简单 功耗低保 密性好 Ｕ ＷＢ系统与传统无线电系统相 比 省去 了功率放大器 、 混频器、过滤 器、 Ｒ Ｆ ／ Ｉ Ｆ 转换及本地振荡器等复杂模块 ， 它通过 间歇 陛发射纳秒 、 亚纳
很 多应用下都可 以同时获得高数据速率和处理增益。
（ 四 ）较强的穿透性
难的。现有的室内定位技术有 ＷＰ Ｓ 和基于蓝牙技术的定位系统 ， 但这两 种技术都有定位误差大、定位范围小 、 易被干扰等诸多不足 。Ｕ ＷＢ技术 凭借其大带宽而有着很好的时域特性 ，采用了时域位置方法成功解决 了 室内多径干扰这一难题 ， 且具有高距 离高时间分辨率 、 抗干扰 、 反隐身、 穿透性强、高处理增益 ，成为当下室 内探测定位的首选技术。
（ 四） 多址通信
众所周知 ，频率 的高低与信号的穿透能力成反 比， 信号带宽的大小 与信号携信息量力大小成正 比。传统窄带通信为了获得较宽 的带宽必须
使用较载频 ，而随着载频的不断升高其传输损耗又在不断增加 ，进而导
致穿透能力非常有 。 超宽带系统却可 以解决这个矛盾 ， Ｕ ＷＢ信号可 以在 较低的中心频率下获得较高 的据传输率 。