(完整版)超宽带(UWB)技术
《物联网工程实施与运维》课件——项目7 超宽带技术
技术的研究工作也主要局限于军方，直到20世纪90年代，“超宽带”这一术语由
美国国防部首先提出，并应用于超宽带通信、超宽带导航、超宽带雷达、超宽带微
波炸弹等。目前，它逐步转入民用阶段，并在无线电，音、视频和数据传输及家用
设备领域内得到迅速发展。
收端必须在知道发射端扩频码的条件下才能解调出发送的数据信息，因而提高了安
全特性。
5)
距离分辨率高
利用通信电波来回传输的时间长短，确定距离的计算公式为式7.3。
即传输的时间T=10^-9~10^12 s时，距离d的分辨率在厘米以内。
由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时
✓ 监视系统：1.99GHz～10.6GHz；
✓ 医疗系统、通信和测量系统：3.1GHz～10.6GHz；
✓ 车载雷达：22GHz～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以EIRP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
信号是一些超短时的脉冲，其频率很高，故发射器可直接用脉冲激励天线，且
不需要功放与混频器；同时在接收端也不需要中频处理，因此，必然会使发射
机和接收机的结构简单化。
2)
功耗低
信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为式7.2。
式7.2中，C为信道容量(用传输速率度量)，B为信号频带宽度，S为信号功率，
衰落掉的能量只是信号总能量很小的一部分。
7)
频带利用率高及信道容量大
从时域看，超宽带通信是对超窄脉冲进行调制，脉冲波形有梯形波、钟形波、
超宽带技术
根据FCC Part15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1～10.6 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.。 下图示出了FCC对室内、室外UWB系统的辐射功率谱密度限制。
下表列出 UWB 技术与其他短距离无线通信技术的比较。
蓝牙 IEEE 802.11b IEEE 802.11a IEEE 802.11g
UWB
传输速率/Mbps ≤1 11 54 54 ≥480
功耗/mW 1～100
200 40～800
65 ≤1
传输距离/m 100 100 20 50 ≤10
频段/GHz 2.402～2.48
它的另一奇妙之处是能够同时获得宽带高速、低成本和低功耗的好处， 这在传统无线技术中一直是只能折中取舍的两难问题。
8.1 UWB技术概述
8.1.1 UWB技术的产生与发展
超宽带技术最早可以追溯到100年前波波夫和马可尼发明的越洋无线电报 的时代。
现代意义上的超宽带无线电，又称为冲激无线电（Impulse Radio，IR） 技术期仅限于军事、灾害救 援搜索、雷达定位及测距等 领域。
80 年代开始，随着频带资源的紧张以及对高速通信的需求，超宽带技术 开始应用于无线通信领域。
超 宽 带 技 术 在 历 史 上 还 有 一 些 其 他 的 名 称 ， 如 冲 击 雷 达 （ Impulse Radar）、基带脉冲、无载波技术等
第8章 超宽带技术
本章章节
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。
物联网中的UWB是什么,UWB技术介绍
新版UWB技术介绍UWB技术使用两种方式传输数据：一种是无线收发，利用卫星信号进行传输，另一种是通过无线通信的方式传输数据。
无线收发采用的模式主要是同步、异步和自适应多址。
UWB系统是近几年来非常热门的一个技术了，在民用市场已经有很大优势了，但由于技术发展太快，现在很多都没有进行商用了，所以我们先从最新版的UWB技术开始介绍吧！一、超宽带超宽带（Ultra-wideband, UWB）是一种利用无线电信号进行数据传输的技术，是一种非授权频段的超宽带（UWB）系统。
超宽带通信系统的工作频率为1~10 GHz，波长为5~100μm，工作在C波段。
UWB具有高数据速率、低时延、穿透能力强、抗多径干扰等优点。
UWB是利用脉冲重复频率（PRS）和脉冲间隔时间（PLD）实现高速数据传输的技术。
脉冲重复频率指单位时间内脉冲发射次数，可分为连续或离散形式。
PRS可以根据频率来划分，常用的是20 MHz~100 MHz; PLD可以划分为2~4路数字信号处理模块组成；脉冲间隔时间（PL, pulse latency，即PL/PLD）主要用于实现时钟恢复等功能；脉冲重复频率与PRS有关，但更多地取决于天线形式、接收灵敏度、载波频率等因素，可通过测量PRS和PLD 的PL/DL值来计算。
二、时隙UWB技术的时隙分为两类：同步和异步。
同步时隙：同步信号使用固定时隙，每个载波接收信号，并在发送时同步它的相位和幅度；异步时隙：每个载波接收一个相位和幅度变化的正弦信号，将其解调成一个时间片，然后通过时频转换成一个时间片。
UWB系统中使用同步和异步的时隙。
由于UWB的波束窄且功率低，在对目标进行定位时通常使用UWB信号来传输数据，而不是传统的无线电系统使用多个射频天线来发射信号，而射频天线只能用于接收数据。
因此在使用UWB通信时，必须考虑发射功率问题，通常需要考虑的功率包括几个方面：首先是发射时间点选择；其次是在接收端需要设置接收器来识别是否来自目标位置；最后才是根据接收到的信号类型进行选择正确的波束。
UWB
一、什么是ＵＷＢ超宽带UWB由Ultra Wideband缩写而成，它是一种无载波通信技术。
超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别：超宽带的带宽，按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25％为超宽带；信号带宽与中心频率之比在1％～25％之间为宽带，小于1％为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。
超宽带的无载波传输方式。
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，载波的频率和功率在一定范围内变化，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。
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。
二、ＵＷＢ技术原理发射端将比特符号通过数字滤波器进行脉冲整形，然后转换成模拟信号发射出去，接收信号依次通过低噪声放大器（ＬＡＮ）、可变增益放大器（ＶＧＡ）和ＡＤＣ后成为离散信号，接下来就可用ＤＳＰ技术实现信号检测、估计、分集接收、判决译码等处理。
目前产生脉冲信号源的方法有两类：（１）光电方法（２）电子方法ＵＷＢ的调制技术：（１）脉冲幅度调制（ＰＡＭ）（２）脉冲位置调制（ＰＰＭ）ＵＷＢ技术的研究主要围绕以下几个方面：（１）可控窄脉冲产生技术（２）信道传播特性与信道模型（３）调制技术（４）多址技术（５）信号检测技术等。
三、ＵＷＢ的主要特点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,脉冲信号要想发射出去并有足够带宽,必须有足够陡峭的上升/下降沿和足够窄的宽度。
３.功耗低由于不使用载波,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。
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.
(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)定位
UWB的简介
Emitted Signal Power
Bluetooth, 802.11b Cordless Phones Microwave Ovens
GPS
PCS
802.11a
-41 dBm/MHz
“Part 15 Limit”
UWB Spectrum
1.6 1.9 2.4 3.1 5 10.6
（2）UWB生命探测雷达
UWB的简介
（3）军事通信
单兵作战示意图 战术通信网络
UWB的简介
民用方面（1）地质勘探及生命探测
UWB的简介
（2）汽车防冲撞
UWB的简介
（3）家庭设备及便携设备之间的无线通信
三星C27A750 无线显 示器
UWB的简介
（4）精确定位
UWB定位系统视频演示
工业 / 自动化 实时追踪资产及库存 -改进流程 - 提高搜索效率 -减少资源浪费
© Ubisense
标签
22
UWB定位技术概述
TDOA 和 AOA 都会被使用到，以加强三维定位效果的健壮性。
AOA 矢量即来自各个传感器的绿线 TDOA 曲线则以蓝色表示
交叉位置即定位出的位置 （红色圆点）
标签位置能被任意两个信息计算 出来，比如TDOA和一个AOA; 或者两个AOA。
医疗保健 实时追踪病人，监护者， 护理者 - 过程分析与改进 - 人力资源管理 -病人安全保证/状态监控
FOCUS
定位系统如何工作？
UWB定位技术概述
从传感器
时间同步线
主传感器 传统的2.4 GHz RF 信道， 指示标签发出脉冲信号， 提供标签与传感器之间 的双向通路。注意: 2.4 G信道是私有的，并且 不会与标准的wifi起冲突。
UWB定位系统全面方案介绍
UWB定位系统全面方案介绍UWB（Ultra-Wideband，超宽带）定位系统是一种基于超宽带技术的室内定位系统，可以实现高精度、高可靠性的定位。
其原理是通过发送和接收超短脉冲信号，利用时间差测量方法计算目标位置。
1.硬件设备：UWB定位系统的硬件设备包括发射器、接收器和天线。
发射器用于发射超短脉冲信号，接收器用于接收反射回来的信号，天线用于增强信号的传输和接收。
这些设备需要具备高频率、高带宽和低噪声的特点，以确保定位系统的高精度和高可靠性。
2.信号处理：UWB定位系统的信号处理是整个系统的核心部分。
它包括信号的调制、解调、滤波、放大和时钟同步等处理过程。
信号的调制和解调可以实现信号的传输和接收，滤波和放大可以提高信号的质量和强度，时钟同步可以确保各个设备之间的时间同步，从而减小定位误差。
3.定位算法：UWB定位系统的定位算法是利用时间差测量方法计算目标位置的关键。
该算法根据接收到的信号的到达时间差，通过多边定位算法来计算目标位置。
常用的算法包括最小二乘法、卡尔曼滤波和粒子滤波等。
这些算法可以根据实际应用场景的需要进行选择和优化，以实现高精度的定位。
4.数据融合：UWB定位系统通常会与其他定位技术进行数据融合，以提高定位的准确性和可靠性。
常见的融合技术包括惯性导航系统、地磁定位、WiFi定位和视觉定位等。
数据融合可以通过多传感器信息的互补性，消除各个定位技术的局限性，进一步提高定位的性能。
5.应用场景：UWB定位系统可以广泛应用于室内定位、人员跟踪、智能家居、无人机导航等领域。
在室内定位方面，UWB定位系统可以实现室内导航、物体跟踪、室内定位服务等功能。
在人员跟踪方面，UWB定位系统可以用于安防监控、医院人员定位、活动场所人员管理等。
在智能家居方面，UWB定位系统可以实现室内定位、空调自动调节、智能灯光控制等功能。
在无人机导航方面，UWB定位系统可以实现无人机的精确定位和导航。
综上所述，UWB定位系统的全面方案包括硬件设备、信号处理、定位算法、数据融合和应用场景等多个方面。
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。
超宽带技术—UWB分解
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。
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 ＜1M
10 1~100 家庭或 办公室
802.11a 54M 10~100 1>= 电脑和 Internet网关
HomeRF 1~2M
50 <=1 电脑、电话 及移动设备
UWB系统方案
一、MB-OFDM方案
二、DS-UWB方案
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
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 • 随着微电子器件的高速发展， UWB技术开始应用于民用 领 域，并在国际上掀起了研究和 应用的热潮，并被认为 是下一 代无线通信的革命性技术
UWB技术特点
（1） 抗干扰性能强
UWB采用跳时扩频信号，系统具有 较大的处理增益， 在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中 ，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信 号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此， 与IEEE802．11a、IEEE802．11b和蓝牙相比，在同等 码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。
UWB
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。况且，发射功率小，其 电磁波辐射对人体的影响也会很小。这样，UWB 的应用面就广。
Байду номын сангаас
几种短距离无线通信比较
UWB中存在的问题
有学者认为， 尽管UWB系统发射的平均功率很低， 但是由于 它的脉冲持续时间很短， 它的瞬时功率峰值可能会很大， 这 甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。 学术界的种种争论并不影响 UWB的开发和使用，2002年2月 美国通信协会（ BCC）批准了UWB用于短距离无线通信的申 请。
超宽带UWB(ULTRA WIDEBAND)
简介
超宽带UWB(Ultra Wideband)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。 UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极 宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主 要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、 无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。 有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认 为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。
UWB的应用前景
如今随着数字视频技术的发展，家庭影院、数字化视频光盘 播放器、数字电视、宽带因特网接入等电子产品的消费迅速 增长，这带来了对高吞吐量、可靠的短距离数据链路及无线 电频谱资源前所未有的需求。 对消费类产品来说，可携带、经济以及省电是新一代产品的 最重要的特性。 正是由于超宽带无线特性迎合此类需求，超宽带无线通信是 最有潜力解决所有上述问题的技术。 UWB未来主要定位于家用类设备和终端间的无线连接，短距 离宽带传输，应用前景非常广泛。
UWB的实现
超宽带无线通信系统的基本结构
超宽带UWB无线通信中的调制技术
超宽带UWB无线通信中的调制技术超宽带(UWB，Ultra Wide Band)无线技术在无线电通信、雷达、跟踪、精确定位、成像、武器控制等众多领域具有广阔的应用前景，因此被认为是未来几年电信热门技术之一。
目前“超宽带”的定义只是针对信号频谱的相对带宽(或绝对带宽)而言，没有界定的时域波形特征。
因此，有多种方式产生超宽带信号。
其中，最典型的方法是利用纳秒级的窄脉冲(又称为冲激脉冲)的频谱特性来实现。
1 UWB基本原理FCC(美国通信委员会)对超宽带系统的最新定义是：相对带宽(在-10dB点处)(fH-fL)/fc>20%(fH，fL，fc分别为带宽的高端频率、低端频率和中心频率) 或者总带宽BW>500MHz。
它与现有的无线电系统比较，在花费更小的制造成本的条件下，能够做到更高的数据传输速率(100～500MbPs)、更强的抗干扰能力(处理增益50dB以上)，同时具有极好的抗多径性能和十分精确的定位能力(精度在cm 以内)。
发射超宽带(UWB)信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0.5%)的冲激脉冲。
这种传输技术称为“冲击无线电(IR)”。
UWB-IR又被称为基带无载波无线电，因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上，而是用基带信号直接驱动天线输出的;由信息数据对脉冲进行调制，同时，为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。
因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。
2 UWB的调制技术超宽带系统中信息数据对脉冲的调制方法可以有多种。
脉冲位置调制(PPM) 和脉冲幅度调制(PAM)是UWB 最常用的两种调制方式。
通常UWB信号模型为：(1)其中，w (t) 表示发送的单周期脉冲，dj，tj分别表示单脉冲的幅度和时延。
PAM是一种通过改变那些基于需传输数据的传输脉冲幅度的调制技术。
在PAM调制系统中，一系列的脉冲幅度被用来代表需要传输的数据。
(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
超宽带(UWB)测距(TWR)原理
超宽带（UWB）测距（TWR）原理1UWB超宽带概念UWB是一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，工作频段在GHZ~6.75GHZ，频宽典型值为500MHZ或者1GHZ，所以可以获取亚纳米的精确时间（1ns约等于30cm）。
UWB信号的时域波形如图1-1所示。
不同于传统的无线射频信号有固定频率的载波（如蓝牙2.4G），UWB在不发送数据时是完全静态的，要发送数据时才发送宽度很窄（如1ns）的脉冲信号。
该窄脉冲在频域上很宽，所以叫超宽带。
因为UWB时域信号脉冲较窄，所以在时间、空间上有较大分辨力，比较容易抵抗室内信号传输常见的多径效应（信号因为反射造成的多路径传播）的影响，因此测距和定位精度较高。
图 1‐1 超宽带时域和幅关系图 1‐2 超宽带频域和功率关系2UWB测距原理UWB测距主要采用双向测距(Two-way Ranging)方法，以下所有的方法都包括两个节点：设备A和设备B，默认设备A是测距的发起者，设备B是响应者；双向测距主要分为以下两种方法：1.单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)2.双边双向测距(Double-sided Two-way Ranging)3.使用4消息方式（4 messages）4.使用3消息方式（3 messages）3单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)单边双向测距(Single-sided Two-way Ranging)，单侧双向测距（SS-TWR）是对单个往返消息时间上的简单测量，设备A主动发送数据到设备B，设备B返回数据响应设备A。
图 2‐2 单边双向测距测距流程：设备A（Device A）主动发送（TX）数据，同时记录发送时间戳，设备B（Device B）接收到之后记录接收时间戳；延时Treply之后，设备B发送数据，同时记录发送时间戳，设备A接收数据，同时记录接收时间戳。
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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
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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。
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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
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❖ 超宽带(UWB)无线通信技术 一、概述
超宽带UWB由Ultra Wideband缩写而成，它是一种无载波通信 技术，利用时间间隔极短(小于1 ns)的非正弦波窄脉冲传输数据。
超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别： 1、超宽带的带宽，按照美国联邦通信委员会（FCC）的定义信 号带宽大于1.5GHz，或信号带宽与中心频率之比大于25％为超宽 带；信号带宽与中心频率之比在1％～25％之间为宽带，小于1％ 为窄带，可见UWB的带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。 2、超宽带的无载波传输方式。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，载波的频率和功率在一定范
Internet 网关
50
1瓦以下
电脑、电话及 移动设备
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这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在 着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。 四、超宽带技术原理
发射超宽带（UWB）信号最常用和最传统的方法是发射时域上 很短的脉冲。这种传输技术称为“冲激无线电”（Impulse Radio，
简 写为IR）。信息数据符号对脉冲进行调制，最常用的两种调制方 式是脉冲位置调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）。直接序列 扩谱（DS-SS）就是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调 制，这在冲激无线电（IR）中被称为直接序列超宽带（DS-UWB， Direct-Sequence UWB）。 1、直接序列超宽带信号的产生
由于UWB 脉冲极窄、频带极宽, 其带宽相当于1 000 个电视频 道或3万个FM 广播频道,因此单位频宽内的功率密度相当低。美国 FCC 对UWB 的发射功率做了严格限制, 其功率密度甚至低于一般 的噪声水平(比如低于一部笔记本电脑的辐射) 。因此,UWB 对 其他设备的影响微乎其微。UWB系统误码率可达到10-8、10-9。
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三、与其它短距离无线技术的比较 常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
UWB
蓝芽
802.11a
HomeRF
速率（bps） 最高达1G ＜1M
54M
1~2M
距离（米） 功率 应用范围
＜10
1毫瓦以下
探距离多媒 体
10
10~100
1~100毫瓦 1瓦以上
家庭或办公室 电脑和
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典型高斯单调周期脉冲的时域和频域如下图所示。
实际通信中使用一长串的脉冲,周期性重复的单脉冲时域和频域 特性如下图所示。
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频谱中出现了强烈的能量尖峰,这是由于时域中信号重复的周期 性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号 构成干扰,而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带有用信息。改 变时域的周期性可以减低这种尖峰,即采用脉冲位置调制(PPM ) 。
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磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。 4、安全性高
由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对 一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况 下，UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声 中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参 数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。 5、多径分辨能力强
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宽度。UWB 的脉冲宽度用于军事雷达系统时,最短在ps 级水平;在 民用上,一般在ns 级。ns 为1s 的十亿分之一, 这意味着,如果一个脉 冲代表一个数位,那么UWB 有能力在1s 内传送10 亿个数位,即1 Gbit/ s 的速率;若脉冲宽度降至0. 1 ns, 则速率可达10 Gbit/ s 。 3、功耗低
微波通信
输出信号s(t)可表示为： s(t) d j p(t jTs ) j
若使用PPM调制器代替PAM调制器，得到的信号可表示为：
s(t)
j
p(t
jTs
d
j
1 )
2
UWB 技术采用脉冲位置调制(PPM )单周期脉冲来携带信息和
信道编码,一般工作脉宽为0. 1～1.5 ns,重复周期为25～1 000 ns 。
同时可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串,按位置调制进行编 码,特别是采用伪随机序列编码。