超宽带无线通信技术
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超宽带无线通信技术
东南大学移动通信国家重点实验室 张在琛 博士
内容提要
什么是超宽带？
超宽带通信的实现方式
• 基带窄脉冲形式 • 带通调制载波形式
超宽带技术的研发现状 超宽带技术的研究课题 超宽带技术的早期历史 结束语
2020年8月8日
东南大学
2
什么是超宽带？
Ultra-Wideband, UWB
Br
(
fH fL fH fL)/
2
• 这一定义还可能再修改
一开始的定义是Br大于25%或带宽大于1.5 GHz
2020年8月8日
东南大学
5
FCC关于民用UWB设备的规范
(1) 探地雷达 墙内成像 医疗成像
(2) 穿墙成像 监视系统
(3) 室内系统
(4) 室外 手持设备
2020年8月8日
东南大学
OFDM Symbol
#5
OFDM Symbol
#6
freq (MHz)
time
2020年8月8日
东南大学
21
MB-OFDM方案发送端原理图
2020年8月8日
东南大学
22
MB-OFDM方案部分参数
时频交织（TFI） • OFDM符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在 不同子频带传输 • 不同的时频序列可以用来区分不同的Piconet
优点 • 采用OFDM技术，能够简单、有效地收集多径能量 • 采用OFDM技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活 • 技术较成熟，便于CMOS 实现
2020年8月8日
单位频带 发射功率
窄带
宽带
超宽带 频率
2020年8月8日
东南大学
3
UWB的本质特点
在极宽的频带中进行通信，并为避免对其它 系统造成干扰，发射功率受到严格的限制
美国FCC的定义 和规范
关于UWB的 一些错误认识
2020年8月8日
东南大学
4
Fra Baidu bibliotek
FCC关于UWB的定义
定义
• 相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz • 相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率
缺点
• 信息传输速率不高 • 频谱利用效率不高 • 频谱使用不灵活
2020年8月8日
东南大学
17
基带窄脉冲方式的典型应用
隔障碍物探测、通信
• 穿墙探测 • 抢险救灾 • 探地雷达
极低功耗、低速、低成本通信
• 无线传感网 • 军事网络
其它应用
2020年8月8日
东南大学
18
调制载波的UWB通信
东南大学
7
关于UWB的一些错误认识
UWB通信就是基带窄脉冲 通信
可以是调制连续载波的方式， 只要满足相关的定义
调制载波的UWB系统与常 规通信系统一样，没有什 么特别的地方
虽然都采用DS、OFDM等技术，但 在使用频谱的方式上有本质的不同， 由此带来实现方式、技术难点、系统
性能、适用领域的诸多不同
优点
• 频谱使用灵活 • 频谱利用率可以较高 • 较易实现高信息传输速率
缺点
• 系统较复杂 • 成本较高 • 功耗较高 • 高频段时信号穿透力较弱
2020年8月8日
东南大学
19
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
调制载波方式
• 与现有一般通信方式较接近的方式 • MB-OFDM、DS-UWB等
其它方式
• SSA (Soft-Spectrum Adaption) • 数字调频 •…
2020年8月8日
东南大学
10
基带窄脉冲UWB通信
利用基带窄脉冲序列通信， 脉冲宽度在纳秒、亚纳秒级
脉冲波形可以是高斯、升余 弦等多种波形
UWB通信的距离都非常近 （10米以内）
在特殊的场合，放宽发射功率的限制， 即可增大通信距离
UWB通信的频带就是
只要满足相关的定义，就可以算是
FCC规定的0 – 960
超宽带，包括有线通信和无线通信，
MHz和3.1 或在其附近
–
10.6
GHZ，超宽微带波，通只信是、我光们通一信般中研很究多1都0可.6算G是Hz
通过PPM、脉冲极性调制、 PAM等方式携带信息
采用跳时（TH）、DSCDMA等多址方案
s(k) (t)
w(t
jTf
c
(k j
)Tc
d
(
k) j/N
s
)
j
典型TH-PPM信号
2020年8月8日
东南大学
典型高斯脉冲在信道上的 时域波形和功率谱密度
11
基带窄脉冲UWB通信原理图
数据/ 用户接口
6
FCC关于民用UWB 设备的规范（续）
EIRP < -41.25 dBm/MHz
• EIRP：等效各项同性发射功率
基本通信频带0 – 960 MHz和3.1 – 10.6 GHz
其它国家和地区（如欧洲、新加坡等）考 虑制定的规范与FCC的规范会稍有不同
我国尚未制定相关的规范
2020年8月8日
东南大学
20
3子带时频交织
Guard Interval for TX/RX Switching Time
Cyclic Prefix
Channel #1 Channel #2 Channel #3
OFDM Symbol
#1
OFDM Symbol
#2
OFDM Symbol
#3
OFDM Symbol
#4
2020年8月8日
东南大学
15
窄脉冲的产生（续）
S.C. 50ohms line SRD
• Trigger signal = +/- 10v • 250ps @ 3v
SRD窄脉冲发生器的电路和输出脉冲
2020年8月8日
东南大学
16
基带窄脉冲方式的特点
优点
• 系统简单、成本低、功耗小 • 多径分辨能力强 • 信号随距离衰减小，穿透力强
编码
脉冲产生
LNA
脉冲检测
解码
数据/ 用户接口
2020年8月8日
东南大学
12
PPM UWB通信系统
2020年8月8日
东南大学
13
PPM调制的时域波形和频谱特性
2020年8月8日
东南大学
14
窄脉冲的产生
雪崩晶体管 阶跃恢复二极管（ Step Recovery
Diode，SRD） 高速CMOS电路
以下的超宽带无线通信
2020年8月8日
东南大学
8
内容提要
什么是超宽带？
超宽带通信的实现方式
• 基带窄脉冲形式 • 带通调制载波形式
超宽带技术的研发现状 超宽带技术的研究课题 超宽带技术的早期历史 结束语
2020年8月8日
东南大学
9
UWB通信的实现方式
基带窄脉冲方式
• 传统的、“典型的”超宽带通信方式
东南大学移动通信国家重点实验室 张在琛 博士
内容提要
什么是超宽带？
超宽带通信的实现方式
• 基带窄脉冲形式 • 带通调制载波形式
超宽带技术的研发现状 超宽带技术的研究课题 超宽带技术的早期历史 结束语
2020年8月8日
东南大学
2
什么是超宽带？
Ultra-Wideband, UWB
Br
(
fH fL fH fL)/
2
• 这一定义还可能再修改
一开始的定义是Br大于25%或带宽大于1.5 GHz
2020年8月8日
东南大学
5
FCC关于民用UWB设备的规范
(1) 探地雷达 墙内成像 医疗成像
(2) 穿墙成像 监视系统
(3) 室内系统
(4) 室外 手持设备
2020年8月8日
东南大学
OFDM Symbol
#5
OFDM Symbol
#6
freq (MHz)
time
2020年8月8日
东南大学
21
MB-OFDM方案发送端原理图
2020年8月8日
东南大学
22
MB-OFDM方案部分参数
时频交织（TFI） • OFDM符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在 不同子频带传输 • 不同的时频序列可以用来区分不同的Piconet
优点 • 采用OFDM技术，能够简单、有效地收集多径能量 • 采用OFDM技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活 • 技术较成熟，便于CMOS 实现
2020年8月8日
单位频带 发射功率
窄带
宽带
超宽带 频率
2020年8月8日
东南大学
3
UWB的本质特点
在极宽的频带中进行通信，并为避免对其它 系统造成干扰，发射功率受到严格的限制
美国FCC的定义 和规范
关于UWB的 一些错误认识
2020年8月8日
东南大学
4
Fra Baidu bibliotek
FCC关于UWB的定义
定义
• 相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz • 相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率
缺点
• 信息传输速率不高 • 频谱利用效率不高 • 频谱使用不灵活
2020年8月8日
东南大学
17
基带窄脉冲方式的典型应用
隔障碍物探测、通信
• 穿墙探测 • 抢险救灾 • 探地雷达
极低功耗、低速、低成本通信
• 无线传感网 • 军事网络
其它应用
2020年8月8日
东南大学
18
调制载波的UWB通信
东南大学
7
关于UWB的一些错误认识
UWB通信就是基带窄脉冲 通信
可以是调制连续载波的方式， 只要满足相关的定义
调制载波的UWB系统与常 规通信系统一样，没有什 么特别的地方
虽然都采用DS、OFDM等技术，但 在使用频谱的方式上有本质的不同， 由此带来实现方式、技术难点、系统
性能、适用领域的诸多不同
优点
• 频谱使用灵活 • 频谱利用率可以较高 • 较易实现高信息传输速率
缺点
• 系统较复杂 • 成本较高 • 功耗较高 • 高频段时信号穿透力较弱
2020年8月8日
东南大学
19
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
调制载波方式
• 与现有一般通信方式较接近的方式 • MB-OFDM、DS-UWB等
其它方式
• SSA (Soft-Spectrum Adaption) • 数字调频 •…
2020年8月8日
东南大学
10
基带窄脉冲UWB通信
利用基带窄脉冲序列通信， 脉冲宽度在纳秒、亚纳秒级
脉冲波形可以是高斯、升余 弦等多种波形
UWB通信的距离都非常近 （10米以内）
在特殊的场合，放宽发射功率的限制， 即可增大通信距离
UWB通信的频带就是
只要满足相关的定义，就可以算是
FCC规定的0 – 960
超宽带，包括有线通信和无线通信，
MHz和3.1 或在其附近
–
10.6
GHZ，超宽微带波，通只信是、我光们通一信般中研很究多1都0可.6算G是Hz
通过PPM、脉冲极性调制、 PAM等方式携带信息
采用跳时（TH）、DSCDMA等多址方案
s(k) (t)
w(t
jTf
c
(k j
)Tc
d
(
k) j/N
s
)
j
典型TH-PPM信号
2020年8月8日
东南大学
典型高斯脉冲在信道上的 时域波形和功率谱密度
11
基带窄脉冲UWB通信原理图
数据/ 用户接口
6
FCC关于民用UWB 设备的规范（续）
EIRP < -41.25 dBm/MHz
• EIRP：等效各项同性发射功率
基本通信频带0 – 960 MHz和3.1 – 10.6 GHz
其它国家和地区（如欧洲、新加坡等）考 虑制定的规范与FCC的规范会稍有不同
我国尚未制定相关的规范
2020年8月8日
东南大学
20
3子带时频交织
Guard Interval for TX/RX Switching Time
Cyclic Prefix
Channel #1 Channel #2 Channel #3
OFDM Symbol
#1
OFDM Symbol
#2
OFDM Symbol
#3
OFDM Symbol
#4
2020年8月8日
东南大学
15
窄脉冲的产生（续）
S.C. 50ohms line SRD
• Trigger signal = +/- 10v • 250ps @ 3v
SRD窄脉冲发生器的电路和输出脉冲
2020年8月8日
东南大学
16
基带窄脉冲方式的特点
优点
• 系统简单、成本低、功耗小 • 多径分辨能力强 • 信号随距离衰减小，穿透力强
编码
脉冲产生
LNA
脉冲检测
解码
数据/ 用户接口
2020年8月8日
东南大学
12
PPM UWB通信系统
2020年8月8日
东南大学
13
PPM调制的时域波形和频谱特性
2020年8月8日
东南大学
14
窄脉冲的产生
雪崩晶体管 阶跃恢复二极管（ Step Recovery
Diode，SRD） 高速CMOS电路
以下的超宽带无线通信
2020年8月8日
东南大学
8
内容提要
什么是超宽带？
超宽带通信的实现方式
• 基带窄脉冲形式 • 带通调制载波形式
超宽带技术的研发现状 超宽带技术的研究课题 超宽带技术的早期历史 结束语
2020年8月8日
东南大学
9
UWB通信的实现方式
基带窄脉冲方式
• 传统的、“典型的”超宽带通信方式