超宽带技术及应用

五邑大学无线互联网报告题 目：超宽带技术及应用院 系 电子信息工程 专 业 通信工程 学 号 学生姓名 指导教师 张京玲 1.超宽带技术或标准的研究现状和意义UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。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，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、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。超带宽通常定义带宽在1.5GHz以上或带宽离中心频率25%以上的信号称为UWB信号，由于它发送的脉冲非常短，因而他具有非常宽的带宽，也称为脉冲无线电技术。从信号产生的角度看，超宽带技术以时域窄脉冲为信息载体，依赖于脉冲串传递信息，采用基带信号直接激励天线发射超短时宽冲激脉冲；传统的无线通信技术采用带通载波调制，它把含有信息的波形搬移到相应的正弦载波上发射。所以超宽带又称为基带传输技术或是无线波传输技术，或冲激无线电。其中脉冲形成技术和调制技术使超宽带的两大技术。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)修订了第15标准，定义UWB信号为相对带宽(信号带宽与中心频率之比)大于0.2，或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500MHz的信号，其中信号带宽定义为：低于最高发射功率10dB的截止频率间的带宽。FCC还规定，UWB的使用频段范围是 3.110.6GHz，且其发射功率必须在1mW以下。同传统通信系统相比，超宽带系统是有着其独特之处的。从时域上讲，一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒)直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。从频域上讲，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽小于1%，相对带宽在1%25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。2. 超宽带的关键技术超宽带的主要信号形式可分为传统的基带窄脉冲形式和调制载波形式。后者是2002年FCC规定了超宽带通信的频谱四通范围和功率限制后产生的，也是目前超宽带高氯无线通信较多采用的一种。而采用基带窄脉冲的超宽带技术则多用于探测、透视、成像，以及低速、低功耗、低成本通信等领域。（1） 基带窄脉冲形式基带窄脉冲形式是超宽带通信最早采用的信号形式。其宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。通常通过脉冲位置调制（PPM)、脉冲极性调制或脉冲幅度调制(PAM)等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种不同的波形，如高斯波形、升余弦波形式等。基带窄脉冲超宽带通信中，因为脉冲的宽度很窄，同时一般情况下占空比较小，所以比较大的多径信道分辨恩呢管理和抗多径性能。因为不需要调制载波，所以收发信机结构简单，成本较低。简单的结构、较小的占空比又使得系统的功耗很低。因为基带窄脉冲中包含较多的低频分量，所以在FCC关于超宽带通信功率谱的规定下，频谱利用率不高。这可以通过脉冲波形设计加以改善。但目前这方面的研究还没有十分理想的可实用的结果。而另一条途径就是采用调制载波的方式，从而可以灵活、高效地利用频谱资源，提高系统性能。（2） 调制载波形式通过调制载波，可将超宽带信号搬移到合适的频段进行传输，从而可更加灵活、有效地利用频谱资源。同时，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。目前IEEE 802.15.3a工作组在进行的高速的无线个域网物理层可选标准的指定工作中，两个候选方案：Inter、TI等公司支持的多带时频交织频分复用方案和Motoroal、XtremeSpectrum等公司支持的单载波直接序列码分多址方案都采用了调制载波的信号形式。3. 超宽带的优点及应用范围3.1超宽带的优点超宽带技术与其他系统共享的方式使用频谱。它使用的频谱从3.1GHz到10.6GHz，宽度高达7500MHz，而无需划分特定的、专有的频段。同时，通过限制发射功率，超宽带也可以避免了其他系统对他造成的的干扰。这样的频谱使用方式，在频谱资源非常紧张的今天是具有重要的意义，这也是超宽带兴起的主要原因之一。超宽带的极宽的频谱和极低的发射功率，也使超宽带系统具有传输速率高，系统相对简单、成本低、功耗低的优点。超宽带的传输速率高，系统相对简单、成本低，功耗低。传统的无线通信系统，因为频带较窄，要实现100Mps以上的高传输速率，必须采用高阶调制等方法达到较高的频谱使用效率。这就对信噪比提出了很高的要求，同时提高了系统的复杂性。而超宽带系统的频带很宽，几时传输速率高达1Gbps以上时，说需信噪比仍然不高，这就使得系统较为简单，实现了系统的降低成本和功耗。超宽带如果通信采用的是传统的基带窄脉冲形式，因为无需对载波进行调制和解调，还将使系统的成本和功耗进一步降低。同时低功率的脉冲比起以前雷达和通信中的大功率脉冲，更容易产生，实现成本更低。超宽带信号衰减较小，穿透力强，采用基带窄脉冲形式的信号，与利用正弦波携带信息的一般无线通信信号在空中的衰减特性不同。天线发射的正弦电磁波是一种球面波，在自由空间中的衰减与距离的平方成反比，在室内多径通信条件下，衰减与距离的3次方程反比。而具有色当波形的超宽带瞬态脉冲具有较强的定向性，其衰减与距离成反比或更小。因此，在相同功率下，采用基带窄脉冲形式的超宽带信号可比一般的调制载波的信号传输更远的距离。另外，由于基带窄脉冲中含有角度空的低频分量，所以在室内传播时可以顺利地穿过墙壁等一般的障碍物，为超宽带技术在室内环境以及透视成像等领域的应用提供了便利。超宽带的定位精度与其带宽直接相关。其型号的带宽一般在500MHz以上，远远高出了一般的无线通信信号，因此，其所能实现的定位精度也很高。基带的窄脉冲的信号，因为其带宽通常在数GHz，所以其定位精度更是可以高达厘米量级。3.2 超宽带的应用超宽带无线通信技术的主要功能包括无线通信和定位功能。进行高速无线通信时，传输距离较近，一般在10到20米左右，进行较低的速率无线通信和定位时，传输距可更远。超宽带采用基带脉冲方式时，具有较强的透视功能，可以穿透数层墙壁进行通信，成像或定位。与全球定位系统相比，超宽带技术的定位精度更高。根据上述的功能，超宽带技术可以应用于无线多媒体局域网、家域网、个域网，无线传感网，雷达定位和成像系统，只能交通系统，以及应用于军事、公安、救援、医疗、测量等多个领域。（1）无线多媒体局域网、家域网、个域网在无线多媒体局域网、家域网、个域网中，各种数字多媒体设备，如数码摄像机、MP3播放器、数字电视、计算机、投影仪、各种智能家电等，根据需要，在小范围内组成组织式的网络，互相传送多媒体数据，并可以通过安装在家中的宽带网关，接入因特网，构成一个智能家庭环境。表1列举了目前的一些无线多媒体业务对数据传输速率的要求，目前只有超宽带技术可以满足各种无线多媒体应用的传输速率需要。应用要求的速率应用要求的速率无线视频投影1570Mbps大容量多媒体文件拷贝100Mbps以上高清晰度电视2080Mbps替代有线电缆IEEE 1394a100/200/400Mbps数码摄像机27MbpsUSB 2.01.5/12/480Mbps表1 无线多媒体应用对传输速率的要求（2）无线传感网无线传感网中，通常要求传感器的功耗非常小，可以连续工作数月、甚至数年之久而不需要充电。目前的做法是通过媒体的计入控制层和网络层的协议涉及，尽量减少不必要的传输，来有效地利用无线信道和能量资源。在此基础上，采用极低功耗的超带宽物理层，可以大大简化MAC层和网络层的复杂度，使系统总体功耗进一步降低。（3）智能交通系统超宽带系统同时具有无线通信和定位的功能，可以方便地应用于智能交通系统中，未汽车防撞系统、智能收费系统、测速、见识系统等提供高性能，低成本的解决方案。（4）军事、救援和安全等领域采用基带脉冲方式的超宽带系统，具有较强的穿透障碍物进行通信的功能，在军事、消防、勘测等领域有着广泛的用途。4. 对超宽带技术的体会超宽带不仅仅是一种新的通信技术，更代表了一种新的共享使用频谱的方式。超宽带通信可以以时域的基带窄脉冲形式实现，也可以以一般的调制载波的形式实现。先进的无线通信技术，如OFDM、CDMA、多输入多输出等等，都可以应用在超宽带系统中。超宽带技术可以用与近距离高速无线通信