Ultra-Wide-Band介绍教学课件

超宽带（UWB）无线通信技术

IntroductiontoUWBWirelessTechnology2005年7/8/20251内容提要什么是超宽带？定义波形特征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7/8/20252BackgroundUtra-Wideband(UWB)auniquetechnologyrecentlypermittedbyFCCforuseincommercialcommunicationswellsuitedforhighspeed,shortrange,wirelesspersonalareaconnectivityforPC,CE,andmobiledevices7/8/20253什么是超宽带？Ultra-Wideband,UWB7/8/20254UltraWideBandUltraWideBand

(UWB):theuseofextremelyshortdurationpulses(subnanosecond)insteadofcontinuouswavestotransmitinformation.•Thepulsedirectlygeneratesaverywideinstantaneousbandwidthsignalaccordingtothetime-scalingpropertiesoftheFouriertransformrelationshipbetweentimeandfrequency.(OccupiedB>>InformationBandwidth)7/8/20255什么是超宽带？（续）超宽带：UltraWideBand，简称UWB技术也称为脉冲无线电(IR:ImpulseRadio)技术它是利用纳秒级非正弦极窄脉冲，而不是利用连续载波发射无线信号的技术2002年2月14日，首次获得美国联邦通信委员会(FCC)

批准用于民用通信7/8/20256DefinitionofUWB•FCCDefinitionofUWB–Fractionalbandwidth(measuredatthe-10dBpoints),(fH-fL)/fc,>20%ortotalB>500MHz.•CommonDefinitions–UWB:Fractionalbandwidth=(fH-fL)/fc>25%ortotalB>1.5GHz.–Narrowband:(fH-fL)/fc<1%.7/8/20257FCC关于UWB的定义定义相对带宽Br大于20%或绝对带宽大于500MHz相对带宽定义为信号带宽与中心频率之比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1.5GHz7/8/20258波形特征用于多址通信的UWB信号载体为周期性单周脉冲序列单脉冲使用持续时间为0.5~20ns的高斯形脉冲或方波脉冲A：脉冲峰值幅度

：决定脉冲宽度的常数7/8/20259下图是一个宽度

=0.5ns,幅度A=108的一个单脉冲波形7/8/202510单脉冲的频谱为：fc＝1/

是脉冲的中心频率

7/8/202511图1

单脉冲的时域图

图2

单脉冲的功率谱图7/8/202512UWB有别于传统的窄带(narrowband)和宽带(wideband)。相对带宽小于1%的都称为窄带，相对带宽在1%到25%之间的称为宽带。如:某UWB系统，最高频率5.5GHz，最低频率为3.1GHz，其相对带宽为55.8％，而3GW-CDMA频谱分配为例，其相对带宽为5MHz/2200MHz＝0.23％。7/8/202513传统系统在信号的传输过程中通过射频（RF）载波或多射频（RF）载波的传输波来进行信号调制；而UWB是无载波的，它可利用起、落尖锐的时域脉冲(几十纳秒的数量级)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，过程所持续的时间决定带宽所占据的频率范围。7/8/202514•UWBpulsetransmitteddirectly•Hasno“carrierorcenterfrequency”•Requireswidebandantennas•Spectrumcontroldifficult(occupiesfrequenciesfromnearDCtoafewGHz)7/8/202515UWB的本质特点美国FCC的定义和规范关于UWB的一些错误认识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7/8/202516信道容量C与带宽B是线性关系，而与信噪声比SNR的对数成线性关系，故UWB技术能够在具有更高数据传输率的同时，保持很低的能耗。shannon公式：

其中：C=通道容量（bps）

B=信道带宽（Hz）

SNR=信号噪声功率比=P/(B×N0)P=接收信号功率(Watts)N0＝噪声功率谱密度(Watts/Hz)C=Blog2(1+SNR)7/8/2025177/8/202518Notice:ChannelcapacityimprovementonlyatlimitedrangeduetothelowpowerlevelsallowedbyFCC.7/8/202519AdvantagesofUWB•LowPowerConsumption•Lowcost:nearly"all-digital",withminimalRFelectronics.•Alowprobabilityofdetection(LPD)signature(信号).•IntegratedServices:CommunicationsandRadar(雷达).•Communications–Extremelyhighdatarateperformanceinmulti-usernetworkapplications.–Relativityimmune(免疫的)tomultipathcancellationeffectsasobservedinmobileandin-buildingenvironments.–Lowinterferencetoexistingnarrowbandsystemsduetolowpowerspectraldensity.Tuesday,July8,202520WhyisUltra-widebandUseful?–WirelessCommunicationsSystems•LocalandPersonalAreaNetworks(LAN/PAN)•RoadsideInfo-station•Shortrangeradios•MilitaryCommunications(军事通信)–RadarandSensing•VehicularRadar(车载雷达)•GroundPenetratingRadar(GPR)•ThroughWallImaging(Police,Fire,Rescue)•MedicalImaging•Surveillance(监视)–LocationFinding•Precision(精确)location(GPSaid)7/8/202521Networking•PersonalAreaNetworking(PAN),connectingcellphones,laptops(膝上电脑),PDAs(PDA:abbr.PersonalDigitalAssistant个人数字助理),cameras,MP3players.–MuchhigherdataratesthanBluetoothor802.11.•Canbeintegratedintoautomotivein-carservicesandentertainment.–DownloaddrivingdirectionsfromPDA/laptopforusebyon-boardnavigationsystemusingGPS.–Downloadmusicandvideosforpassengerentertainment.7/8/202522InformationServices•Roadside‘markers’containingUWBtransmitters.–Shortburstofveryhighratedata(100sofMbpsfor1-3secatatime)–Messagescouldcontainroadconditions,construction,weatheradvisories.–Allowforemergencyassistancecommunication.7/8/202523VehicularRadarCollisionAvoidance/Detection•Driveraid/alerttoavoidcollisions.•Resolutiontodistinguishcars/people/animals/polesonornearroadRoadConditionsSensing•Theresolutiontosenseroadconditions.•Informationtodynamicallyadjustsuspension(暂停),braking(刹车),andotherdrivesystems.7/8/202524FCC关于民用UWB设备的规范(2)穿墙成像监视系统(3)室内系统(4)室外手持设备(1)探地雷达墙内成像医疗成像7/8/202525FCC关于民用UWB

设备的规范（续）EIRP<-41.25dBm/MHzEIRP：等效各项同性发射功率基本通信频带0–960MHz和3.1–10.6GHz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7/8/202526关于UWB的一些错误认识UWB通信就是基带窄脉冲通信调制载波的UWB系统与常规通信系统一样，没有什么特别的地方UWB通信的距离都非常近（10米以内）UWB通信的频带就是FCC规定的0–960MHz和3.1–10.6GHZ，或在其附近可以是调制连续载波的方式，只要满足相关的定义虽然都采用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在特殊的场合，放宽发射功率的限制，即可增大通信距离只要满足相关的定义，就可以算是超宽带，包括有线通信和无线通信，微波通信、光通信中很多都可算是超宽带，只是我们一般研究10.6GHz以下的超宽带无线通信7/8/202527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7/8/202528UWB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-SpectrumAdaption)数字调频…7/8/202529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、升余弦等多种波形通过PPM、脉冲极性调制、PAM等方式携带信息采用跳时（TH）、DS-CDMA等多址方案典型高斯脉冲在信道上的时域波形和功率谱密度

典型TH-PPM信号7/8/202530UWBSystemExampleImpulseRadiousingTimeHopping•ImpulseRadio–Verylowdutycycle(Tf/Tp>100)–‘Pulsetrain’–Onepulsetransmittedperframe(Tf)uniformpulsetrain(nomodulation,nodithering抖动)7/8/202531PulseTrain•UWBsystemstypicallyusemanypulserepetitions(100s)torepresenteachdatasymbol.•Auniformpulsetrainhasspectrallinespresent(notasmoothspectrum).•Formultipleaccessthiscouldalsoleadtocatastrophic(灾难)collisions.•Time-hoppingisonepossiblesolution….7/8/202532TimeHopping•Withineachframetime,thepulseispseudo-randomlypositionedintime.–Smoothesthespectrum–Allowsformultipleaccess•cj(k)

isaPNsequence,Tc

istimediff.betweenhopsExample:pulsehasbeenshiftedtohopposition4inaframewith8possiblehoppositions7/8/202533PPMUWB通信系统7/8/202534PPM调制的时域波形和频谱特性7/8/202535窄脉冲的产生雪崩晶体管阶跃恢复二极管（StepRecoveryDiode，SRD）高速CMOS电路7/8/202536窄脉冲的产生（续）SRD窄脉冲发生器的电路和输出脉冲7/8/202537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7/8/202538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7/8/202539调制载波的UWB通信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7/8/202540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7/8/202541规范化工作美国FCC2002.2/4：给出了美国民用UWB设备的初步规范，规定了各种应用使用频谱的范围和限制2004.8：批准了Freescale公司的UWB芯片组XS110的商用XS110：可选速率29/57/86/114Mbps，最大耗电量750mW其它7/8/202542标准化工作IEEE802.15.3a高速WPAN物理层可选技术标准2002.12开始公开征集方案目前陷入MB-OFDM和DS-UWB两种方案竞争的僵局之中IEEE802.15.4a2003.7成立低速、低成本、低功耗物理层可选技术标准MBOA2003.6成立Intel、TI、Samsung、Philips等50多家单位组成采用MB-OFDM方案UWBForumMotorola、Freescale等发起DS-UWB方案7/8/202543最新动态Freescale:XS110芯片组获FCC认证Intel:WirelessUSB2.0物理层采用UWB技术，速率480MbpsMB-OFDM1394TA(WWG):IEEE1394overUWB已进行规格制定的最后阶段（2004.9）MB-OFDM或DS-UWB，未确定7/8/202544演示系统2002年初，Intel，100Mbps，2米2003年1月，XtremeSpectrum，传送双路HDTV信号2003年4月，Intel，220Mbps，1米，多带方式2003年4月，新加坡资讯通信研究院，500Mbps，4米其它如新加坡新龙（Cellonics）公司、日本太阳诱电、美国Blue7通信公司等的演示系统7/8/202545芯片开发2002年6月，XtremeSpectrum推出芯片组“Trinity”，现为多家开发UWB产品的公司所采用2003年9月，Intel发布基于90nmCMOS工艺的单片集成UWB芯片2004年4月，Wisair推出采用MB-OFDM技术的UWB芯片UB501（最高480Mbps）2004年8月，Freescale

UWB芯片组XS110通过FCC认证其它7/8/202546未来预测美国In-Stat/MDR:2005～2008年UWB设备将以每年400％的增长率增加ABI公司预测，2007年全球基于UWB的电子产品和芯片组的出货量将达到4500万个，2007年全球UWB设备和芯片收益将达到13.7亿美元WTRS预测，2007年通信市场的UWB芯片市场总值将达到6300万美元UWB技术将面临多种无线通信技术/标准的挑战：高速：802.11n、WiMAX等低速、低功耗：7/8/202547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7/8/202548UWB技术的研究课题系统理论的深入研究现有的UWB系统理论还远未成熟主要包括信道模型和信号传播特性、UWB信号处理理论等系统设计如何更高速？如何更低成本、低功耗？抗干扰设计频谱自适应7/8/202549UWB技术的研究课题（续）UWBMAC层、直至网络层的设计和优化修改现有MAC层还是全新的UWBMAC层？自组织网络和Mesh网络结构UWB天线的理论、设计和实现7/8/202550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7/8/202551UWB技术的早期历史1895/1896年,Marconi和波波夫所演示的第一个无线通信系统就符合超宽带无线电的定义

。1942:DeRosa提出随机脉冲系统的专利（因二次大战，1954年才公布）1969~1984年，Harmuth出版了一系列关于UWB发射机和接收机设计的书和论文。1973年Ross申请了UWB通信中具有里程碑意义的专利。1974年，Morny申请了一个探地雷达技术的专利。1978年，C.LeonardoBennett,GeraldF.Ross