超宽带技术(UWB)概述

超宽带技术(UWB)概述超宽带技术概述Ultra-Wideband,

UWB单位频带发射功率宽带超宽带频率窄带超宽带（UWB）发展简史19世纪末期，马可尼演示的第一个无线通信系统就涉及了脉冲超宽带的概念；最早的超宽带又称为Impulse

Radio

；1942年，随机脉冲系统专利，上世纪六七十年代在雷达信号处理领域有成功应用；1993年，R.A.Scholtz提出了采用跳时冲激脉冲实现多址通信，称为IR-UWB，之后IR-UWB成了通信的一种新体制；2003年4月美国联邦通信委员会（FCC）发布UWB规范；IEEE

802.15.3a/4a工作组制定UWB信道模型和技术提案；2005年，UWB被CNN评为2004年十大热门技术之首；2001年，国家863计划发布了我国第一个关于超宽带的预研课题指南2003年，863计划发布了超宽带无线传输技术研究与开发的预研课题2009年，我国启动有关于超宽带的重大专项科技计划。2009年，我国为UWB技术制定了预开放频段4.2~4.8GHz和6~9GHzFCC关于UWB的定义定义绝对带宽带宽大于500

MHz或相对带宽Br大于20%相对带宽定义为-10

dB带宽除以中心频率这一定义还可能再修改跟早的定义是Br大于25%或带宽大于1.5

GHz对于超宽带的定义存在地区差别(

fH

fL

)

/

2fH

fLrB

绝对带宽（Absolute

Bandwidth）绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止频率

与下截止频率之差。B

10dB

fH

fL注：纵坐标PSD（信号功率谱密度），单位是功率/Hz，所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。实际应用中，绝对带宽有−3dB绝对

带宽、−20dB绝对带宽等不同选择。相对带宽（Fractional

Bandwidth）相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值。中心频率：

fH

fL

2FractionalH

LH

LBB

10dB

2

fH

fL

f

f

2

f

f相对带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率例如，以−10dB绝对带宽计算的相对带宽为：注：FCC规定UWB信号为−10dB

绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。相对带宽（Fractional

Bandwidth）中心频率超宽带的定义fL

1.2

GHz fH

2.8

GHz相对带宽

fH

fL

2.8

1.2

100%

80%(

fH

fL

)

2 (2.8

1.2)

2fL

1.2

GHz

fH

2.8

GHzf

f

2.8

1.2(

fH

fL

)

2 (2.8

1.2)

2相对带宽

H

L

窄带宽带

100%

80%

UWB相对带宽<1%

1%<相对带宽<20%相对带宽>20%UWB定义TimeFrequency0-10-20归一化功率谱（dB）绝对带宽(DARPA)绝对带宽(FCC)中心频率频率轴分数带宽（FBW）＝绝对带宽/中心频率DARPA：FBW>25％

（－20dB）FCC：FBW>20％或者绝对带宽>0.5GHz（－10dB）这样的系统被定义为UWB系统时域波形信号频谱UWB究竟是何方神圣？–UWB可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。（spark－gap）–现代意义上的超宽带UWB无线技术(ImpulseRadio)，出现于1960年代。–超宽带(UWB)原来专属军方使用的技术，1998年FCC征询用于民用的意见，2002年2月确定辐射模板正式将其解禁。非正弦载波调制传输：非正弦载波调制传输：第一个基于UWB无线电通信的脉冲技术为Spark

Gap无线电通信技术，主要用来传送摩尔斯电码。在1942年和1945年，De

Rose

和Hoeppner就相继分别申请了随机脉冲系统和脉冲通信系统的专利。但因二战和机密原因，被美国政府封存，直到1954和1961年才先后予以公布。此后对于相控雷达的研究深化了脉冲无线电技术的发展。1962年随着HP采样示波器面市，微波网络基于脉冲的响应能够被直接观察与研究，研究表明基于脉冲的传送可广泛用于雷达及其它种类的通信，并在70年代受到雷达信号处理领域研究人员的关注，应用到雷达高精度测距和测角。非正弦波形传输UWB发射信号传统无线发射信号fttSignal1Signal2Signal1Signal2时域共享频域分离fftSignal1Signal2Signal1Signal2时域分离频域共享UWB：由来80年代，UWB技术被看成基带、无载波的脉冲技术。一直到1989年，美国国防部才采用UWB这个称呼，此时对UWB及其相关方面的研究已经近30年了。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；而且，数据传输速度越高，能量损耗也就越多，不便于便携应用。UWB技术却令人惊讶地具有两种优点：一是很 高的数据传输速度（×100），二是能量损耗 很少（÷100）。有关无线通信的基本问题与概念为什么会成为热点？–需求与资源的矛盾不断增长的服务速率102Kbps

to

102Mbps不断增长的服务业务Voice,

data,

video,…不断增长的服务对象人、设备、….不断增长的服务要求随时、随地、….高清、定位、….日益缺乏的频谱日益受限的功率日益敏感的价格UWB

might

provide

anovel

solution

toreuse

the

spectrum

inpersonal

areanetwork

(PAN)关键词：容量信息是通过“信道”传输的信道的最大信息传输量为“信道容量”2NC

B

log

(1

S

)传统的系统通常是在带宽（B)受限的前提下，提高改善信噪比提高容量；UWB系统则是通过增加带宽来提高容量。但是，增加B并不能无限地增加容量。Cmax=1.44S/noB关键词：共存or兼容带宽与功率的互换性–带宽从哪里来？重用！43215

GHzfBlutooth802.11bGPS

PCS

HomeRFSatelliteFuture802.11aHiperLAN功率谱密度(dBm/MHz)-

41.3-75.3Idea:

―Imperceptible‖

UWB“Polite”

Co-existence

with

Licensed

Operators:

AggregateInterference

from

UWB

Transmissions

is

―Undetectable‖

(or

HasMinimal

Impact)

to

Narrowband

Receivers,

i.e.

Power

SpectralDensity

is

at

Narrowband

Thermal

Noise

Floor

or

Below.UWBNoise

FloorFCC

关于民用UWB

设备的规范Federal

Communications

CommissionFCC室内UWB频谱模版FCC室外UWB频谱模版为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将UWB系统的发射功率限定在一定范围内，即在UWB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.UWB的特点1、共存性能好超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信使用的频谱范围从3.1GHz到10.6GHz， 频谱宽度高达7.5GHz，通过发射功率的限制，避免 了对其他通信系统的干扰。从上图中可以看到，超宽带信号的最高辐射功率为- 41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这 样在很低的功率谱密度下共享频谱的方式，在频谱资 源非常紧张的今天具有极其重要的意义，这也是超宽 带兴起和发展的主要原因之一.UWB的特点2、信道容量大，传输速率高香农信道容量公式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。数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。2NC

W

log

(1

S

)

(b

/

s)UWB的特点3、低成本，低功耗脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不 需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器， 接收端也不需要中频处理，大大降低了收发 机的硬件实现复杂性和成本。为了避免对现有通信系统的干扰，超宽带信 号发射功率很低，简单的收发设备以及低功 率，使得脉冲超宽带系统的功耗非常低，可 以使用电池长时间供电。UWB的特点4、信号衰减小，穿透能力强正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反 比，在密集多径情况下，信号的功率衰减更 是与距离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号 为定向窄脉冲，不需要载波，具有较强的方 向性，在相同的功率下，比正弦电磁波的衰 减更小。同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波 具有较强的穿透能力，能够穿透多种材料， 使其可以应用于成像、检测、监视和测量等 领域。UWB的特点5、定位精度高由于脉冲超宽带具有较强的穿透能力，因此可以用于各种环境

下的测距和定位。系统的定位精度与信号的频谱宽度直接相关， 频谱越宽，时间分辨率越高。脉冲超宽带发射极短的基带窄脉

冲信号具有很高的定位精度，其带宽通常在数GHz，所以理论

上其定位精度可达厘米量级。研究表明，与GPS全球定位系统相 比，超宽带技术具有更高的定位精度。技术GPSBluetoothIEEE802.11UWB定位精度5-20m3m3m15cmUWB的特点6、保密和安全性能好超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境 噪声和其他信号中，同时又具有极宽的带

宽，很难被基于频谱搜索的侦测设备检测到。同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式， 包括：跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频 等，在接收端必须采用与发射端一致的扩频码 才能正确的解调数据，这使得使非合法用户很 难获取合法用户的传输信息，系统的安全性和 保密性非常高。与其它短距离无线技术的比较UWB蓝牙802.11aHomeRF速率（bps）最高达1G＜1M54M1~2M距离（米）＜101010~1005