超宽带通信技术(UWB)

超宽带通信技术(UWB)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0–960

MHz和3.1–10.6

GHZ，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10.6

GHz以下的超宽带无线通信UWB信号体制IR-UWB：传统的基带窄脉冲方式；DS-UWB：保留了IR-UWB的特点，将跳时脉冲调制在某个载波频率 上，与直接序列扩频方式结合，利用经过PN序列调制的脉冲来传输数 据；抗多径能力强，同时可完成高精度定位；MB-OFDM-UWB：将FCC划定的7.5GHz频段分为若干个528MHz的子 频段，每个子带包含128个子载波；脱离了传统超宽带的概念，与通 常的OFDM技术相似;其中，IR-UWB可视为无载波调制型，DS-UWB可以称为有载波调制型的IR-UWB，这两种UWB形式最能体现经典意义上的超宽带。UWB脉冲波形设计脉冲波形设计原则符合UWB

信号定义，-10dB

绝对带宽大于500MHz

或相对 带宽大于20%。波形波动小，即不能有太多的峰值数。否则，当相关检测时， 微小的延时会造成匹配不上，不利于检测接收。功率谱密度在频域上满足FCC

辐射掩模的规定。脉冲的直流分量为零或者低频分量上的能量尽可能地小。脉冲波形高斯脉冲微分，升余弦、Herimite(厄密特)脉冲等。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电路窄脉冲的产生（续）50ohms

line

SRDTriggersignal

=

+/-

10v250ps@3vSRD窄脉冲发生器的电路和输出脉冲高斯函数脉冲t212

22

22

e

2

2

t2

p(t)

e

高斯脉冲宽度和频域带宽取决于参数α

,α的值越大，高斯脉冲越宽，相应的频域带宽就越小高斯脉冲二阶导24

2

24

t2

w

(t)

e

2

2

t2

1

高斯脉冲各阶导数阶数越高，高斯导数波形的过零点次数就越多，相应的信号带宽就越宽。-1

0100

200

300

400

500

600

700

800

900Time(psec)10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-8012

3

4

5

6

7

8

9

10

11Frequency(GHz)-75-70-65-60-55-50-45-40Magnitude(dBm)一种频谱利用率高的UWB窄脉冲的时域波形和频域波形脉冲超宽带Impulse

Radio

UWB脉冲超宽带指采用时域上很短的冲击脉冲作为信息载体，信息数据符

号通过对窄脉冲(脉冲宽度通常在纳秒级)进行调制，以获 得非常宽的带宽。调制方式脉冲位置调制（PPM）脉冲幅度调制（PAM）扩频方式跳时扩频(TH-SS

time

hopping

spread

spectrum)直接序列扩频(DS-SS

direct

sequence

spread

spectrum)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jj

c

c(k

)Tfs(k

)

(t)

w(t

jT)

j

/

Ns

d

(k

)典型TH-PPM信号跳时扩频信源缓存器调制振荡器开关伪码发生器门1检测伪码发生器门1检测检测（a）发射部分

（b）接收部分跳时扩频是用伪随机码去控制信号的发送时刻，首先把时间轴分成许多时隙，在一帧内哪一个时隙发射信号由伪随机序列去控制。在发射端，发送的信号先暂存在一个缓存器中，待由伪随机码发生器控制的通断开关接通时，将缓存器中的发送数据输出，经过调制后的信号送到由伪随机码发生器控制的开关电路，然后以脉冲的形式发送出去，信息“1‖和“0‖采用不同的脉冲传输。在接收端，本地的伪随机码产生器生成与发射端完全一致的伪随机码控制两个选通门，然后经脉冲检测器检测后进行判决输出，从而得到传送的数据信息。跳时扩频脉位调制UWBTH-SS

PPMUWBPPM—Pulse

position

modulation

N

f

1n

0

j

0s(t)

dn

)Ep

p(t

nTs

jTf

(ct

)

j

TcTfTfTfTcTf=NcTcTs=NfTfTsdn=0dn=1Tf123456……123456……NfTs……Tc发射信号TS=NfTfTf=NcTc图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期

内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为{2,3}。跳时扩频脉幅调制UWBTH-SS

PAM

UWBPAM—Pulse

amplitudemodulationTfTfTfTcTf=NcTcTs=NfTfTsdn=1dn=-1

1

jTf

(ct

)

j

Tc

)

N

fs(t)

Ep

dn

p(t

nTsn

0

j

0图中一个符号周期内包含2个帧周期，即每个信息数据被重复编码两次。每个帧周期内包含有5个码片周期，即可用于5个不同的用户接入，图中用户的跳时码为{2,3}。直接序列扩频（DS-UWB）信源调制振荡器伪码发生器（a）发射部分（b）接收部分d

(t)c(t)混频解调同步伪码发生器高放本振0r

(t)0r

(t)c

(t)只有当c(t)

c

(t)时，才能进行正确的解扩和解码。直接序列扩频就是在发射端直接利用高码片速率的扩频码序列扩展发送信号的频谱。然后在接收端，用相同的扩频码序列相乘解扩，恢复出原始的发送信息。在发射端，欲传输的基带信号

与一个码片速率很高的伪随机

码进行时域相乘，其输出为一d(t) 个频谱带宽被扩展的扩频码流， 然后将此扩频码流变换为射频

信号发射出去。在接收端，射c(t)频信号经过变频后输出中频信号，它与本地的伪随机码进行d(t)*c(t)时域相乘，得到解扩信号，经信息解调器恢复成原始数字信c

(t)号。r0

(t)直接序列扩频脉位调制UWBDS-SS

PPM

N

f

1Ep

(cd

)

j

p(t

nTsn

0

j

0s(t)

jTf

dn

)Ts=NfTfTfTcTsdn=0dn=1TfTc图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的

DS码序列为{1,1,-1,1,-1}。直接序列扩频脉幅调制UWBDS-SS

PAM

N

f

1n

0

j

0s(t)

Ep

dn

(cd

)

j

p(t

nTs

jTf

)Ts=NfTfTfTcTsdn=1dn=-1TfTc图中一个符号周期内包含5个帧周期，即每个信息数据被重复编码5次。每个帧周期内包含有2个码片周期，即可用于2个不同的用户接入，图中用户的伪随机的DS码序列为{1,1,-1,1,-1}。MB-OFDM-UWBMB:multi-band将频谱划分为多个宽度为528MHz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MB-OFDM子带时频交织Channel#1Channel

#2Channel

#3OFDMSymbol#1OFDMSymbol#2OFDMSymbol#3OFDMSymbol#4OFDMSymbol#5OFDMSymbol#6timefreq(MHz)Guard

Interval

forTX/RX

Switching

TimeCyclicPrefixMB-OFDM方案部分参数参数数值N：子载波总数128B：子频带带宽528

MHz

F：子载波间隔4.125

MHz

(=

B/N)TFFT:IFFT/FFT周期242.4

ns

(=

1/

F)TCP:循环前缀长度60.61

ns

(=

32/B)TGI:保护间隔长度9.47

ns

(=

5/B)TSYM:符号间隔312.5

ns

(=

TFFT

+

TCP

+TGI)超宽带信道UWB信号脉冲宽度可达到纳秒甚至亚纳秒级，窄脉冲传输与传统连续波窄带信号通信有着明显区别具有密集的多径分量被视为是UWB多径信道的主要特征参数：多径到达时间、平均多径时延扩展、最大延迟扩展、平均多径强度和多径幅度特性等2003年--IEEE

802.15.3a信道模型后续：IEEE802.15.4a信道UWB信道模型---IEEE

802.15.3a

channel

model基于修正的S-V模型CM1：T-R距离在4米以内，存在LOS(Line-of-Sight)信号的信道模型；CM2：T-R距离在4米以内，不存在LOS信号的信道模型；

CM3：T-R距离在4-10米，不存在LOS信号的信道模型；

CM4：均方根时延达到25ns的极端多径信道。IEEE

802.15.3a

channel

model目标建模参数CM1CM2CM3CM4平均多径时延(nsec)5.0510.3814.18RMS时延(nsec)5.288.0314.2825多径数(10dB)35多径数(85%)2436.161.54模型参数

(1/nsec)0.02330.40.06670.0667

(1/nsec)2.50.52.12.1

7.15.514.0024.00

4.36.77.912

1

(dB)3.39413.39413.39413.3941

2

(dB)3.39413.39413.39413.3941

x

(dB)3333模型特性平均多径时延(nsec)5.09.915.930.1RMS时延(nsec)581525多径数(10dB)12.515.324.941.2多径数(85%)20.833.964.7123.3-1.5015050

100Time

(nS)CM31.510.50-0.5-1CM1Amplitude-1015050

100Time

(nS)CM4-0.500.51CM2Amplitude-10300100

200Time

(nS)-0.500.51Amplitude-10100

200

300

400Time

(nS)-0.500.51AmplitudeIEEE

802.15.3a

channel

realizationUWB信道模型---IEEE

802.15.4a

channel

model2~10GHz的UWB信道模型、2~6GHz的Body

Area信道模型、

100~900MHz的室内办公环境下的信道环境1MHz载频的窄带信道模型。一般讨论：2~10GHz的UWB信道模型，共分为4种环境：居住环境(Residential

environments)室内办公环境(Indoor

office

invironments)户外环境(Outdoor

environment)工业环境(Industrial

environment)户外环境还细分为一般和比较开放的户外环境，而每种环境都分为LOS和NLOS(Non

Line-of-Sight)情况00 100

200

3000.20.40.60.8CM1Amplitude00 100

200

300Time(nS)

Time(nS)IEEE

802.15.4a信道下CM1和CM2信道冲激响应IEEE

802.15.3a/4a工作组做了大量UWB技术规范，信道建模和标准化的工作，极大了推动了UWB技术与应用。0.10.20.30.4CM2Amplitude海尔与飞思卡尔

(Freescale)共同展示了应用无线

UWB技术将数码摄录机与等离子平板电视的无线连接。这是首款采用

DS-UWB融入家庭影像设备的全功能模式。Information

ServicesInfo-station

conceptRoad

side

‘markers’

containing

UWBtransmitters.Short

burst

of

very

high

rate

data

(100s

of

Mbps

for

1-3

sec

at

atime)Messages

could

contain

road

conditions,

construction,

weatheradvisories.Allow

for

emergency

assistance

communication.Vehicular

RadarCollision

Avoidance/DetectionDriver

aid/alert

to

avoidcollisions.Aid

for

airbag/restraintdeploymentResolution

todistinguishcars/people/animals/poles

on

or

nearroadVehicular

RadarRoad

Conditions

Sensin