74超宽带无线通信技术

超宽带无线通信技术目录超宽带的定义1超宽带的特点和应用2超宽带的传输方式3超宽带的信道模型4超宽带的关键技术5超宽带的定义20%500()2HLHLHLfforffMHzffUltra-Wideband(UWB)WirelessCommunication美国联邦通信委员会（FCC：FederalCommunicationsCommission）超宽带的定义1.22.82.81.2100%80%()2(2.81.2)2LHHLHLfGHzfGHzffff相对带宽1.22.82.81.2100%80%()2(2.81.2)2LHHLHLfGHzfGHzffff相对带宽窄带相对带宽1%宽带1%相对带宽20%超宽带相对带宽20%超宽带信号的辐射掩蔽(2)穿墙成像监视系统(2)穿墙成像监视系统室内UWB设备辐射掩蔽(1)探地雷达墙内成像医疗成像(1)探地雷达墙内成像医疗成像室外手持设备为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将超宽带系统的发射功率限定在一定范围内，即在超宽带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（emissionmask）来决定.超宽带的特点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.超宽带的特点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。2log(1)(/)SCWbsN超宽带的特点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，因此，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。同时，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。超宽带的特点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。超宽带的特点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5-20m3m3m15cm超宽带的特点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）＜101010~10050功率1毫瓦以下1~100毫瓦1瓦以上1瓦以上超宽带的应用通信UWB系统带宽极大，可支持大的信道容量，同时系统功率受限，只能传播较短距离，因此UWB技术特别适合于短距离高速无线通信。例如基于UWB技术的无线USB2.0，可取代有线USB,实现PC之间及消费类电子设备（电视、数码相机、DVD播放器、MP3等）之间的无线数据互连与通信。无线个域网(WPAN)、高速智能无线局域网、智能交通系统，公路信息服务系统，汽车检测系统，舰船、飞机内部通信系统，楼内通信系统、室内宽带蜂窝电话，战术组网电台，非视距超宽带电台，战术/战略通信电台，保密无线宽带因特网接入等等超宽带的应用超宽带的应用雷达、探测超宽带依赖于极微弱的、与雷达中所使用的相近的基带窄脉冲，具有很强的穿透能力，能穿透树叶、墙壁、地表、云层等障碍，辨别出障碍物后隐藏的物体或运动着的物体，测距精度的误差只有一两厘米。可以应用在：穿墙雷达、安全监视、透地探测雷达、工业机器人控制、监视和入侵检测、道路及建筑检测、贮藏罐内容探测等。超宽带的应用测距,定位超宽带信号在户内和户外都可以提供精确地定位信息，在军事和民用上都有广泛的应用。例如在敌方领土上营救人员，儿童搜寻，寻找丢失的宠物和行李，跟踪、搜索和解救人员，定位贵重的物品的位置等等工业/自动化实时追踪资产及库存-改进流程-提高搜索效率-减少资源浪费物流追踪条形码及叉车-减少保险环节的核查-仓库管理更加灵活军事人员与设备的追踪-城市作战训练-高级研发医疗保健实时追踪病人，监护者，护理者-过程分析与改进-人力资源管理-病人安全保证/状态监控娱乐/体育演出或者训练-细化演出分析-回放比赛实况-视频集成危险环境人员和物资的追踪管理-安全位置的紧急搜索-定位人员-安全有效位置相关参数估计位置相关参数估计定位算法演示系统TOA(TimeofArrival)…接收信号位置坐标(x,y,z)测距模块利用测距算法估计参考节点和目标节点间距离定位模块利用多个节点的测距结果估计目标节点的位置超宽带信号模型根据传输技术不同分为两类：脉冲超宽带优点1.系统简单、成本低、功耗小2.多径分辨能力强3.信号随距离衰减小，穿透能力强缺点1.信息传输速率不高2.频谱利用率不高3.频谱使用不灵活多频带超宽带优点1.易实现高信息传输速率2.频谱利用率可以较高3.频谱使用灵活缺点1.系统复杂2.成本高3.功耗高4.高频段时信号穿透力弱脉冲超宽带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-SStimehoppingspreadspectrum)直接序列扩频(DS-SSdirectsequencespreadspectrum)超宽带脉冲波形设计脉冲波形设计原则1.符合UWB信号定义，-10dB绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%。2.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。3.功率谱密度在频域上满足FCC辐射掩模的规定。4.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。高斯函数脉冲222222212()2ttptee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222222244()1ttwte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。扩频技术号功率谱窄带中频滤波器输出信)(ecf功率谱密度率谱信息调制时输出信号功)(afcficRficRf发送的扩频信号功率谱)(b功率谱密度fcficRficRf接收信号功率谱)(c功率谱密度fcf干扰信号发送信号噪声f功率谱密度干扰信号有用信号噪声功率谱密度解扩后的信号功率谱)(dfcf干扰信号噪声有用信号多址接入隐蔽性和保密性好抗干扰性强，误码率低扩频通信是将待传送的信息数据用扩频序列调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的扩频序列进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。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。跳时扩频调制超宽带TH-SSPPMUWB100()(())fNpsftjcnnjstEptnTjTcTdTf12……654312……6543NfTs……Tc发射信号TS=NfTfTf=NcTc100()(())fNpnsftjcnjstEdptnTjTcTTH-SSPAMUWB00.511.522.53x10-8-6-4-202468101214x10-3时间[s]幅度[V]PPM-TH-UWB发射信号00.511.522.53x10-8-6-4-202468101214x10-3时间[s]幅度[V]PAM-TH-UWB发射信号数值二进制比特流[1、0、1]]符号周期10ns重复编码的次数2帧周期5ns码片时间1ns每个frame中chip的个数5跳时码[2、4]直接序列扩频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时域相乘，得到解扩信号，经信息解调器恢复成原始数字信号。只有当时，才能进行正确的解扩和解码。信源调制振荡器伪码发生器（a）发射部分（b）接收部分()dt()ct混频解调同步伪码发生器高放本振0()rt0()rt()ct()()ctct()dt()ct()*()dtct()ct0()rt直接序列扩频脉位调制超宽带DS-SSPPM100()()()fNpdjsfnnjstEcptnTjTd100()()()fNpndjsfnjstEdcptnTjTDS-SSPAM意义取值二进制比特流[1、0]重复编码的次数5每个frame个中chip的个数3伪随机序列码[1、-1、1、-1、-1]码片时间1ns帧周期3ns符号周期15ns00.511.522.53x10-8-5051015x10-3时间[s]幅度DS-PAM-UWB发射信号00.511.522.53x10-8-5051015x10-3时间[s]幅度DS-PPM-UWB发射信号多频带超宽带在MB-OFDM-UWB通信系统中，将3.1-10.6GHz频带划分为14个528MHz的子频带，5个频带组，使用时以三个为一组。使用OFDM技术生成信号。OF