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1、超宽带技术,Ultra-WideBand Technology,（UWB）,UWB技术内容,信道容量UWB的概念UWB技术UWB的简要历史UWB的应用,信道容量信道传输速率极限参数,Nyquist第一准则（现代通信原理）：1924年，Nyquist推导出：在满足抽样无失真传输充要条件信道上传输理想限带无串扰波形，其频带利用率为：,信道容量信道传输速率极限参数,Shannon定理（应用信息论基础）1948年，Shannon研究了在Gauss白噪声干扰下的带宽受限信道的频带利用率，得到著名的Shannon定理：,C与B是线性关系C与是对数关系,提高信道容量的方法,由Shangnon定理可知有两种方
2、法：提高信道的信噪比(S/N)。传统的通信系统都主要考虑S/N,然后通过采用更复杂的调制方式来提高信道的传输速率。提高信道的带宽 如CDMA即是用带宽换取高的传输速率。UWB也是这样。,UWB原理（一）,Time Domain创始人Larry Fullerton发现：单个的RF单周期可以从天线发出，这个单周期信号在时间上可被精确定位，并且可以采用匹配接收机接收来恢复发射的原始信号。这个发现建立了一个全新的传输方式。,UWB原理（二）,利用窄带Gaussian单脉冲和跳时可以把信号的谱扩展到很宽的范围。所配置的脉冲帧里的脉冲定时是由一个时间PN码来控制的。时间调制是通过精确控制每一个数据位的发射
3、时间来实现。跳时信号扩谱即把信号的能量在整个频段上分布得更均匀。也即为多用户系统实现了信道化。,UWB原理（三）,传统的通信系统总是使用某个频带，即把射频谱分为频带和信道。然后，在此信道中发射信号会是很容易的，此信号即是所谓的“载波”。而UWB是工作于一个扩谱系统，即带宽 最小的有效数据率。脉冲持续时间非常短。一般情况下，此脉冲的持续时间与单个bit的间隔相对应。,UWB原理（四）,UWB并不依赖于扩谱序列或跳时序列来产生宽带信号，而是用基本脉冲的短持续时间来产生宽带。UWB的天线是靠基带信号直接激励的。UWB是一个功率受限体制。,UWB的定义,美国联邦通信委员会(FCC)关于UWB的定义：一
4、个无线系统的带宽大于其中心频率的25%，或带宽大于1.5GHz，此系统即可以称为超宽带（UWB）系统。,UWB发射带宽的定义（一）,FCC最近的定义为：比最高的辐射发射低10dB的频点间的频带为UWB带宽。此定义的带宽可能会超过数百MHz甚至1GHz。其有效性值得怀疑。产业界一些公司提议：UWB带宽仅由天线的电磁特性决定，此定义易于把握。FCC还为UWB定义了一个相对带宽制（Fractional bandwidth,Frb）,UWB发射带宽的定义（二）,UWB系统,FrB0.25,FrB0.25,系统可以用传统的RF原理来设计，,系统用传统的RF原理设计会是很困难的，,FrB：信号带宽与发射的
5、中心频率的比值,UWB的含义,UWB是一个可以直接发送二进制数据的RF技术。自从60年代被提出之后的40多年间，UWB也被叫做：基带（baseband）技术 冲击（impulse）技术 无载波（carrier-free）技术 这是因为UWB技术采用极窄脉冲（不用载波）在很宽的频带上形成低能量冲击。数字1和数字0可以通过一个时当的距离进行收发而不需要在已经非常拥挤的频谱上占用一段频谱。,UWB的基本概念（一）,高达数百bps的传输速率无载波调制属于短距离的无线通信技术不占用专门的频带较现有无线技术的成本更低结构简单耗电量仅为现有无线技术的1%以下,UWB的基本概念（二）,UWB 是一项短距离无线
6、传输技术UWB的传输距离一般在10米左右UWB在传输距离为10米以内时，其传输速率可达500Mbps,UWB的基本概念（三）,UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输UWB不占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。根据FCC规定，UWB系统的发射功率谱密度必须要限制在美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz（换算成功率为1mW/MHz）以下。UWB不使用载波，而是用编码了的纳米级窄脉冲来传递信息,UWB的功率谱密度,5,4,根据FCC的规定，UWB的功率谱密度41.3dBm/MHz,3,2,1,f,GHz,GPS,Blutooth802.11bHomeRF,PCS
7、,SatelliteFutrue,802.11aHiperLAN,功率普密度(dBm/MHz),-75.3,-41.3,UWB的基本概念（四）,UWB系统一般只需要5070毫瓦的电源功率。此功率 是传统移动电话所需功率的1/100左右；是蓝牙设备所需功率的1/20左右；因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。,UWB的基本概念（五）,RF频谱位置的灵活选择 UWB不需要占用专门的频谱，如果需要，技术上也允许，UWB频谱可以被移到较高的、不拥挤的频段。,UWB的基本概念（六）,UWB具有非常良好的穿透特性 低的工作频率能够使得信号可以穿透如砖和沙浆等材料，所以
8、采用UWB可以实现很好的监视用雷达方案。采用冲击脉冲方案的测地雷达可以检测地下管道出现的问题、机场跑道的地下裂缝及考古，其原理与此相同。,UWB的基本概念（七）,UWB对多径衰落存在固有的鲁棒性 传统无线技术受到多径的干扰（如在室内）则：难以对位置进行跟踪难以在拥挤的环境中很难分辨目标多径干扰和衍射使传统无线电的传输特性变差 UWB非常窄的波形使得从信道的多个反射被独立分辨。其定位精度可达几个厘米，因此，UWB通常遵守自由空间的传输规律。,UWB抗多径,UWB的基本概念（八）,UWB对已申请使用的频段造成干扰 1989年，FCC在Part15.209中规定了在非授权频段对无线电设备发射功率的限
9、制：频率高于960MHz，在1MHz的带宽内，测量距离3米时，发射功率在500w/m内，其相应的发射功率谱密度限制在-41.3dBm/MHz以下。,UWB的基本概念（九）,UWB技术可以提供很高的安全性从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。完全可以在UWB设备中对脉冲的0和1进行加密。,UWB的基本概念（十）,为保护GPS等系统的正常运行，FCC还考虑在1.2GHz1.5GHz频段对发射功率谱作2035dB甚至更低的限制。见下图：,75,70,65,60,55,50,45,40,35,1,2,3,4,10,FCC Part 15,0.96,1.61,1.99,3.1,10.6,Fr
10、equency,(GHz),GPS频带,UWB与传统无线系统的区别,根据FCC的定义，UWB系统的带宽要大于其中心频率的25%，或者大于1.5GHz。显然，这个带宽是远远大于各种传统通信技术所用的带宽的。UWB的典型实现方式是无载波方式。它能直接调制一个具有陡峭的上升沿和下降沿的冲击（窄脉冲），此冲击的谱宽可达几个GHz,UWB收发机与传统收发机的区别,调制器,射频滤波,脉冲源,低通,数据输入,低噪声放大,射频滤波,脉冲源,采样及检测,数据输出,UWB解调器,PRF(Pulse Repetition Freqency),PRF,调制器,数据输入,功放,射频滤波,带通,低通,低噪声放大,RFRa
11、dio Frequency,RF,IF,解调,数据输出,UWB,Traditional RF,UWB与传统无线系统信号的区别,UWB发射信号,传统无线发射信号,UWB接收的优势,可以全数字化实现。这是一个非常诱人的优势，传统无线系统至今仍无法避开射频通道部分。可以采用软件无线电技术实现整个系统。可以动态地调整数据率。当传输距离增加时，UWB可以用几个脉冲发送一个比特，以提高在接收端的SNR。可以动态地调整功耗,UWB的基本技术（一）,UWB信号 UWB发射机所发射的窄脉冲类似于单周期正弦波，被称为monocycle。发射机将发射一串monocycle 被称为脉冲串（pulse trian），M
12、onocycle并不含有数据，脉冲串中的monocycle之间的间隔由数据0或1决定。,一个2GHz Gaussian Monocycle 的时域波形和功率谱,Monocycle 构成的Pulse Train 的时域波形和功率谱,UWB的基本技术（二）,UWB的调制技术时间调制 采用瞬时开关技术产生窄脉冲。这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布，实现时间调制，形成多个信道，以实现多址通信。直接序列相位编码 以数百Mbps的速率对窄脉冲进行编码，多个编码脉冲表示一个bit。然后采用一种以Gbps速率发射高占空比、宽带脉冲相位编码序列。此编码可提供抗多径干扰的能力。,脉冲位置调制（PPM）,S
13、(t)：UWB信号P(t)：UWB基本脉冲波形,：脉冲的幅度偏移,：脉冲的时间偏移,PPM的脉冲串,；,是脉冲相对于参考的提前和延时,UWB的基本技术（三）,UWB的收发 与传统的无线收发信机相比，UWB收发信机的结构相对简单。在发射端，信息可以被几种不同的技术调制，如：脉冲幅度调制 脉冲相位调制 经超宽带天线发射出去 在接收端，天线收集的信号经过：放大 匹配滤波或相关接收处理 高增益门限电路 恢复原来的信号,UWB发送设备框图,脉冲产生,时钟,可编程延时,调制,码产生器,数据输入,UWB接收设备框图,多路器,脉冲产生,码产生器,基带信号处理器,积分,S/H,可编程时间延时,时钟产生,数据输出
14、,相关器,截获与跟踪控制,UWB接收模型,积分,延时,样本产生,S/H,A/D,时钟,个人局域网（PAN）的概念（一）,PAN的核心思想是：用无线代替有线实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化信息网络。PAN定位在家庭和小型办公室场合，主要应用范围包括：语音通信网关数据通信网关信息电器互联信息自动交换,个人局域网（PAN）的概念（二）,当前PAN的主要技术有以下四种：蓝牙（Blutooth）技术：由Ericsson、Nokia、Intel、IBM和Mitsubishi等公司提出与推广的短距离无线通信技术。它支持点到点、点到多点的语音、数据业务。1998年以来，已推出1.0A、1.0B版本，并
15、将推出2.0版本。,个人局域网（PAN）的概念（三）,红外接口IrDA技术 它采用红外线作为通信媒介，支持各种速率的点到点的语音业务和数据业务。是此四种技术中市场份额最大的。IrDA适合于低成本、跨平台的点到点高速数据连接。是一种嵌入式系统。,个人局域网（PAN）的概念（四）,Home RF:Home RF 是由Micro Soft、Intel、HP、Motorola和Compaq等公司开发的，它的工作频段为2.4GHz,话音采用DECT标准，数据通信采用TCP/IP,个人局域网（PAN）的概念（五）,UWB技术 UWB是一种新技术，其概念类似于雷达。UWB是在很宽的频段内传送短脉冲，将信息调
16、制在脉冲的时间间隔上。UWB的高性能和的功耗低的优点使得它将成为未来市场上强有力的竞争者之一。,3G,802.11a,HomeRF,BT,802.11b,UWB,1,10,100,1k,1M,10M,100M,1G,Future LANs,速率,bps,距离（米）,几种无线解决方案的峰值速率和传输距离范围,0,500,1000,UWB(1000),802.11a(83),Blutooth(30),802.11a(1),802.11 Blutooth UWB 谱容量比较(示意）,PAN技术的性能比较,UWB的发展史（一）,50年代后期，Lincoln实验室在开发相位阵列雷达时，需要双共軛网络2N
17、端口分析。从2端口输入的冲击，在N端口得到的冲击响应是一组加权的等间隔的脉冲。如果把这个共軛的2N网络倒过来，成为共軛的N-2网络，则可以在N个端口分别输入这N个加权的等间隔的脉冲，而从2端口就可以得到一个加权的等间隔的脉冲串。UWB的研究从此开始了。,UWB的发展史（二）,1960年，美国开始在军用雷达上使用UWB技术。发送ns级的极窄脉冲，接收和分析反射回来的脉冲，从而检测出目标的位置信息。这和传统的雷达的根本区别就在于雷达发射的是无载波脉冲。,UWB的发展史（三）,极窄脉冲的产生 1965年，HP公司的Barney.Oliver博士开发了一个采样示波鏡，并用雪崩二极管和隧道二极管产生了宽
18、度极窄的脉冲。Rome实验室，开发了能发射脉冲源和他所使用的天线。,UWB的发展史（四）,70年代初，閾值接收器被开发出来。用雪崩二极管和隧道二极管构建出来的閾值接收器可以检测出脉宽极窄的脉冲信号。这使得UWB系统的基本模块得以齐全。,UWB的发展史（五）,2002年2月14日，FCC批准将UWB用于民用产品。主要包括以下三个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器（Imaging System)汽车防冲撞传感器等(Vehicle Radar System)3.家电设备及便携设备之间的无线数据通信(Communication and Measurement System),UWB的应用（一）,19
19、72年，出现了第一个UWB的应用：用于汽车气囊上的撞击预警传感器 传感器的有效范围开始时为8英尺（2.5米）左右，后来由于电源制作技术的提高，传感器的有效范围可以达到2530英尺（8米10米）。后来，据此原理，又开发了100米的飞机跑道传感器等等。,UWB的应用（二）,2.在70年代，隐身物质的性能测量主要采用的技术就是UWB技术。Nicolson博士结合FFT技术研制了一种窄脉冲装置，用此装置可以从一次脉冲冲击的结果中测量出隐身物质对微波的吸收特性。后来，这种技术推广到可以测量罐槽中的液面高度。,UWB的应用（三）,1978年以后，关于UWB的研究方向转向了通信方面。语音信号无须同步即可以传
20、输到数百英尺的距离。1979年，通过城市中的调频电台的19KHz副载波可以把数据信号传输到很远的距离。,UWB的应用（四）,显示,信号处理,定时,接收,脉冲形成,收发天线,执行程序,激发,用于安全系统和警方突击行动及灾害现场救援等,墙,UWB的应用（五）,区域安全,室外贵重物品安全,高责任区安全,UWB的应用（六）,UWB技术可能被用于PC机中用UWB实现USB接口。Intel正在准备用UWB来实现“无线USB2.0”。（速度已达480Mbps）尽管尚存在与PC连接需要认证，但实际上只缺少一个驱动程序。用UWB来实现FireWire即（1394）接口。用UWB来实现WLAN，并集成在PC机的芯
21、片组中。,UWB的应用（七）,作为Bluetooth的物理层使用 Time Domain和Multispectral Solutions公司已经向IEEE802.15委员会提出建议：用UWB作为“蓝牙2”的实现方案。（IEEE802.15是已经标准化了的蓝牙技术。IEEE802.15委员会2002年1月成立的SG3a研究组的研究目标是100Mbps以上的无线动态图像传输。）,UWB的应用前景,无线通信精密跟踪监视雷达混合应用,UWB的标准,欧洲邮政电信协会（CEPT）正在欧洲标准化组织（ERO）的支持下，审查UWB标准。希望在2003年中期形成欧洲标准。为了避免出现不同的标准，重蹈90年代WL
22、AN欧日标准不兼容，不能互操作的旧辙，CEPT将与美国WPAN标准制定部门（IEEE802.15.3a）合作，以制定出世界统一的UWB标准。,UWB应用的限制,UWB的应用收到两个方面的限制在美国，民用或军用的UWB信号的传输必须得到联邦通信委员会（FCC）或国家电信信息管理局（NTIA）的许可。技术方面的限制：世界上尚没有一家公司推出UWB可用的产品，虽然有很多公司都在宣传自己的样机及用途。,UWB技术上实现的难点,工作在3.110.6GHz频段、传输速率达500Mbps的UWB系统的天线和馈线实现很困难。由于脉宽极窄、信号低于噪声电平，接收机的相关检测接收需要精确的定时。接收机的匹配滤波器的精度要求很高。易受传统窄带通信机的干扰。,UWB的缺欠,对其它无线系统的干扰 干扰GPS，对导航系统的安全造成威胁 干扰利用来自宇宙的微弱电波进行观测的天文台。干扰调频调幅和调频广播以及PAN等被其它传统无线系统干扰 分布在频谱上的各种相对窄带的无线系统所干扰。,谢谢！,
