uwb —— 超宽带无线通信技术及应用

UWB—— 超宽带无线通信技术及应用

超宽带无线通信技术（ UWB ）

1 UWB 技术背景和概述 2 UWB 无线通信技术原理3 UWB 通信的技术特点4 UWB 技术的应用

1 UWB技术背景和概述

UWB (Ultra Wide Band,) 技术被称之为 “ 超宽带 ” ，又称冲激无线电（ Impulse Radio ）技术。

UWB(Ultra Wide Band) 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号， UWB 能在 10 米左右的范围内实现数百 Mbit/s 至数 Gbit/s 的数据传输速率

1.1 什么是 UWB

1 UWB技术背景和概述 1.1 什么是 UWB

<1%窄带相对带宽1%< <20%宽带相对带宽

>20%超宽带相对带宽

超宽带技术 UWB(Ultra Wide Band ，超宽带 ) 是一种无线载波通信技术。即不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽

超宽带绝对带宽

大于 500MHz

传统载波通信信号


调频

1.2 UWB 与传统载波通信的区别

调幅

传统载波通信信号


数字调制

1.2 UWB 与传统载波通信的区别

UWB 通信信号

1 UWB技术背景和概述 1.2 UWB 与传统载波通信的区别

Ts=NfTf

Tf

Tc

Ts

dn=1 dn=-1

Tf

Tc


超宽带 (Ultra Wide Band, UWB) 无线通信技术起源于 20 世纪 60 年代对微波网络冲激响应的研究

此后研究焦点主要集中在雷达系统，并一直被美国军方严格控制，利用占用频带极宽的超短基带脉冲进行通信，主要应用于军用的雷达，以及低截获率 / 低侦测率的通信系统。

1.3 UWB 技术背景


自 1998 年起， FCC ( 美国联邦通信委员会 )对超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问题开始广泛征求业界意见，

2002年 2 月，这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会（ FCC ）的批准用于民用和商用通信，这项技术的市场前景开始受到世人的瞩目

1.3 UWB 技术背景

频谱范围规定 FCC对 UWB 系统所使用的频谱范围规定为

3.1-10.6GHz ，功率谱密度规定

发射机的信号最高功率谱密度为−41.3dBm/MHz ，

1 UWB技术背景和概述1.3 UWB 技术背景


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（ emission mask ）来决定 .

(2)穿墙成像监视系统

(2)穿墙成像监视系统

(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

室内 UWB 设备辐射掩蔽室外手持设备

FCC （美国联邦通信局）：对 UWB 系统所使用的频谱范围规定带宽带宽规定：绝对带宽绝对带宽（（ Absolute BandwidthAbsolute Bandwidth））相对带宽相对带宽（（ Fractional BandwidthFractional Bandwidth ））

绝对带宽大于 500MHz

相对带宽大于 25%


绝对带宽绝对带宽（（ Absolute BandwidthAbsolute 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。

10dB H LB f f

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。


相对带宽相对带宽（（ Fractional BandwidthFractional 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： H L 2f f


1.6 1.9 2.4

WIFI, Bluetooth

802.11bG

PS

PC

S

5

WIFI802.11a

-41 dBm/MHz

UWB Spectrum

Frequency (GHz)

EmittedSignalPower

10.63.1


1.4 UWB 与其它短距离无线技术的比较

UWB 蓝牙 WIFI802.11a

WIFI802.11b

速率（ bps ）

最高达 1G ＜ 1M 54M 11M

距离（米）＜ 10 10 30 80

功率 1 毫瓦以下 1~100 毫瓦 1 瓦以上 1 瓦以上


脉冲无线电（ Impulse Radio ）是早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。

该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。

2.UWB无线通信技术原理 2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形

基带窄脉冲形式是 UWB 通信最早采用的信号形式，一般来说它的工作脉宽是纳秒级的

典型的 UWB 脉冲采用高斯双叶脉冲（ Gaussian Doublet ），这种脉冲因为生成容易而被经常使用

生成方法：光电法，电子法


单周期高斯脉冲

2.UWB无线通信技术原理

2 2

2 2

2

2

2

1 2( )

2

t t

p t e 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

2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time (psec)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

Frequency (GHz)

Mag

nitu

de (

dBm

)

2

2

2 2

2 2 2

4 4( ) 1

tt

w t e

高斯脉冲的一介导数


UWB 技术常用的脉冲调制方式包括脉位调制（ PPM ）脉幅调制（ PAM ）二相调制（ BPSK ）

2.UWB无线通信技术原理 2.2 UWB 的脉冲调制方式

脉位调制（脉位调制（ PPMPPM ））：通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对

于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。


脉幅调制（脉幅调制（ PAMPAM ）：）：通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。


Ts=NfTf

TfTfTf

Tc

Tf=NcTcTs

dn=1 dn=-1

二相调制（二相调制（ BPSKBPSK ）：）： BPSK 通过改变脉冲的正负极性来调制二元信

息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于 PPM的 3dB增益。


几种调制方式的比较 PAM和 PPM 共同的优点：可以通过非相干检测恢复信息。可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信

息传输速率。


PAM和 PPM 共同的缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。线谱不仅使超宽带脉冲系统的信号难于满足一定的频谱要求，而且会降低功率的利用率。

BPSK则可以避免线谱现象，并且是功率效率最高的脉冲调制技术。对于功率谱密度受约束和功率受限的超宽带脉冲无线系统， BPSK 是一种比较理想的脉冲调制技术。



多址技术是指把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒质，实现用户之间通信的技术

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。

2.3 UWB 的多址及扩频

2.UWB无线通信技术原理 2.3 UWB 的扩频为什么要多址扩频

2.UWB无线通信技术原理 2.3 UWB 的多址及扩频

实际的多址扩频技术有：跳时扩频 TH （ Time Hopping ）直接序列扩频 DS（ Direct Squence ）

多址扩频的优点 :多址接入隐蔽性和保密性好抗干扰性强，误码率低


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

Tf

1 2 ……6543

1 2 ……6543 Nf

Ts

……

Tc 发射信号

TS=NfTf

Tf=NcTc



跳时扩频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。



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

0 ( )r t 0 ( )r t

( )c t直接序列扩频

( )d t

( )c t

( )* ( )d t c t

0 ( )r t

( )c t


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。


直接序列扩频

( ) ( )c t c t



多址与调制方式相结合，可以得到 4种典型的超宽带脉冲序列：

TH-PAM 跳时扩频脉幅调制 TH-PPM 跳时扩频脉位调制 DS-PAM 直接扩频脉幅调制 DS-PPM 直接扩频脉位调制



跳时扩频脉幅调制 1

0 0

( ) ( ( ) )fN

p s f t j c nn j

s t E p t nT jT c T d

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} 。

Ts=NfTf

TfTfTf

Tc

Tf=NcTcTs

dn=1 dn=-1



跳时扩频脉位调制1

0 0

( ) ( ( ) )fN

p n s f t j cn j

s t E d p t nT jT c T

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} 。 Ts=NfTf

TfTfTf

Tc

Tf=NcTcTs

dn=0 dn=1


Ts=NfTf

Tf

Tc

Ts

dn=1 dn=-1

Tf

Tc


1

0 0

( ) ( ) ( )fN

p d j s f nn j

s t E c p t nT jT d

直接扩频脉幅调制

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} 。

0



1

0 0

( ) ( ) ( )fN

p n d j s fn j

s t E d c p t nT jT

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} 。

直接扩频脉位调制

Ts=NfTf

Tf

Tc

Ts

dn=0 dn=1

Tf

Tc



在 2002年 FCC 规定了 UWB 通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案MB-OFDM（MultiBand OFDM）

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 即正交频分复用技术 , 多载波调制

2.4 多频带超宽带


2005年 3 月，欧洲计算机制造商协会（ ECMA ）发布了基于 MB-OFDM 方案的ECMA-368和 ECMA-369 标准，于 2007 年通过 ISO认证，成为第一个 UWB 的国际标准。

规定了用于高速短距离无线网络的 UWB 系统的物理层与 MAC层的特性，使用频段为 3.1 ～ 10.6GHz ，最高速率可以达到480Mbit/s 。

ECMA-368 协议

2.4 多频带超宽带

（（ 11 ）帧结构）帧结构 ECMA-368协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（ PLCP ）前导、 PLCP头和物理层服务数据单元（ PSDU ）三部分组成的 PLCP协议数据单元（ PPDU ）。

PLCP（ Physical Layer Convergence Protocol ：物理层汇聚协议）PSDU（ PHY Service Data Unit ，物理层服务数据单元）PPDU（ PLCP Protocol Data Unit， PLCP协议数据单元）

2.UWB无线通信技术原理 2.4 多频带超宽带

PPDU 的数据经过编码调制过程后形成 OFDM时域信号，再经过射频发送到信道中。其中 PLCP 前导是时域信号，不用经过编和调制直接形成 OFDM 信号， PLCP头与 PSDU部分形成 OFDM符号的过程如图所示：

（（ 22 ）编码和调制）编码和调制

2.4 多频带超宽带2.UWB无线通信技术原理

在物理层上，该协议将频谱划分为 14 个带宽为528MHz 的子带，这 14 个频带又分为 5 组，其中前 4 组内各含有 3 个子带，第5 组内含有 2 个子带。

实际方案中，先期仅采用 3.168～ 4.752GHz的3 个子带，在每个子频带上，信息采用 128点IFFT/FFT的OFDM 调制。 IFFT 将信号从频域转换为时域， FFT 将信号从时域转换为频域。

（（ 33 ）子带划分）子带划分


（（ 33 ）子带划分）子带划分


（ 1 ）共存性能好（ 2 ）信道容量大，传输速率高（ 3 ）低功耗（ 4 ）信号衰减小，穿透能力强

（ 5 ）定位精度高（ 6 ）保密和安全性能好 (7) 工程简单

3. UWB 技术特点

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 .

3. UWB 技术特点 3.1 共存性能好

3. UWB 技术特点 3.2 、信道容量大，传输速率高

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。

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。

3. UWB 技术特点 3. 3 、低功耗

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。

3. UWB 技术特点 3. 4 、信号衰减小，穿透能力强

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。

3. UWB 技术特点 3. 5 、定位精度高

技术 GPS Bluetooth IEEE802.11 UWB

定位精度 5-20m 3m 3m 15cm

3. UWB 技术特点

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。

3.6 、保密和安全性能好

3. UWB 技术特点

在工程实现上， UWB 比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

　　 UWB 系统特点适合于高速移动环境下使用。更重要的是， UWB 通信又被称为是无载波的基带通信， UWB 通信系统几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，这样可以减小系统的复杂性，降低成本。可以说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的 UWB 通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。

3.7 工程简单

4 UWB技术应用

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。

4.1 、通信

4 UWB技术应用

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

4.2 、测距 , 定位

4 UWB技术应用

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。

4.3 、雷达、探测

结束语

Thank you !

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