物联网与短距离无线通信技术---第七章7.超宽带UWB

第七章7.超宽带UWB,-------不采用正弦波，利用纳秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据，频谱范围很宽-----主要应用在小范围，高分辨率，能够穿透墙壁，地面及身体的雷达和图像系统中----整合已经成熟的无线USB和无线1394等连接技术

　　　　　　定义：信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽大于25%，则该信号为超宽带信号----可使用的频段3.1-10.6GHz，规定UWB的系统最高辐射密度为-43.3dBm/MHz----

　　　　　　基于UWB的新技术和系统

　　　　　　　　1基于多带脉冲无线电超宽带IR-UWB系统

　　　　　　　　2基于直扩码分多址DS-CDMA的UWB系统

　　　　　　　　3基于多带正交频分复用MB-OFDM的UWB系统

　　　　　　　　　　UWB技术与其他短距离无线通信技术的比较

 

 

 UWB的技术特点：

　　　　　　1传输速率高，空间容量大-----可达1Gbps

　　　　　　2适合短距离通信-------功率仅为0.55mW，距离小于10米信道容量高于5GHz频段的VLAN-------距离超过12米的时候，UWB系统在信道容量上的优势将不复存在

　　　　　　3.具有良好的共存性和保密性------UWB系统辐射谱密极低（小于-41.4bBm/MHz）,具有很强的隐蔽性，很难被截获，提高通信保密性非常有利

　　　　　　4.多径分辨能力强，定位精度高------采用窄脉冲，时间和空间的分辨能力很强，具有很强的抗衰落能力，UWB信号可以分开无线信道的时间和频率并利用分集接收技术进行合并，超带宽无线电具有极强的穿透能力，由于室内或地下GPS定位系统无法覆盖，超短脉冲定位器可以给出相对位置，定位精度可达到厘米级

　　　　　　5.体积小，功耗低，------收发机器不需要复杂的载波调制/解调电路和滤波器，可以大大降低系统复杂程度，减少收发器体积和功耗

　　　　　　6.系统结构的实现比较简单-----UWB不使用载波，通过发送纳秒级脉冲来传输信号，不需要收发的上变频，不需要放大器与混频器，发射器低廉

　　一，UWB调制技术---------

　　　　　　1.脉位调制PPM----利用脉冲位置承载数据信息的调制方式----二进制（2PPM）和多进制（MPPM）

　　　　　　2.脉幅调制PAM------开关键控OOK和二进制相移键控BPSK（BPSK获得更高的传输可靠性，辐射谱中没有离散线谱）

　　　　　　3.波形调制PWSK----需要较多的成形滤波器和相关器，实现比较复杂，实际中用的很少，目前仅仅限于理论研究

　　　　　　4.正交多载波调制------在OFDM系统中，数据符号被调制在并行的多个正交载波上传输，调制和解调通过傅里叶变换实现，频谱利用率高，抗多径能力强，便于DSP实现等优点，OFDM技术广泛应用于广播，数字视频广播，WLAN等无线网络，位3G/4G蜂窝网的主流技术。

　　二，UWB多址技术

　　　　　　跳时多址THMA：

　　　　　　扩频-码分多址DS-CDMA：

　　　　　　跳频多址FHMA：

　　　　　　PWDMA：正交多脉冲提出的一种波分多址

　　三。UWB接收机的关键技术

　　　　　　UWB信道严重的频率选择衰落特征和UWB系统的低辐射功率限制对接接收机设计提出严峻挑战，为优化设计，必须对定时同步，信道估计，接收机结构等若干关键技术进行研究

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　UWB系统接收机原理图

　　　　　　　　定时同步：定时偏差和抖动严重影响接收机性能，分为捕获和跟踪两种，接收机快速搜索信号到达的时间，并根据搜索结果调整接收定时机，接收机对微小的定时偏差进行补偿以保持同步

　　　　　　　　瑞克接收：合并可分辨的多径信号能量，提高系统在多径衰落信道中的性能

　　　　　　　　信道估计：估计多径信号的到达时间和幅度，进行相干检测，估计信道频率响应

　　UWB的系统方案：-----需要考虑频带规划，调制与多址方案，共存性问题，系统复杂度，成本与功耗等问题

　　　　分为单频带和多频带两种体制-----在多频带中分为多带脉冲调制和多带正交频分复用OFDM--------单带系统-------多带系统

　　UWB技术的标准化：-----

　　　　　　DS-UWB方案，采用脉冲形式，持续时间极短的单周期脉冲，占空比极低，多径信号在时间上可分离的，具有很强的抗多径能力，在室内和地下进行精确定位

　

 

　　　　　　　需要实现精准定位必须增加PA和LNA放大器才能实现远距离传输

  　　MB-OFDM-UWB方案------多频带方式，技术上容易实现，频带利用率高，多个频带并行，可以避开某些频带，灵活配置，速率的扩展性好

　UWB的应用及研究方向-------通过降低数据率提高应用范围，

　　　　　　　　1.短距离高速无线多媒体智能局域网和个域网

　　　　　　　　2.智能交通系统----UWB无线通信和定位功能

　　　　　　　　3.军事，医疗，消防，测量，救援，公安等领域，用于定位，成像，应急通信，入侵检测

　　　　　　　　4.传感器网络和智能环境，包含生活环境，生产环境，办公环境