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超宽带基础知识

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超宽带无线通信技术课件

超宽带无线通信技术课件


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。
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。
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
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
p(t)
1
2 2
e
t2 2
2
2 e
2
t
2
2
高斯脉冲二阶导
w2 (t)
4 2
e
2 t 2
2
1
4 t 2
2
高斯脉冲各阶导数
原始的发送信息。
（a）发射部分
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 d(t)
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。c(t)
在接收端，射频信号经过变
频后输出中频信号，它与本 d(t)*c(t)
地的伪随机码进行时域相乘，
超宽带

超宽带

一\UWB技术是一种新型的无线通信技术。

它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。

超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

1 超宽带信号及其特点美联邦通信委员会(FCC)规定：部分带宽号称为UWB信号。

其中，部分带宽为信号功率谱密度在-10dB处测量的值。

图1为UWB信号与窄宽信号功率谱密度的比较；UWB信号格式如图2所示。

一种典型的脉位调制(PPM)方式的UWB 信号形式[1],[2]为：Str(k)(t)表示第k个用户的发射信号，它是大量的具有不同时移的单周期脉冲之和。

w(t)表示传输的单周期脉冲波形，可以为单周期高斯脉冲或其一阶、二阶微分脉冲，从该发射机时钟的零时刻(t(k)=0)开始。

第j个脉冲的起始时间为。

仔细分析每个时移分量：（1）相同时移的脉冲序列：形式的脉冲表示时间步长为Tf的单周期脉冲，其占空比极低，帧长或脉冲重复时间Tf(Frame Time)的典型值为单周期脉冲宽度的一百到一千倍。

类似于ALOHA系统，这样的脉冲序列极容易导致随机碰撞。

(2)伪随机跳时：为减少多址接人时的冲突，给每个用户分配一个特定的伪随机序列，称之为跳时码，其周期为Np。

跳时码的每个码元都是整数，且满足。

这样跳时码给每个脉冲附加了时移，第j个单周期脉冲的附加时移为秒。

由于读出单周期脉冲相关器的输出要占用一定的时间，NhTc/Tf应严格小于1。

然而如果NhTc 太小，那么多个用户接入时发生冲突的概率仍然会很大。

相反，如果NhTc足够大且跳时码设计合理，就可以将多用户干扰近似为加性高斯白噪声AWGN(AdditiveWhite Gauss Noise)信号。

由于跳时码是周期为Np的周期序列，那也为Np周期序列，其周期为Tp=NpTf。

跳时码的另外一个作用是使UWB信号的功率谱密度更为平坦。

超宽带综述

超宽带综述

一、超宽带信号的定义及其特点两个常用概念能量带宽：相对带宽：定义1990年美国军方首次提出“超宽带”这一概念，并规定在-20dB处的绝对带宽大于或相对带宽大于25%的任何信号均称之为超宽带信号。

2002年，FCC对美国军方的定义作了修改，规定信号-10dB绝对带宽大于或相对带宽大于、等于20%，就称之为超宽带信号。

这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射.超宽带技术的特点超宽带技术在历史上还有其他的名称，如脉冲无线电 (ImpulseRadio)，时域脉冲，无载波技术等。

上述名称反映了超宽带信号在时域上持续时间极短，在频域上覆盖了很宽的频带这个典型特点。

超宽带技术具有如下优势:(1)辐射谱密度低超宽带通信系统使用很低的功率谱密度发射信号，功率谱密度与窄带系统接收端的背景噪声电平持平。

因此，超宽带系统对窄带系统的干扰小，能与其他通信系统共享频谱资源。

此外，低的辐射谱密度使得信号的隐蔽性特别强，被截获和检测的概率低，保证了通信的安全性。

(2)传输速率高超宽带极窄脉冲信号的本质特点就是具有极宽的带宽，由香农信道容量公式可知，信道容量与带宽呈近似线性关系。

因此，超宽带系统具有很大的系统容量。

超宽带的这种特性非常适用于高速率数据传输的无线通信系统，理论的最大数据传输速率可达到1GbPs。

但是，由于辐射谱密度低，超宽带系统只能应用于10米内的短距离高速无线通信。

(3)多径分辨能力强在无线通信系统中，信道情况比较复杂，发射机和接收机之间存在许多障碍物。

发射信号经过多次反射、散射、绕射后经过不同的路径到达接收端。

由于经过不同路径的信号其幅度的衰减和时间的延迟都是不同的，所以在接收端这些信号的叠加会引起信号的衰落，窄带系统尤为严重。

在超宽带系统中，承载数据信息的是持续时间在纳秒级的时间离散窄脉冲，经多径反射的延时信号与直达信号在时间上是可以分离的。

因此，超宽带信号具有很强的分辨多径衰落能力。

(4)极宽的带宽一个基带极窄脉冲从时域经傅里叶变换到频域，其频率覆盖范围从直流(DC)到几个甚至十几个GHz的频率位置。

超宽带无线电基础

超宽带无线电基础

——信息被扩展到很宽的频谱上，故UWB系统 发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于FCC规定 的电磁兼容背景噪声电平（-41.3dBm—FCC Part15），所以对其他通信系统的干扰小，可以与 其他无线通信系统共享频谱资源。
power spectral density
dBm/MHz
80UWB技术可以被用作一种射频识别技术。将存储信 息的RAM和UWB芯片集成制造为智能标签，附到各 种物品上，再将UWB芯片集成到带CPU的阅读器或 搜索器上，就可以对各种物品进行智能识别、管理 了。
UWB在军事领域中的应用
由于UWB具有低截获率，最早应用于军事领域，如 雷达、战场上给士兵定位无线传感网。
到了二十世纪六十年代，随着采样示波器、雪崩晶体管、 隧道二极管的发明以及亚纳秒级脉冲发生技术的开发， 可以产生近似的冲激脉冲激励，从而微波网的冲激响应 可以直接进行观察和测量。冲激响应测量方面的研究导 致了基于脉冲的传输被应用于雷达和通信中（仅限于军 事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面）。到80 年代 后期， 该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无 线电。 美国国防部在1989 年首次使用了“超带宽”这一术语表 示脉冲无线电。
车载雷达：22~29GHz，另外，中心频率和最高辐射电 平点的频率必须大于24.075GHz。
FCC对超宽带设备的功率辐射限制
FCC对超宽带设备的功率辐射限制以EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）指标给出。所谓EIRP，即有 效全向辐射功率，是一个天线的输入功率与某个指定方 向天线增益的乘积相对全向天线的值。
IP
PAL
PAL
PAL
WiNET
WiMedia UWB Radio Platform MAC & Policies
超宽带技术(UWB)概述

超宽带技术(UWB)概述


UWB的特点
2、信道容量大，传输速率高
➢ 香农信道容量公式
C
W
log2 (1
S N
)
(b / s)
➢ 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。
• 时隔这么多年后，在最近七八年中其它先 进的无线技术如蓝牙技术、WiFi、WiMAX 都先后面世，UWB为什么会重出江湖并引 起如此密切的关注呢？
UWB：由来
• UWB技术特点与时代需求的结合
– 随着网络技术的发展，网络信息传输从以文字 为主过渡到以多媒体信息为主，因此对带宽的 要求就比较高；
– 从技术层面来说，可靠地传输视频图像所需的 数据传输速度超过了蓝牙与WiFi的能力；
➢ 例如基于UWB技术的无线USB 2.0，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
非正弦波形传输
传统无线发射信号
UWB发射信号
Signal1
Signal2
时域共享
Signal1
Signal2
超宽带概要

超宽带概要

超宽带系统概要1 目前无线通信技术从涵盖范围来划分主要分为无线个域网（Wireless Personal Aera Network,WPAN ）、无线局域网(Wireless Local Aera Network ，WLAN)、无线城域网(Wireless Metropolian Aera Network ，WMAN)、无线广域网(Wireless Wide Aera Network ，WWAN)四类。

WPAN 是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新型无线通信网络技术。

超宽带是一种适用于WPAN 的无线技术。

美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission ，FCC ）对超宽带的定义：相对带宽大于20%或绝对带宽大于500MHz ，并满足其对信号功率谱密度的限制要求。

FCC 将超宽带系统的带宽限制在 3.1～10.6GHz 频带内，并要求其等效各向同性辐射功率（Equivalent Isotropic Radiated Power,EIRP ）限制在-41.3dBm/MHz 以下。

超宽带通信系统的实现方式：脉冲无线电（传统）和载波调制（主流的延伸）。

常见的超宽带通信体制：脉冲无线电（Impulse Radio ，IR ）（经典）、直接序列扩频超宽带（Direct Sequence Ultra Wide Band ，DS-UWB ）、多带正交频分多路复用（Multi-Band OFDM Alliance ，MBOA ）。

脉冲无线电（IR ）时域宽度为纳秒级或压纳秒级，占空比很低，不需经过频谱搬移。

脉冲超宽带的特性（IR-UWB ）：1>支持高数据速率或系统容量超宽带脉冲持续时间短，可以通过调整跳时多址接入方式中的占空比（提高）或DS 多址接入方式中的序列长度（降低）实现高速率。

2>定位精度高，探测能力强超宽带信号的时间分辨能力直接决定了信号到达时间（Time Of Arrival ，TOA ）估计的精确度，通常用克拉美-劳下界（Cramer-Rao Low Bound ，CRLB ）衡量。

什么是超宽带

什么是超宽带

什么是超宽带推荐文章如何解除网络宽带限制热度：如何解决家里宽带IP变成内网地址热度：电脑开机后宽带连接很慢怎么解决热度： win10怎么解除宽带限制热度：光纤宽带怎么修改密码热度：超宽带(Ultra-wideband，简称UWB)是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通讯技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络(WPAN)、家庭网络连接和短距离雷达等领域。

它不采用连续的正弦波(sine waves)，而是利用脉冲讯号来传送。

下面店铺与大家分享一下什么是超宽带。

什么是超宽带UWB技术是一种新型的无线通信技术。

它通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。

超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

UWB的优点与其他无线通信技术相比,UWB具有许多优点。

表1将UWB技术与其他无线局域网技术进行了比较。

UWB技术的特点有：传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低、成本低。

UWB通过改变脉冲的幅度、间距或者持续时间来传递信息。

与窄带收发信机和蓝牙收发信机相比,UWB不需要产生正弦载波信号, 可以直接发射冲激脉冲序列,因而具有很宽的频谱和很低的平均功率,有利于与其他系统共存,提高频谱利用率。

UWB不需要正弦波调制和上、下变频,也不需要本地振荡器、功放和混频器等,因此体积小,系统的结构比较简单。

UWB信号的处理也比较简单,只需使用很少的射频或微波器件,射频设计简单,系统的频率自适应能力强。

可以将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上,再加上时间基和控制器,就可以构成一部UWB通信设备。

因此,它的成本可以大大降低。

由于UWB信号采用了跳时扩频,其射频带宽可以达到1GHz以上,它的发射功率谱密度很低,信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中,用传统的接收机无法接收和识别,必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此增加了系统的安全性。

超宽带(UWB)技术

超宽带(UWB)技术

一、UWB技术简介UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。

超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它开发了一个具有对信道衰落不敏感;发射信号功率谱密度低，有低截获能力，系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点。

UWB尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。

虽然超宽带的描述并不详细，它确实有助于将这项技术与传统的“窄带”系统分隔开，或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的“宽带”系统。

关于超宽带和其它的“窄带”或者是“宽带”主要有两方面的区别。

一是超宽带的带宽，在美国联邦通信委员会(FCC)所定义比中心频率高25%或者是大于1.5G赫兹。

很清楚，这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。

二是，超宽带典型的用于无载波应用方式。

传统的“窄带”和“宽带”都是采用无线电频率(RF)载波来传送信号，频率范围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。

相反的，超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的“脉冲”，这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。

UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。

当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，形象地说，这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时，水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。

几乎所有的无线通信包括移动电话、无线局域网的通信都是这样的:用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。

与此相比，UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样，它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。

UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。

这些脉冲都是经过精确计时的，每个只有几个毫微秒长，脉冲可以覆盖非常广泛的区域。

脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的，脉冲本身可以代表数字通信中的0，也可以代表1。

超宽带基础知识

超宽带基础知识


数学表达式：当调制信息为ai，i=0,1,2,...，调制信号为：
s(t )
k
a

k
p(t kTf )
f
列。
p(t kT ) 其中，p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期； 是脉冲序
k
优点：物理实现简单，只需一个匹配滤波器和一个脉冲发生器。
可以使用非相干解调。 缺点：误码性能不是最好。
高斯脉冲及其各阶导数：
高斯函数表达式：
为了简化表达式，令
，则高斯函数表示为
α 为高斯脉冲成形因子。 α 增大，脉冲幅度减小，脉 冲宽度增加。
高斯脉冲各阶导数波形：
波形分析： 从时域波形来看，高斯脉冲导数的阶数越高，脉冲的峰值 越多，过多的峰值不利于信号的检测和捕获，也不利于波形的 实现。 高斯脉冲含有较高的直流分量，不利于信号辐射。但其k阶 导数直流分量为零，信号能有效辐射。 使用高斯脉冲的原因： 超宽带脉冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲 的信号。 使用高斯脉冲分析简便。
补零前缀作用：使得系统抗多径能力增强且降低发射机频率。
M是所用子带数。
OFDM 主要思想：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换 成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正 交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少 子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于 信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落， 从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是 原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 码元组成：MB-OFDM系统采用时隙编码，每个OFDM码前插有补 零前缀，码后有保护时隙。
a 当采用二进制PAM（设调制信息为：1 , a2）时，在AWGN信道下的二进制
超宽带(UWB)无线通信技术详解

超宽带(UWB)无线通信技术详解

3.4PSWF正交脉冲
PSWF脉冲是一类近似的“时限-带限”信号，在带限信号分析中有非常理想的效果。
与Hermite脉冲相比，PSWF脉冲可以直接根据目标频段和带宽要求进行设计，不需要复杂的载波调制进行频谱般移。因此，PSWF脉冲属于无载波成形技术，有利于简化收发信机复杂度。
(3)具有良好的共存性和保密性
由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。
超宽带（UWB）无线通信技术详解
近年来，超宽带(UWB)无线通信成为短距离、高速无线网络最热门的物理层技术之一。
1 UWB的产生与发展
超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-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。此后，超宽带这个术语才被沿用下来。
PPM的优点在于：它仅需根据数据符号控制脉冲位置，不需要进行脉冲幅度和极性的控制，便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此，PPM是早期UWB系统广泛采用的调制方式。但是，由于PPM信号为单极性，其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。如果不对这些谱线进行抑制，将很难满足FCC对辐射谱的要求。
(2)脉幅调制
超宽带技术及应用

超宽带技术及应用


UWB的主要信号形式
• 1.基带窄脉冲形式
• 2.调制载波形式
基带窄脉冲形式
• 基带窄脉冲形式是超宽带通信最早采用的信号形式。其宽 度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。通常通 过脉冲位置调制（PPM)、脉冲极性调制或脉冲幅度调制 (PAM)等调制斱式携带信息。窄脉冲可以采用多种丌同的 波形，如高斯波形、升余弦波形式等。
UWB的主要功能
• 1.无线通信 进行高速无线通信时，传输距离较近，一般在10到20米左 右，进行较低的速率无线通信和定位时，传输距可更远 • 2.精准定位 超宽带采用基带脉冲斱式时，具有较强的透视功能，可以 穿透数层墙壁进行通信，成像或定位。
UWB的主要运用
• • • • 1.无线多媒体局域网、家域网、个域网 2.无线传感网 3.智能交通系统
• 通过调制载波，可将超宽带信号搬移到合适的频段进行传 输，从而可更加灵活、有效地利用频谱资源。同时，调制 载波系统的信号处理斱法不一般通信系统采用的斱法类似， 技术成熟度高，在目前的工艺条件下，比基带窄脉冲形式 更容易实现高速系统
UWB技术的优点
• 1.超宽带技术不其他系统共享的斱式使用频谱，防干扰度 高 • 2.超宽带的传输速率高，系统相对简单、成本低，功耗低 • 3.超宽带信号衰减较小，穿透力强 • 4.超带宽所能实现的定位精度很高
超宽带技术及应用
超宽带（UWB）的基本定义
• UWB技术是一种新型的无线通信技术。它通过对具有很 陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有 GHz量级的带宽。
• 超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播斱面 的重大难题，它具有对信道衰落丌敏感、发射信号功率谱 密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定 位精度等优点。

超宽带(UWB)技术


微波通信
输出信号s(t)可表示为：
s(t )
j

d

j
p(t jTs )
若使用PPM调制器代替PAM调制器，得到的信号可表示为：
d j 1 s(t ) p(t jTs ) 2 j
UWB 技术采用脉冲位置调制(PPM )单周期脉冲来携带信息和 信道编码,一般工作脉宽为0. 1～1.5 ns,重复周期为25～1 000 ns 。
微波通信
批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要包括以下3 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) ；家电设备及便携设备之间 的无线数据通信( communication and measurements system) 。 1、UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定 位，例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。 UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战 士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位 置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统.它能够提供突 发且高达100Mbps 的信息服务,其信息内容包括路况信息、建筑物 信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。
微波通信
典型高斯单调周期脉冲的时域和频域如下图所示。
实际通信中使用一长串的脉冲,周期性重复的单脉冲时域和频域 特性如下图所示。
微波通信
频谱中出现了强烈的能量尖峰,这是由于时域中信号重复的周期 性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号 构成干扰,而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带有用信息。改 变时域的周期性可以减低这种尖峰,即采用脉冲位置调制(PPM ) 。

《超宽带无线电基础》课件

超宽带无线电系统的传输性能受 到信道衰落、干扰和抗噪声等因 素的影响。
四、未来的发展趋势
超宽带无线电技术将会迎来技术革新、应用推广以及产业竞争。
1 技术革新
2 应用推广
3 产业竞争
随着技术的不断进步，超宽 带无线电将会在传输速率和 稳定性方面得到进一步提升。
超宽带无线电技术将在更多 领域得到应用，例如智能家 居、自动驾驶和物联网等。
应对课程中的问题和学习者 的疑问，进行问答环节，进 一步巩固知识。
随着超宽带无线电技术的普 及，相关产业将出现激烈的 竞争，推动技术的进一步突 破。
五、总结
1 重点回顾
超宽带无线电是一种采用宽 带信号进行无线通信的新兴 技术，具有高速传输和抗干 扰能力。
2 学习建议
为了更好地掌握超宽带无线 电技术，建议深入研究调制 技术、传输模式和天线设计 等关键要素。
3 Q&A
特点
超宽带无线电具有高速数据传输、抗干扰能力强以及低功耗等特点。
应用
超宽带无线电被广泛应用于高速数据传输、室内定位、雷达系统等领域。
二、超宽带无线电技术
超宽带无线电技术涉及调宽带无线电通过使用特定的调制方式将信息转换为宽带信号进行传输。
2
传输模式
超宽带无线电可以使用单向传输或双向传输模式，根据应用需求进行选择。
《超宽带无线电基础》PPT课 件
让我们一起深入了解超宽带无线电技术，探索其定义、特点、应用、技术以 及系统原理，展望未来的发展趋势，并总结重点知识。
一、什么是超宽带无线电
超宽带无线电是一种新兴的无线通信技术，其以非连续的、具有极宽带宽的信号进行信息传输。
定义
超宽带无线电采用大带宽信号进行无线通信，传输信息的能力更高。

超宽带基础知识分解课件

扩频调制
超宽带信号也可以采用扩频调制方式，通过将信号扩展到更 宽的频带范围内来提高信号的抗干扰能力和保密性。
超宽带无线通信系统
03
超宽带无线通信系统的组成
01
信号发射器
用于产生超宽带信号，并将其发送到空中。
02
信号接收器
用于接收超宽带信号，并将其转换为可处理的信息。
03
天线
用于传输和接收超宽带信号，实现信号的定向传播和接 收。
05 超宽带技术的应用实例
智能交通系统中的超宽带技术应用
总结词
智能交通系统中的超宽带技术应用主要表现在车辆定位、车速检测和交通信号控 制等方面，提高了交通效率和安全性。
详细描述
超宽带技术利用其高精度测距和低功耗的特性，在智能交通系统中实现车辆的精 确定位和车速检测，为交通信号控制提供了实时、准确的数据支持。这有助于减 少交通拥堵，提高道路使用效率，并增强行车安全性。
D
超宽带技术的挑战
频谱限制
超宽带技术使用的频谱受到严格限制，需要 获得相关部门的许可才能使用。
与其他无线通信技术的竞争
超宽带技术在市场上面临来自WiFi、蓝牙等 其他无线通信技术的竞争。
穿透能力和覆盖范围有限
超宽带信号容易受到障碍物的阻挡，穿透能 力和覆盖范围有限。
设备成本
超宽带技术的设备成本相对较高，可能会影 响其普及和应用。
02 超宽带信号的产生与传播
超宽带信号的产生方式
脉冲产生
超宽带信号通常由短的脉冲信号 组成，这些脉冲信号可以通过不 同的方式产生，如高斯脉冲、洛 伦兹脉冲等。
合成方法
超宽带信号可以通过多种合成方 法产生，如脉冲合成、频率合成 等，这些方法能够生成具有特定 频谱特性的信号。

超宽带技术概述

超宽带（UWB）技术一、UWB技术简介UWB(Ultra Wide Band)是一种短距离的无线通信方式。

其传输距离通常在10m以内，使用1GHz以上带宽，通信速度可以达到几百Mbit/s以上。

UWB不采用载波，而是利用纳秒至微微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，适用于高速、近距离的无线个人通信。

美国联邦通讯委员会(FCC)规定，UWB的工作频段范围从3.1GHz到10.6GHz，最小工作频宽为500MHz。

超宽带传输技术和传统的窄带、宽带传输技术的区别主要有如下两方面：一个是传输带宽，另一个是是否采用载波方式。

从传输带宽看，按照FCC的定义：信号带宽大于1.5G或者信号带宽与中心频率之比大于25％的为超宽带。

超宽带传输技术直接使用基带传输。

其传输方式是直接发送脉冲无线电信号，每秒可以发送数1O亿个脉冲。

然而，这些脉冲的频域非常宽，可覆盖数Hz～数GHz。

由于UWB发射的载波功率比较小，频率范围很广，所以，UWB对传统的无线电波影响相当小。

UWB的技术特点显示出其具有传统窄带和宽带技术不可比拟的优势。

二、UWB技术的发展历程现代意义上的超宽带UWB 数据传输技术，又称脉冲无线电( IR ， Impulse Radio) 技术，出现于1960年，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。

通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究， UWB 技术在70 年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。

到80 年代后期，该技术开始被称为"无载波"无线电，或脉冲无线电。

美国国防部在1989 年首次使用了"超带宽"这一术语。

为了研究UWB在民用领域使用的可行性，自1998 年起，美国联邦通信委员会( FCC) 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，在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，FCC 仍开放了UWB 技术在短距离无线通信领域的应用许可。

超宽带定义与特性分析报告

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一、超宽带的定义超宽带（Ultra-Wideband,UWB）是一种无线通信技术，利用极宽的频谱带宽进行数据传输。

相较于传统的窄带和宽带技术，超宽带技术具有更高的数据传输速率、更低的功耗以及更强的抗干扰能力。

超宽带技术在精确定位、无线通信、雷达探测等领域具有广泛的应用前景。

（一）超宽带的基本原理超宽带技术通过发送和接收具有极宽频谱的信号来实现通信。

这些信号的带宽通常大于500MHz,或者相对带宽（即信号带宽与中心频率之比）大于20%。

超宽带信号可以采用脉冲无线电（ImPUlSeRadiO）或多频带正交频分复用（MB-OFDM）等方式产生。

1、脉冲无线电：脉冲无线电是超宽带技术的一种实现方式，它通过发送极短时间的脉冲信号来传输数据。

这些脉冲信号的持续时间通常在纳秒级别，具有极宽的频谱。

接收端通过检测脉冲信号的到来时间以及幅度等信息来恢复原始数据。

2、多频带正交频分复用：MB-OFDM是另一种超宽带实现方式,它将可用频谱划分为多个正交子载波，并在每个子载波上进行数据调制。

通过采用先进的信号处理算法，MB-OFDM可以实现高速数据传输和较低的误码率。

（二）超宽带的特性1、高数据传输速率：由于超宽带信号具有极宽的频谱带宽，因此可以实现非常高的数据传输速率。

这使得超宽带技术在需要传输大量数据的场景下具有优势，如高清视频传输、实时数据采集等。

2、低功耗：超宽带技术采用脉冲无线电或多频带正交频分复用等高效调制方式，使得在相同传输速率下，相较于其他无线通信技术，具有更低的功耗。

这有利于实现更长的设备续航时间，适用于物联网、可穿戴设备等低功耗应用场景。

3、强抗干扰能力：超宽带信号的宽频带特性使其具有较强的抗干扰能力。

在复杂的电磁环境下，超宽带技术可以保持稳定的通信性能，降低误码率。

超宽带技术

1 引言首先什么是超宽带？我们对信号基于其相对带宽的划分：相对带宽的定义：Bf二BW/fc（中心频率）*100%=fh-fl/fh+fl/2窄带Bf<1%宽带1<Bf<20%超宽带Bf>20%2页超宽带通信和其它通信技术的根本不同在于，它在发射机和接收机之间采用非常窄的射频脉冲进行通信。

超宽带通信并不是一项全新的技术，现在让我们来了解一下它的发展简史！事实上早在1901 年就被马可尼采用，他通过使用火花隙发射机来发射莫尔斯码序列穿越大西洋。

火花隙实质上就是带宽很宽大的窄脉冲。

但是当时人们并没考虑到大带宽的好处以及实现多用户通信系统的能力。

在马可尼之后约50 年，基于脉冲的现代发射机以脉冲雷达的形式在军事应用中获得了动力。

从上个世纪60 年代到90 年代，该技术作为机密项目，一直被限制为军队和国防部的应用。

然而，近代微处理器级及半导体技术中的快速切换技术的进步，使得超宽带技术的商业应用已经具备一切条件。

在过去的几年，将超宽带技术商业化的兴趣不断增加，超宽带系统的开发者们开始向美国联邦通信委员会施加压力，促使其同意超宽带技术的商用。

因此2002年 2 月，美国联邦通信委员会通过了超宽带技术的各种设备在严格功率辐射限制下的商用的初期报告和规则；3页下面介绍一下UWB 的相关概念。

超宽带系统不使用载波，采用低占空因子的、短持续期、脉冲来发射和接收信息。

占空因子的定义就是脉冲出现的时间和总的传输时间之比！。

低占空因子保证了超宽带通信非常低的平均功率。

也就决定了，短时超宽带脉冲具有非常宽的带宽和非常低的发射功率。

这直接转化为手持设备较长的电池寿命！4页下面我们看一个超宽带脉冲的例子！第一幅图显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性，脉冲周期为0.5ns 图中脉冲的中心频率在f=1/T=2GHz。

第二幅图是实际通信中使用的周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。

我们从频谱图中看到，很多强烈的能量尖峰，这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。

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上式不满足正交性，修正的Hermite多项式的表达式：
hn
t
t2
e
h4 en
t
1
t2
ne4
dn dt n
t2 e 2
n取不同的值（1，2，3，…）可以得到一组相互正交的脉冲：
t2
h0 t e 4
h1
t
te
t2 4
h2 t
t2 1
t2
e4
h3
t
t3 3t
t2
使用高斯脉冲的原因：
超宽带脉冲发生器最容易产生的信号就是类似于高斯脉冲 的信号。
使用高斯脉冲分析简便。
已有的高斯脉冲种类
▪ Gaussian monocycle，类似于高斯脉冲的一阶导数，其表达式为
p t 2 et e2 t tm 2
tm
▪ Scholtz’s monocycle，类似于高斯脉冲的二阶导数，其表达式为
fH fL 500 MHz
式中：fH、fL分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端 频率和低端频率。fc是载波频率或中心频率。
频率范围：3.1~10.6GHz
各向同性发射功率谱密度（EIRP） 小于-41.3dBm/MHz
2）分类
▪ 脉冲无线电（Impulse Radio）：采用冲击脉冲（超短脉冲 ）作为信息载体的无线电技术。
目录：
1、超宽带系统的基本原理 1）概念 2）分类
2、超宽带系统的波形 3、超宽带系统的调制方式 4、超宽带系统的传播特性及信道模型 5、超宽带系统的接收技术
Page ▪ 2
1、超宽带系统的基本原理
1）概念
▪ 超宽带无线电是指具有很高带宽比的无线电技术。 ▪ FCC定义:
f H f L 20 % 或 fc
可以使用非相干解调。
▪ 缺点：误码性能不是最好。
不适合在室内密集多径的环境中使用。
▪ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ假如发送序列{ai}是独立同分布的随机变量，则其功率谱密度如下：
2
S (
f
)
2 a
Tf
P(
f
)
2
a2
T
2 f
P( k ) ( f k )
Tf
Tf
其中 a
和
2 a
分别是调制信号 ai
的均值和方差，P(
f
[Hz]
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 1 -1 [Hz]
0 H4(f)
1 [Hz]
0 H2(f)
1 [Hz]
Hermite多项式脉冲的幅度谱
Hermite多项式脉冲可以看成是时限信号，也可以看成频限 信号，满足UWB脉冲的基本要求。
由于不同阶的Hermite多项式脉冲满足正交性，它可用在多 用户UWB 系统中，将不同阶数的Hermite脉冲分配给不同的用 户，可有效地抑制多址干扰。这是Hermite脉冲优于其他脉冲 的地方。
b、为了保证脉冲能量的有效辐射，希望其直流分量为零。这 一点不是绝对的当脉冲直流分量不为零时，可采用双极性调制 ，总的发射脉冲的直流分量为零。
c、满足FCC的频谱掩蔽要求，对于发射脉冲信号的超宽带系 统，其发射信号的功率谱主要由发射脉冲波形的功率谱决定， 因此超宽带系统的脉冲波形频谱应满足FCC功率谱密度敷设限 制（即频谱掩蔽），避免对其他通信系统造成干扰。
3、波形的调制方式
▪ 脉冲调制方式 1、基本调制方式 1）脉冲幅度调制 2）开关键控 3）BPSK 4）脉冲位置调制 2、脉冲间隔调制 3、脉冲波形调制 4、M进制双正交键控
▪ 多频带脉冲调制 1、频谱键控 2、其他方式：脉冲串行和脉冲并行
▪ OFDM
几种基本调制方式的示意图
脉冲幅度调制（PAM）
0
1
h4 x 10-8[s]
Hermite多项式脉冲的时域波形
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 -1
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 -1
0 H0(f)
0 H3(f)
Frequency domain
1
1
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0 1 -1 [Hz]
0 H1(f)
0 1 -1
p t
e2π
t tm
2
1
4π
t tm
2
▪ 高斯脉冲五阶导数，为满足FCC的频谱要求而提出
p
t
t5
2 11
10t 3
2 9
15t
2
7
e
t2 2
2
▪ Hermite多项式脉冲分析：
Hermite多项式的形式为：
he0
hen
1
1n
t2
e2
dn dt n
t2 e 2
▪ 多频带UWB：将可用的UWB频谱划分成若干个子带，每个子带宽 度不小于500MHz通信时可根据信息速率、系统功耗的要求以及 与其他系统共存的要求等，动态的使用部分或全部子带。
2、超宽带系统的波形
▪ 最简单、最通用的超宽带波形是单周期脉冲信号。
▪ 超宽带脉冲波形的设计原则：
a、脉冲宽度纳秒级，确保占用超宽带的频谱。
▪ 高斯脉冲及其各阶导数：
高斯函数表达式：
为了简化表达式，令
，则高斯函数表示为
α为高斯脉冲成形因子。 α增大，脉冲幅度减小，脉 冲宽度增加。
高斯脉冲各阶导数波形：
波形分析：
从时域波形来看，高斯脉冲导数的阶数越高，脉冲的峰值 越多，过多的峰值不利于信号的检测和捕获，也不利于波形的 实现。
高斯脉冲含有较高的直流分量，不利于信号辐射。但其k阶 导数直流分量为零，信号能有效辐射。
e4
h4 t
t 4 6t 2 3
t2
e4
Time domain
1
1
1
0.5
0.5
0.5
0
0
0
-0.5
-0.5
-0.5
-1
-1
-1
0
1
-1
h0
x 10-8[s]
1
1
-1
0
1
-1
h1 x 10-8[s]
0
1
h2 x 10-8[s]
0.5
0.5
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1
0
1
-1
h3 x 10-8 [s]
▪ 定义：把信息调制在脉冲幅度上的方式 ▪ 数学表达式：当调制信息为ai，i=0,1,2,...，调制信号为：
s(t) ak p(t kTf ) k
其中，p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期；
p(t kTf )
k
是脉冲序
列。
▪ 优点：物理实现简单，只需一个匹配滤波器和一个脉冲发生器。
▪ 数学表达式：
s(t )
bk p(t k Tf )
k
其中，bk∈{0,1}是调制信号；p（t）是基本脉冲信号；Tf是脉冲周期。
)2
是基本脉冲信号的功率谱密度。
当采用二进制PAM（设调制信息为：a1, a2）时，在AWGN信道下的二进制 PAM相干接收的误码率性能为：
Pe Q(
(a2
2(
2 a
a1 )2
a2 )
Eb N0
)
开关键控（OOK）
▪ 定义：当调制数据是“1”的时候，发送脉冲信号；当调制数据为“0”的时候，不 发送脉冲信号。