超寬帶（UWB）無(wú)線通信技術(shù)

IntroductiontoUWBWirelessTechnology2005年7/8/20251內(nèi)容提要什么是超寬帶？定義波形特征超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖形式帶通調(diào)制載波形式超寬帶技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的研究課題超寬帶技術(shù)的早期歷史結(jié)束語(yǔ)7/8/20252BackgroundUtra-Wideband(UWB)auniquetechnologyrecentlypermittedbyFCCforuseincommercialcommunicationswellsuitedforhighspeed,shortrange,wirelesspersonalareaconnectivityforPC,CE,andmobiledevices7/8/20253什么是超寬帶？Ultra-Wideband,UWB7/8/20254UltraWideBandUltraWideBand

(UWB):theuseofextremelyshortdurationpulses(subnanosecond)insteadofcontinuouswavestotransmitinformation.?Thepulsedirectlygeneratesaverywideinstantaneousbandwidthsignalaccordingtothetime-scalingpropertiesoftheFouriertransformrelationshipbetweentimeandfrequency.(OccupiedB>>InformationBandwidth)7/8/20255什么是超寬帶？（續(xù)）超寬帶：UltraWideBand，簡(jiǎn)稱UWB技術(shù)也稱為脈沖無(wú)線電(IR:ImpulseRadio)技術(shù)它是利用納秒級(jí)非正弦極窄脈沖，而不是利用連續(xù)載波發(fā)射無(wú)線信號(hào)的技術(shù)2002年2月14日，首次獲得美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)

批準(zhǔn)用于民用通信7/8/20256DefinitionofUWB?FCCDefinitionofUWB–Fractionalbandwidth(measuredatthe-10dBpoints),(fH-fL)/fc,>20%ortotalB>500MHz.?CommonDefinitions–UWB:Fractionalbandwidth=(fH-fL)/fc>25%ortotalB>1.5GHz.–Narrowband:(fH-fL)/fc<1%.7/8/20257FCC關(guān)于UWB的定義定義相對(duì)帶寬Br大于20%或絕對(duì)帶寬大于500MHz相對(duì)帶寬定義為信號(hào)帶寬與中心頻率之比這一定義還可能再修改一開(kāi)始的定義是Br大于25%或帶寬大于1.5GHz7/8/20258波形特征用于多址通信的UWB信號(hào)載體為周期性單周脈沖序列單脈沖使用持續(xù)時(shí)間為0.5~20ns的高斯形脈沖或方波脈沖A：脈沖峰值幅度

：決定脈沖寬度的常數(shù)7/8/20259下圖是一個(gè)寬度

=0.5ns,幅度A=108的一個(gè)單脈沖波形7/8/202510單脈沖的頻譜為：fc＝1/

是脈沖的中心頻率

7/8/202511圖1

單脈沖的時(shí)域圖

圖2

單脈沖的功率譜圖7/8/202512UWB有別于傳統(tǒng)的窄帶(narrowband)和寬帶(wideband)。相對(duì)帶寬小于1%的都稱為窄帶，相對(duì)帶寬在1%到25%之間的稱為寬帶。如:某UWB系統(tǒng)，最高頻率5.5GHz，最低頻率為3.1GHz，其相對(duì)帶寬為55.8％，而3GW-CDMA頻譜分配為例，其相對(duì)帶寬為5MHz/2200MHz＝0.23％。7/8/202513傳統(tǒng)系統(tǒng)在信號(hào)的傳輸過(guò)程中通過(guò)射頻（RF）載波或多射頻（RF）載波的傳輸波來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制；而UWB是無(wú)載波的，它可利用起、落尖銳的時(shí)域脈沖(幾十納秒的數(shù)量級(jí))直接實(shí)現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過(guò)程放在一個(gè)非常寬的頻帶上進(jìn)行，過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。7/8/202514?UWBpulsetransmitteddirectly?Hasno“carrierorcenterfrequency”?Requireswidebandantennas?Spectrumcontroldifficult(occupiesfrequenciesfromnearDCtoafewGHz)7/8/202515UWB的本質(zhì)特點(diǎn)美國(guó)FCC的定義和規(guī)范關(guān)于UWB的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)在極寬的頻帶中進(jìn)行通信，并為避免對(duì)其它系統(tǒng)造成干擾，發(fā)射功率受到嚴(yán)格的限制7/8/202516信道容量C與帶寬B是線性關(guān)系，而與信噪聲比SNR的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，故UWB技術(shù)能夠在具有更高數(shù)據(jù)傳輸率的同時(shí)，保持很低的能耗。shannon公式：

其中：C=通道容量（bps）

B=信道帶寬（Hz）

SNR=信號(hào)噪聲功率比=P/(B×N0)P=接收信號(hào)功率(Watts)N0＝噪聲功率譜密度(Watts/Hz)C=Blog2(1+SNR)7/8/2025177/8/202518Notice:ChannelcapacityimprovementonlyatlimitedrangeduetothelowpowerlevelsallowedbyFCC.7/8/202519AdvantagesofUWB?LowPowerConsumption?Lowcost:nearly"all-digital",withminimalRFelectronics.?Alowprobabilityofdetection(LPD)signature(信號(hào)).?IntegratedServices:CommunicationsandRadar(雷達(dá)).?Communications–Extremelyhighdatarateperformanceinmulti-usernetworkapplications.–Relativityimmune(免疫的)tomultipathcancellationeffectsasobservedinmobileandin-buildingenvironments.–Lowinterferencetoexistingnarrowbandsystemsduetolowpowerspectraldensity.Tuesday,July8,202520WhyisUltra-widebandUseful?–WirelessCommunicationsSystems?LocalandPersonalAreaNetworks(LAN/PAN)?RoadsideInfo-station?Shortrangeradios?MilitaryCommunications(軍事通信)–RadarandSensing?VehicularRadar(車載雷達(dá))?GroundPenetratingRadar(GPR)?ThroughWallImaging(Police,Fire,Rescue)?MedicalImaging?Surveillance(監(jiān)視)–LocationFinding?Precision(精確)location(GPSaid)7/8/202521Networking?PersonalAreaNetworking(PAN),connectingcellphones,laptops(膝上電腦),PDAs(PDA:abbr.PersonalDigitalAssistant個(gè)人數(shù)字助理),cameras,MP3players.–MuchhigherdataratesthanBluetoothor802.11.?Canbeintegratedintoautomotivein-carservicesandentertainment.–DownloaddrivingdirectionsfromPDA/laptopforusebyon-boardnavigationsystemusingGPS.–Downloadmusicandvideosforpassengerentertainment.7/8/202522InformationServices?Roadside‘markers’containingUWBtransmitters.–Shortburstofveryhighratedata(100sofMbpsfor1-3secatatime)–Messagescouldcontainroadconditions,construction,weatheradvisories.–Allowforemergencyassistancecommunication.7/8/202523VehicularRadarCollisionAvoidance/Detection?Driveraid/alerttoavoidcollisions.?Resolutiontodistinguishcars/people/animals/polesonornearroadRoadConditionsSensing?Theresolutiontosenseroadconditions.?Informationtodynamicallyadjustsuspension(暫停),braking(剎車),andotherdrivesystems.7/8/202524FCC關(guān)于民用UWB設(shè)備的規(guī)范(2)穿墻成像監(jiān)視系統(tǒng)(3)室內(nèi)系統(tǒng)(4)室外手持設(shè)備(1)探地雷達(dá)墻內(nèi)成像醫(yī)療成像7/8/202525FCC關(guān)于民用UWB

設(shè)備的規(guī)范（續(xù)）EIRP<-41.25dBm/MHzEIRP：等效各項(xiàng)同性發(fā)射功率基本通信頻帶0–960MHz和3.1–10.6GHz其它國(guó)家和地區(qū)（如歐洲、新加坡等）考慮制定的規(guī)范與FCC的規(guī)范會(huì)稍有不同我國(guó)尚未制定相關(guān)的規(guī)范7/8/202526關(guān)于UWB的一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)UWB通信就是基帶窄脈沖通信調(diào)制載波的UWB系統(tǒng)與常規(guī)通信系統(tǒng)一樣，沒(méi)有什么特別的地方UWB通信的距離都非常近（10米以內(nèi)）UWB通信的頻帶就是FCC規(guī)定的0–960MHz和3.1–10.6GHZ，或在其附近可以是調(diào)制連續(xù)載波的方式，只要滿足相關(guān)的定義雖然都采用DS、OFDM等技術(shù)，但在使用頻譜的方式上有本質(zhì)的不同，由此帶來(lái)實(shí)現(xiàn)方式、技術(shù)難點(diǎn)、系統(tǒng)性能、適用領(lǐng)域的諸多不同在特殊的場(chǎng)合，放寬發(fā)射功率的限制，即可增大通信距離只要滿足相關(guān)的定義，就可以算是超寬帶，包括有線通信和無(wú)線通信，微波通信、光通信中很多都可算是超寬帶，只是我們一般研究10.6GHz以下的超寬帶無(wú)線通信7/8/202527內(nèi)容提要什么是超寬帶？超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖形式帶通調(diào)制載波形式超寬帶技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的研究課題超寬帶技術(shù)的早期歷史結(jié)束語(yǔ)7/8/202528UWB通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖方式傳統(tǒng)的、“典型的”超寬帶通信方式調(diào)制載波方式與現(xiàn)有一般通信方式較接近的方式MB-OFDM、DS-UWB等其它方式SSA(Soft-SpectrumAdaption)數(shù)字調(diào)頻…7/8/202529基帶窄脈沖UWB通信利用基帶窄脈沖序列通信，脈沖寬度在納秒、亞納秒級(jí)脈沖波形可以是高斯、升余弦等多種波形通過(guò)PPM、脈沖極性調(diào)制、PAM等方式攜帶信息采用跳時(shí)（TH）、DS-CDMA等多址方案典型高斯脈沖在信道上的時(shí)域波形和功率譜密度

典型TH-PPM信號(hào)7/8/202530UWBSystemExampleImpulseRadiousingTimeHopping?ImpulseRadio–Verylowdutycycle(Tf/Tp>100)–‘Pulsetrain’–Onepulsetransmittedperframe(Tf)uniformpulsetrain(nomodulation,nodithering抖動(dòng))7/8/202531PulseTrain?UWBsystemstypicallyusemanypulserepetitions(100s)torepresenteachdatasymbol.?Auniformpulsetrainhasspectrallinespresent(notasmoothspectrum).?Formultipleaccessthiscouldalsoleadtocatastrophic(災(zāi)難)collisions.?Time-hoppingisonepossiblesolution….7/8/202532TimeHopping?Withineachframetime,thepulseispseudo-randomlypositionedintime.–Smoothesthespectrum–Allowsformultipleaccess?cj(k)

isaPNsequence,Tc

istimediff.betweenhopsExample:pulsehasbeenshiftedtohopposition4inaframewith8possiblehoppositions7/8/202533PPMUWB通信系統(tǒng)7/8/202534PPM調(diào)制的時(shí)域波形和頻譜特性7/8/202535窄脈沖的產(chǎn)生雪崩晶體管階躍恢復(fù)二極管（StepRecoveryDiode，SRD）高速CMOS電路7/8/202536窄脈沖的產(chǎn)生（續(xù)）SRD窄脈沖發(fā)生器的電路和輸出脈沖7/8/202537基帶窄脈沖方式的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小多徑分辨能力強(qiáng)信號(hào)隨距離衰減小，穿透力強(qiáng)缺點(diǎn)信息傳輸速率不高頻譜利用效率不高頻譜使用不靈活7/8/202538基帶窄脈沖方式的典型應(yīng)用隔障礙物探測(cè)、通信穿墻探測(cè)搶險(xiǎn)救災(zāi)探地雷達(dá)極低功耗、低速、低成本通信無(wú)線傳感網(wǎng)軍事網(wǎng)絡(luò)其它應(yīng)用7/8/202539調(diào)制載波的UWB通信優(yōu)點(diǎn)頻譜使用靈活頻譜利用率可以較高較易實(shí)現(xiàn)高信息傳輸速率缺點(diǎn)系統(tǒng)較復(fù)雜成本較高功耗較高高頻段時(shí)信號(hào)穿透力較弱7/8/202540內(nèi)容提要什么是超寬帶？超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖形式帶通調(diào)制載波形式超寬帶技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的研究課題超寬帶技術(shù)的早期歷史結(jié)束語(yǔ)7/8/202541規(guī)范化工作美國(guó)FCC2002.2/4：給出了美國(guó)民用UWB設(shè)備的初步規(guī)范，規(guī)定了各種應(yīng)用使用頻譜的范圍和限制2004.8：批準(zhǔn)了Freescale公司的UWB芯片組XS110的商用XS110：可選速率29/57/86/114Mbps，最大耗電量750mW其它7/8/202542標(biāo)準(zhǔn)化工作IEEE802.15.3a高速WPAN物理層可選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2002.12開(kāi)始公開(kāi)征集方案目前陷入MB-OFDM和DS-UWB兩種方案競(jìng)爭(zhēng)的僵局之中IEEE802.15.4a2003.7成立低速、低成本、低功耗物理層可選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)MBOA2003.6成立Intel、TI、Samsung、Philips等50多家單位組成采用MB-OFDM方案UWBForumMotorola、Freescale等發(fā)起DS-UWB方案7/8/202543最新動(dòng)態(tài)Freescale:XS110芯片組獲FCC認(rèn)證Intel:WirelessUSB2.0物理層采用UWB技術(shù)，速率480MbpsMB-OFDM1394TA(WWG):IEEE1394overUWB已進(jìn)行規(guī)格制定的最后階段（2004.9）MB-OFDM或DS-UWB，未確定7/8/202544演示系統(tǒng)2002年初，Intel，100Mbps，2米2003年1月，XtremeSpectrum，傳送雙路HDTV信號(hào)2003年4月，Intel，220Mbps，1米，多帶方式2003年4月，新加坡資訊通信研究院，500Mbps，4米其它如新加坡新龍（Cellonics）公司、日本太陽(yáng)誘電、美國(guó)Blue7通信公司等的演示系統(tǒng)7/8/202545芯片開(kāi)發(fā)2002年6月，XtremeSpectrum推出芯片組“Trinity”，現(xiàn)為多家開(kāi)發(fā)UWB產(chǎn)品的公司所采用2003年9月，Intel發(fā)布基于90nmCMOS工藝的單片集成UWB芯片2004年4月，Wisair推出采用MB-OFDM技術(shù)的UWB芯片UB501（最高480Mbps）2004年8月，F(xiàn)reescale

UWB芯片組XS110通過(guò)FCC認(rèn)證其它7/8/202546未來(lái)預(yù)測(cè)美國(guó)In-Stat/MDR:2005～2008年UWB設(shè)備將以每年400％的增長(zhǎng)率增加ABI公司預(yù)測(cè)，2007年全球基于UWB的電子產(chǎn)品和芯片組的出貨量將達(dá)到4500萬(wàn)個(gè)，2007年全球UWB設(shè)備和芯片收益將達(dá)到13.7億美元WTRS預(yù)測(cè)，2007年通信市場(chǎng)的UWB芯片市場(chǎng)總值將達(dá)到6300萬(wàn)美元UWB技術(shù)將面臨多種無(wú)線通信技術(shù)/標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)：高速：802.11n、WiMAX等低速、低功耗：7/8/202547內(nèi)容提要什么是超寬帶？超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖形式帶通調(diào)制載波形式超寬帶技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的研究課題超寬帶技術(shù)的早期歷史結(jié)束語(yǔ)7/8/202548UWB技術(shù)的研究課題系統(tǒng)理論的深入研究現(xiàn)有的UWB系統(tǒng)理論還遠(yuǎn)未成熟主要包括信道模型和信號(hào)傳播特性、UWB信號(hào)處理理論等系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何更高速？如何更低成本、低功耗？抗干擾設(shè)計(jì)頻譜自適應(yīng)7/8/202549UWB技術(shù)的研究課題（續(xù)）UWBMAC層、直至網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)和優(yōu)化修改現(xiàn)有MAC層還是全新的UWBMAC層？自組織網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)UWB天線的理論、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)7/8/202550內(nèi)容提要什么是超寬帶？超寬帶通信的實(shí)現(xiàn)方式基帶窄脈沖形式帶通調(diào)制載波形式超寬帶技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的研究課題超寬帶技術(shù)的早期歷史結(jié)束語(yǔ)7/8/202551UWB技術(shù)的早期歷史1895/1896年,Marconi和波波夫所演示的第一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)就符合超寬帶無(wú)線電的定義

。1942:DeRosa提出隨機(jī)脈沖系統(tǒng)的專利（因二次大戰(zhàn)，1954年才公布）1969~1984年，Harmuth出版了一系列關(guān)于UWB發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)的書和論文。1973年Ross申請(qǐng)了UWB通信中具有里程碑意義的專利。1974年，Morny申請(qǐng)了一個(gè)探地雷達(dá)技術(shù)的專利。1978年，C.LeonardoBennett,GeraldF.Ross