超寬帶無線通信技術第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四目錄超寬帶的定義1超寬帶的特點和應用2超寬帶的傳輸方式3超寬帶的信道模型4超寬帶的關鍵技術5第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的定義Ultra-Wideband(UWB)WirelessCommunication美國聯邦通信委員會（FCC：FederalCommunicationsCommission）第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的定義第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶信號的輻射掩蔽室內UWB設備輻射掩蔽室外手持設備為了避免對現有的通信系統帶來干擾，必需將超寬帶系統的發射功率限定在一定范圍內，即在超寬帶通信頻率范圍內的每個頻率上都規定一個最大的允許功率，這個功率值一般通過輻射掩蔽（emissionmask）來決定.第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點1、共存性能好超寬帶技術可以與現有的其他通信系統共享頻譜。超寬帶通信使用的頻譜范圍從3.1GHz到10.6GHz，頻譜寬度高達7.5GHz，通過發射功率的限制，避免了對其他通信系統的干擾。從上圖中可以看到，超寬帶信號的最高輻射功率為-41.3dBm，這僅僅相當于一臺個人計算機的輻射。這樣在很低的功率譜密度下共享頻譜的方式，在頻譜資源非常緊張的今天具有極其重要的意義，這也是超寬帶興起和發展的主要原因之一.第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點2、信道容量大，傳輸速率高香農信道容量公式超寬帶信號占有數百兆赫茲（MHz）甚至幾吉赫茲（GHz）帶寬，理論上可以提供極高的信道容量，達到Gbps以上的傳輸速率，或者在很低的信噪比下，以一定的傳輸速率實現可靠傳輸。假定一個超寬帶信號使用7GHz帶寬，當信噪比S/N低至-10dB時，超寬帶可以提供的信道容量為C=7G×log2（1+0.1）≈0.963Gbps，接近1Gbps。數據表明，超寬帶的空間通信容量是現有的通信系統（如：無線局域網、藍牙等）的10-1000倍以上。第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點3、低成本，低功耗脈沖超寬帶是最早采用的一種傳輸方式，它不需要載波，而是利用極短的脈沖傳輸信息，因此，在發射端脈沖超寬帶不需要功放和混頻器，接收端也不需要中頻處理，大大降低了收發機的硬件實現復雜性和成本。同時，為了避免對現有通信系統的干擾，超寬帶信號發射功率很低，簡單的收發設備以及低功率，使得脈沖超寬帶系統的功耗非常低，可以使用電池長時間供電。第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點4、信號衰減小，穿透能力強

正弦載波在自由空間的衰減與距離平方成反比，在密集多徑情況下，信號的功率衰減更是與距離的3-4次方成反比。脈沖超寬帶信號為定向窄脈沖，不需要載波，具有較強的方向性，在相同的功率下，比正弦電磁波的衰減更小。同時基帶窄脈沖信號包含的低頻部分的長波具有較強的穿透能力，能夠穿透多種材料，使其可以應用于成像、檢測、監視和測量等領域。第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點5、定位精度高由于脈沖超寬帶具有較強的穿透能力，因此可以用于各種環境下的測距和定位。系統的定位精度與信號的頻譜寬度直接相關，頻譜越寬，時間分辨率越高。脈沖超寬帶發射極短的基帶窄脈沖信號具有很高的定位精度，其帶寬通常在數GHz，所以理論上其定位精度可達厘米量級。研究表明，與GPS全球定位系統相比，超寬帶技術具有更高的定位精度。技術GPSBluetoothIEEE802.11UWB

定位精度

5-20m3m3m15cm第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的特點6、保密和安全性能好超寬帶信號的功率譜密度非常小，淹沒在環境噪聲和其他信號中，同時又具有極寬的帶寬，很難被基于頻譜搜索的偵測設備檢測到。同時超寬帶系統可以采用多種擴頻多址方式，包括：跳時擴頻、跳頻擴頻、直接序列擴頻等，在接收端必須采用與發射端一致的擴頻碼才能正確的解調數據，這使得使非合法用戶很難獲取合法用戶的傳輸信息，系統的安全性和保密性非常高。第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四與其它短距離無線技術的比較UWB藍牙802.11aHomeRF速率（bps）最高達1G＜1M54M1~2M距離（米）＜101010~10050功率1毫瓦以下1~100毫瓦1瓦以上1瓦以上第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的應用通信UWB系統帶寬極大，可支持大的信道容量，同時系統功率受限，只能傳播較短距離，因此UWB技術特別適合于短距離高速無線通信。例如基于UWB技術的無線USB2.0，可取代有線USB,實現PC之間及消費類電子設備（電視、數碼相機、DVD播放器、MP3等）之間的無線數據互連與通信。無線個域網(WPAN)、高速智能無線局域網、智能交通系統，公路信息服務系統，汽車檢測系統，艦船、飛機內部通信系統，樓內通信系統、室內寬帶蜂窩電話，戰術組網電臺，非視距超寬帶電臺，戰術/戰略通信電臺，保密無線寬帶因特網接入等等第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的應用第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的應用雷達、探測超寬帶依賴于極微弱的、與雷達中所使用的相近的基帶窄脈沖，具有很強的穿透能力，能穿透樹葉、墻壁、地表、云層等障礙，辨別出障礙物后隱藏的物體或運動著的物體，測距精度的誤差只有一兩厘米。可以應用在：穿墻雷達、安全監視、透地探測雷達、工業機器人控制、監視和入侵檢測、道路及建筑檢測、貯藏罐內容探測等。第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的應用測距,定位超寬帶信號在戶內和戶外都可以提供精確地定位信息，在軍事和民用上都有廣泛的應用。例如在敵方領土上營救人員，兒童搜尋，尋找丟失的寵物和行李，跟蹤、搜索和解救人員，定位貴重的物品的位置等等第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四工業/自動化實時追蹤資產及庫存-改進流程

提高搜索效率減少資源浪費物流追蹤條形碼及叉車-減少保險環節的核查

倉庫管理更加靈活軍事人員與設備的追蹤

城市作戰訓練高級研發醫療保健實時追蹤病人，監護者，護理者

過程分析與改進

人力資源管理病人安全保證/狀態監控娛樂/體育演出或者訓練

細化演出分析

回放比賽實況

視頻集成危險環境人員和物資的追蹤管理-安全位置的緊急搜索

定位人員安全有效第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四位置相關參數估計位置相關參數估計定位算法演示系統TOA(TimeofArrival)…接收信號位置坐標(x,y,z)測距模塊利用測距算法估計參考節點和目標節點間距離定位模塊利用多個節點的測距結果估計目標節點的位置第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶信號模型根據傳輸技術不同分為兩類：脈沖超寬帶優點系統簡單、成本低、功耗小多徑分辨能力強信號隨距離衰減小，穿透能力強缺點信息傳輸速率不高頻譜利用率不高頻譜使用不靈活多頻帶超寬帶優點易實現高信息傳輸速率頻譜利用率可以較高頻譜使用靈活缺點系統復雜成本高功耗高高頻段時信號穿透力弱第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四脈沖超寬帶脈沖超寬帶指采用時域上很短的沖擊脈沖作為信息載體，信息數據符號通過對窄脈沖(脈沖寬度通常在納秒級)進行調制，以獲得非常寬的帶寬。調制方式脈沖位置調制（PPM）脈沖幅度調制（PAM）擴頻方式跳時擴頻(TH-SStimehoppingspreadspectrum)直接序列擴頻(DS-SSdirectsequencespreadspectrum)第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶脈沖波形設計脈沖波形設計原則符合UWB信號定義，-10dB絕對帶寬大于500MHz或相對帶寬大于20%。波形波動小，即不能有太多的峰值數。否則，當相關檢測時，微小的延時會造成匹配不上，不利于檢測接收。功率譜密度在頻域上滿足FCC輻射掩模的規定。脈沖的直流分量為零或者低頻分量上的能量盡可能地小。脈沖波形高斯脈沖微分，升余弦、Herimite(厄密特)脈沖等。第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四高斯函數脈沖高斯脈沖寬度和頻域帶寬取決于參數α,α的值越大，高斯脈沖越寬，相應的頻域帶寬就越小

第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四高斯脈沖二階導第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四高斯脈沖各階導數階數越高，高斯導數波形的過零點次數就越多，相應的信號帶寬就越寬。第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四擴頻技術多址接入隱蔽性和保密性好抗干擾性強，誤碼率低擴頻通信是將待傳送的信息數據用擴頻序列調制，實現頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的擴頻序列進行解調及相關處理，恢復原始信息數據。第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四跳時擴頻跳時擴頻是用偽隨機碼去控制信號的發送時刻，首先把時間軸分成許多時隙，在一幀內哪一個時隙發射信號由偽隨機序列去控制。在發射端，發送的信號先暫存在一個緩存器中，待由偽隨機碼發生器控制的通斷開關接通時，將緩存器中的發送數據輸出，經過調制后的信號送到由偽隨機碼發生器控制的開關電路，然后以脈沖的形式發送出去，信息“1”和“0”采用不同的脈沖傳輸。在接收端，本地的偽隨機碼產生器生成與發射端完全一致的偽隨機碼控制兩個選通門，然后經脈沖檢測器檢測后進行判決輸出，從而得到傳送的數據信息。第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四跳時擴頻調制超寬帶TH-SSPPMUWBTH-SSPAMUWB第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四PPM-TH-UWB發射信號PAM-TH-UWB發射信號數值二進制比特流[1、0、1]]符號周期10ns重復編碼的次數2幀周期5ns碼片時間1ns每個frame中chip的個數5跳時碼[2、4]第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四直接序列擴頻直接序列擴頻就是在發射端直接利用高碼片速率的擴頻碼序列擴展發送信號的頻譜。然后在接收端，用相同的擴頻碼序列相乘解擴，恢復出原始的發送信息。在發射端，欲傳輸的基帶信號與一個碼片速率很高的偽隨機碼進行時域相乘，其輸出為一個頻譜帶寬被擴展的擴頻碼流，然后將此擴頻碼流變換為射頻信號發射出去。在接收端，射頻信號經過變頻后輸出中頻信號，它與本地的偽隨機碼進行時域相乘，得到解擴信號，經信息解調器恢復成原始數字信號。只有當時，才能進行正確的解擴和解碼。第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四直接序列擴頻脈位調制超寬帶DS-SSPPMDS-SSPAM第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四意義取值二進制比特流[1、0]重復編碼的次數5每個frame個中chip的個數3偽隨機序列碼[1、-1、1、-1、-1]碼片時間1ns幀周期3ns符號周期15nsDS-PAM-UWB發射信號DS-PPM-UWB發射信號第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四多頻帶超寬帶在MB-OFDM-UWB通信系統中，將3.1-10.6GHz頻帶劃分為14個528MHz的子頻帶，5個頻帶組，使用時以三個為一組。使用OFDM技術生成信號。OFDM符號由時頻碼控制調制到不同中心頻率的載波上，從而實現多頻帶的傳輸；不同時頻碼對應不同的跳頻樣式。528MHz的一個頻帶內又分為128個子載波，其中包括100個數據子載波、12個導頻子載波、10個保護子載波及6個空子載波三頻帶時頻碼樣式時頻碼序號長度為6的時頻編碼樣式1123123213213231122334113322

第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四多頻帶超寬帶前向糾錯編碼（FEC）采用卷積編碼及相應的維特比譯碼；系統在使用三個頻帶時采用時頻交織（TFI）技術，使用單個頻帶時采用定頻交織（FFI）技術；數字調制采用四進制相移鍵控（QPSK）或雙載波調制（DCM）；在多變的信道條件下，系統采用頻域擴展（FDS）、時域擴展（TDS）技術實現時頻分集來減小多徑干擾的影響，時域擴展方式為同一個符號在不同的頻段重復發送，頻域擴展為同一頻域數據在不同子載波上同時發送。多頻帶超寬帶系統收發機結構框圖第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四無線信道三種基本傳播方式反射：電磁波入射到一個尺寸比波長大得多的物體，電磁波會發生反射；主要來自地表面，建筑物和墻壁衍射：當收發機之間的路徑存在密度較大的物體，其尺寸遠大于波長，就會在阻礙物的后面產生次級波。通常也被稱為陰影，因為被不可穿透的障礙物遮蔽，衍射多徑仍能到達接收機。散射：當信號傳輸過程中遇到大的，粗糙表面，或者一些尺寸與波長可比擬的障礙物時，會發生散射。城市的街燈，路標，植物等都會是信號發生散射。直達路徑LOS:line-of-sight無直達路徑NLOS:non-line-of-sight第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的信道標準S-V信道模型IEEE802.15.3a信道模型IEEE802.15.4a信道模型第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四S-V信道模型多徑分量按簇到達，每簇的到達時間服從波松到達過程每簇內多徑到達時間也服從波松到達過程低通信道沖擊響應S-V信道模型的功率延時剖面(PDP：PowerDelayProfile)第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四IEEE802.15.3a信道模型對S-V信道模型的修定增加了一個對數正態分布的信道陰影衰落系數。用一個對數正態隨機變量表示所有多徑的信道陰影衰落系數。多徑增益的相位因子不再是[02π]范圍內的均勻分布，而是以等概率出現，這樣信道的多徑增益系數就由原來的復變量變為了實變量。第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四IEEE802.15.3a信道模型信道參數：簇平均到達速率;：每簇內多徑的平均到達速率;：簇的功率衰減因子;：簇內多徑的功率衰減因子;

：簇的信道增益系數標準偏差;

：簇內多徑信道增益系數標準偏差;

：信道陰影衰落系數的標準偏差;信道陰影衰落系數多徑增益系數包含的總能量歸一化為單位能量

信道參數CM1CM2CM3CM4(1/nsec)0.02330.40.06670.0667(1/nsec)2.50.52.12.17.15.514.0024.004.36.77.912(dB)3.39413.39413.39413.3941(dB)3.39413.39413.39413.3941(dB)3333第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四IEEE802.15.3a信道模型第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四IEEE802.15.4a信道模型IEEE802.15.4a信道模型的幾個重要特征：路徑損耗服從定律；路徑損耗依賴于頻率；基于修正的S-V模型：多徑按簇到達；多徑到達時間服從混合泊松分布；延時依賴于簇衰減時間；某些NLOS環境下，功率延時剖面（PDP：PowerDelayProfile）可能先增后減。小規模衰減服從Nakagami分布，不同的多徑具有不同的m因子；服從塊衰落（blockfading），即信道在數據傳輸時間（databurst）內不變。第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四IEEE802.15.4a信道模型CM1：室內LOS環境

CM2：室內NLOS環境

CM5：室外LOS環境

CM6：室外NLOS環境

CM9：開放的戶外NLOS環境

第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的關鍵技術1、脈沖波形設計和調制理論脈沖波形設計和信號調制是UWB通信系統中的首要環節。面對目前緊張的無線通信資源，UWB信號必須避免在其所占的頻域上對現有無線系統造成干擾，這也是制定頻譜規范以利于UWB技術推廣的初衷，FCC在UWB信號的開放頻段3.1-10.6GHz內，限定發射功率譜密度應小于-41.3dBm/MHz。因此脈沖波形設計應滿足頻譜規范，同時盡可能的利用更大帶寬。最常見的UWB調制方式包括脈沖幅度調制(PAM)和脈沖位置調制(PPM)，其它方式還包括如傳輸參考調制(Transmitted-reference，TR)、開關鍵控調制(OOK)、脈沖形狀調制(PulseshapeModulation)和混沌調制(ChaoticpulsepositionModulation)等。還有一種與TR方式對應的碼參考調制(CR，Coded-reference)，參考碼和信號具有正交性，能獲得良好的解調性能和低復雜度實現。隨著光通信技術的發展，基于光脈沖波形產生和調制的UWB系統也成了新的研究方向。第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的關鍵技術2.天線理論、設計實現和MIMO-UWBUWB信號占據帶寬很大，在直接發射基帶脈沖時，需要對設備功耗和信號輻射功率譜密度提出嚴格要求，這使得UWB通信系統的收發天線設計面臨巨大挑戰。輻射波形角度和損耗補償、線性帶寬、不同頻點上的輻射特性、激勵波形的選取等都是天線設計中的關鍵問題。在要求通信終端小型化的應用中，往往要求設計高性能、小尺寸、暫態性能好的UWB天線。以多天線理論為基礎的MIMO技術是未來無線通信采用的主要技術之一，考慮到UWB的技術特點，將二者結合也是極具吸引力的研究方向。利用MIMO-UWB的優勢，可以提高UWB系統容量和增大通信覆蓋范圍，并能滿足高數據速率和更高通信質量的要求。此外，與天線理論相關的波束賦形，以及時編碼、協作分集等在MIMO-UWB系統中的應用也得到了較多關注。第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期四超寬帶的關鍵技術3.同步捕獲技術在超寬帶系統中，同步是極大的難題和挑戰超寬帶脈沖持續時間極短，很難捕捉信號能量低（功率受限）信道環境復雜現有的同步算法分類基于相關搜索的同步算法。存在問題：需要高達幾Gbit/s甚至幾十Gbit/s采樣速率的A/D轉換器，目前硬件上無法實現；而且同步時間長。基于估計的同步算法