测距定位UWB技术应用课件.ppt
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1、,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
2、,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,1 UWB技术背景和概述,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,1 UWB技术背景和概述,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,1 UWB技术背景和概述,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
3、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,1 UWB技术背景和概述,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
4、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,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.,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规定:绝对带宽(Absolute Bandwidth)相对带宽(Fractional Bandwidth)绝对带宽大于500MHz相对带宽大于2
5、5%,1 UWB技术背景和概述,1.3 UWB 技术背景,绝对带宽(Absolute 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。,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。,1 UWB技术背景和概述,1.3 UWB 技术背景,相对带宽(Fractional 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:,1 UWB技术背景和概述,1.3 UW
6、B 技术背景,1 UWB技术背景和概述,1.3 UWB 技术背景,1 UWB技术背景和概述,1.3 UWB 技术背景,1.4 UWB与其它短距离无线技术的比较,1 UWB技术背景和概述,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),
7、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,2.UWB无线通信技术原理,2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形,单周期高斯脉冲,2.UWB无线通信技术原理,高斯脉冲宽度和频域带宽取决于参数,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,高斯脉冲的一介导数,2.UWB无线通信技术原理,2.1 UWB 使用基带窄脉冲波形,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(PPM):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
8、,它的优点就是简单,但是需要比较精确的时间控制。,2.UWB无线通信技术原理,2.2 UWB的脉冲调制方式,脉幅调制(PAM):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。,2.UWB无线通信技术原理,2.2 UWB的脉冲调制方式,二相调制(BPSK):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。,2.UWB无线通信技术原理,2.2 UWB的脉冲调制方式,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
9、个位置调制提高信息传输速率。,2.UWB无线通信技术原理,2.2 UWB的脉冲调制方式,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。,2.UWB无线通信技术原理,2.2 UWB的脉冲调制方式,2.UWB无线通信技术原理,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
10、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,2.UWB无线通信技术原理,跳时扩频,2.3 UWB的多址及扩频,2.UWB无线通信技术原理,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
11、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。,2.3 UWB的多址及扩频,2.UWB无线通信技术原理,直接序列扩频,2.3 UWB的多址及扩频,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
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