UWB

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UWB(Ultra Wideband)

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什么是UWB

  UWB是指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。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。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。

  UWB一开始是使用脉冲无线电技术,此技术可追溯至19世纪。后来由Intel等大公司提出了应用了UWB的MB-OFDM技术方案,由于两种方案的截然不同,而且各自都有强大的阵营支持,制定UWB标准的802.15.3a工作组没能在两者中决出最终的标准方案,于是将其交由市场解决。

UWB的特点

  UWB无线通信是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式

  UWB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。

  抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小,应用面就广。

  脉冲无线电

  UWB也可称为脉冲无线电

  可追溯至19世纪。至今UWB还在争论之中。UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲,脉冲覆盖的频谱从直流至GHz,不需常规窄带调制所需的RF频率变换,脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的,其功率谱密度相当低,RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号,可采用OOK,对映脉冲键控,脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF) 的常规无线系统,可视为在RF上基带传播方案,在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。

  为进一步提高数据速率,UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱,采用安全信令方法(Intriguing Signaling Method)。基于UWB的宽广频谱,FCC在2002年宣布UWB可用于精确测距,金属探测,新一代WLAN和无线通信。为保护GPS,导航和军事通信频段,UWB限制在3.1 - 10.6 GHz和低于41 dB发射功率。

  不用载波

  UWB无线通信是一种不用载波

  采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式,也称做脉冲无线电( Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。与普通二进制移相键控(BPSK)信号波形相比,UWB方式不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲,因此这种通信方式占用带宽非常之宽,且由于频谱的功率密度极小,它具有通常扩频通信的特点。

  UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,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。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线LAN家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。UWB技术最初是被作为军用雷达技术开发的,早期主要用于雷达技术领域。2002年2月,美国FCC批准了UWB技术用于民用,UWB的发展步伐开始逐步加快。

  与蓝牙和WLAN等带宽相对较窄的传统无线系统不同,UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据,意味着UWB引起的干扰小于传统的窄带无线解决方案,并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。UWB具有以下特点:

  抗干扰性能强。UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益。因此,与IEEE802.11a、IEEE802.11b和蓝牙相比,在同等码速条件下,UWB具有更强的抗干扰性。传输速率高。UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s,有望高于蓝牙100倍,也可以高于IEEE802.11a和IEEE802.11b。

  带宽极宽。UWB使用的带宽在1GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以和窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天,开辟了一种新的时域无线电资源。

  消耗电能小。通常情况下,无线通信系统在通信时需要连续发射载波,因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波,只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按0和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能小。

  保密性好。UWB保密性表现在两方面。一方面是采用跳时扩频,接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据;另一方面是系统的发射功率谱密度极低,用传统的接收机无法接收。

  发送功率非常小。应用面就广。

UWB的技术原理

  UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲,超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽,接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号,省去了传统通信设备中的中频级,极大地降低了设备复杂性。

  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0.1-1.5ns (1纳秒= 十亿分之一秒),重复周期在25-1000ns。

  调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收,即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息,哪怕信号电平低于周围噪声电平。为了进一步平滑信号频谱,可以让重复时间的位置偏移量δ大小不一,变化随机,同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道,即实现通信系统的多址,可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码,特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。

  UWB系统采用相关接收技术,关键部件称为相关器(correlator)。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号,再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内,间歇期则没有。处理过程一般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器,模板波形匹配时,相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。

  值得注意的是,虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰,UWB可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。

UWB的技术特点

  由于UWB与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点:

  (1)系统结构的实现比较简单:当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,载波的频率和功率在一定范围内变化,从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波,它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线,不需要传统收发器所需要的上变频,从而不需要功用放大器与混频器,因此,UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端,UWB接收机也有别于传统的接收机,不需要中频处理,因此,UWB系统结构的实现比较简单。

  (2)高速的数据传输:民用商品中,一般要求UWB信号的传输范围为10m以内,再根据经过修改的信道容量公式,其传输速率可达500Mbit/ s,是实现个人通信无线局域网的一种理想调制技术。UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源,而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中,可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

  (3)功耗低:UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之间,有很低的占空因数,系统耗电可以做到很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW~几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右,是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此,UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上,相对于传统无线设备有着很大的优越性。

  (4)安全性高:作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内,对一般通信系统,UWB 信号相当于白噪声信号,并且大多数情况下,UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声,从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后,脉冲的检测将更加困难。

  (5)多径分辨能力强:由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠,其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠,很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10~ 30 dB 的多径环境, 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

  (6)定位精确:冲激脉冲具有很高的定位精度,采用超宽带无线电通信,很容易将定位与通信合一,而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力,可在室内和地下进行精确定位,而GPS定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内; 与GPS 提供绝对地理位置不同,超短脉冲定位器可以给出相对位置, 其定位精度可达厘米级, 此外,超宽带无线电定位器更为便宜。

  (7)工程简单造价便宜:在工程实现上,UWB比其它无线技术要简单得多,可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲,并对脉冲产生调制,而这些电路都可以被集成到一个芯片上,设备的成本将很低。

UWB的应用

  由于UWB具有强大的数据传输速率优势,同时受发射功率的限制,在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域,如当前WLAN和WPAN的各种应用。总的说来,UWB主要分为军用和民用两个方面。

  在军用方面,主要应用于UWB雷达、UWBLPI/D无线内通系统(预警机、舰船等)、战术手持和网络的PLI/D电台、警戒雷达、UAV/UGV数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体。民用方主要包括以下3个方面:地质勘探及可穿透障碍物的传感器;汽车防冲撞传感器等;家电设备及便携设备之间的无线数据通信等。

军用方面

  UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一,但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势, 同时受发射功率的限制, 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB 的重要应用领域,如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外,通过降低数据率提高应用范围,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点。

  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。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量,再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析,得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB脉冲信号,其峰值功率为4W,工作频带范围为1. 3~1. 7 GHz ,相对带宽为27 % ,符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线,其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部,由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用,系统通信距离被限制在约100 m 以内。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,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。

民用方面

  UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。

  UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里,家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTVPDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里,正是"旧时王榭堂前燕,飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是:将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起,你可以在任何地方使用它们。举例来说,你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看,可以自由地同Internet交互信息,你可以遥控你的PC,让它控制你的信息家电,让它们有条不紊地工作,你也可以通过Internet联机,用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。从前面对UWB的技术特点来看,UWB技术无疑是一个很好的选择。

  采用UWB技术的凯思特单反无线联机拍摄套件。

  该设备用以实现单反相机和电脑之间的文件无线传输和远程相机控制。

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Tracy,Mis铭.

评论(共1条)

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互联好运 (Talk | 贡献) 在 2017年6月15日 22:06 发表

分析判断效果上,曲拆探讨新期望!

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