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UWB 论文 UWB 通信技术简介 1 UWB 技术概述 UWB 技术是采用极窄的脉冲信号实现无线通信的,称之为脉冲无线电。回顾无线电的发展历史, 可以发现最早的无线通信是从脉冲无线电开始的。 1870 年, 赫兹进行的放电实验发送的就是脉冲无线电信号,在 189 6 年, 马可尼用火花隙发射机实现了莫尔斯电码传输, 火花隙实际上就是带宽很宽的窄脉冲。早期的脉冲无线电通信受当时技术水平的限制, 不能充分利用窄脉冲信号的能量,频谱利用率很低。现代意义上的 UWB 技术出现于十九世纪六十年代, 当时主要应用于军事雷达和定位设备中。到 198 9 年,美国国防部将窄脉冲通信正式命名为超宽带 UWB 。上世纪 90 年代以来,随着现代信号处理技术和集成电路的迅猛发展,使 UWB 技术在商业和民用领域的广泛应用成为可能。 2002 年2 月, UWB 技术首次获得了美国联邦通信委员会(FCC , missiom 的批准用于民用通信, 批准将 — GHz 的免授权频带分配给 UWB 使用。自此之后, UWB 技术开始引起业界的广泛关注, 成为科研机构、大公司和高等学校的研究热点技术。根据信道容量的计算香农公式: C=Blog 1+N , 可以看出,假设信道容量C 一定, 那么带宽 B 与信噪比 S/N 可以互补,即 UWB 系统的超宽的带宽可以使得 UWB 系统与传统窄带系统相比, 在更低的信噪比下正常工作。 UWB 主要指标频率范围: — 系统功耗: 1MW — 4MW 脉冲宽度: — , 重复周期: 25ns — 1ms 发射功率: <-41. 3dBm/MHz 数据速率: 几十到几百 Mbit/ s 分解多路径时延: <1n sS 多径衰落: <5dB 系统容量: 大大高于 3G 系统空间容量: 1000kB/m 2 UWB 的定义 FCC 对 UWB 的定义是: 带宽大于 500MHz , 或相对带宽大于 20 %的无线电技术,相对带宽的定义表达式是: hf? fcfl 其中, 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, fc=hf? 2fl, 美国国防高级研究计划署(DARPA , Defense Advanced Resea rch Projects Agency) 对 UWB 的定义是相对带宽(一 10dB 带宽) 大于 25 %。他们定义的带宽如图从频域来看, UWB 与传统的窄带和宽带不同, 它的频带更宽。通常窄带是指相对带宽小于 1 %,宽带指的相对带宽在 1 %到 25 %之间,而相对带宽大于 25 %,而且中心频率大于 500MHz 的无线电技术,称为 UWB 。 FCC 对 UWB 的定义是从信号带宽的角度来描述无线电信号的, 没有指明其具体的实现方式。目前常用的实现方式主要有脉冲无线电(IR-UWB 和调制载波两种。 IR-UWB 采用窄脉冲序列携带信息,直接通过天线传输,不需要对正弦载波进行调制,因而实现简单,是 UWB 技术早期采用的方式;而调制载波通常采用多带正交频分复用(MB-OFDM — UWB , Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 实现。 MB-OFDM-UWB 把整个有效带宽分为最小带宽不小于 500MHz 的若干子带, 采用 OFDM 技术实现, 有利于实现低功率的高数据速率传输,适用于室内短距离高速率传输的应用场合。 3 UWB 特点 传输速率高,系统容量大。根据 Shamon 公式,系统的最大传输速率与系统的带宽成正比。 UW B 通信的带宽至少为 500MHz ,其传输速率可达 1Gbps 以上。传统的无线通信系统因为频带窄, 要实现 100Mbps 以上的传输速率, 必须采用多进制调制等方法,这就对信噪比提出很高的要求,同时提高了系统的复杂性。 发射功率低。超宽带无线电的射频带宽可达 1GHz 以上,所需的平均功率很小。在短距离应用中, UWB 发射机的发射功率低于 1mw ;低发射功率可以延长系统电源工作时间, 况且发射功率小, 其电磁波辐射对人体的影响也会很小。 多径分辨力高。由于 UWB 采用持续时问很短的窄脉冲,其时间、空间分辨力很高, 系统的多径分辨率很高,因此能允分利用发射信号的能量。实验表明,对常规无线电信号多径衰落深度达 30dB 的多径环境, UWB 信号的衰落最多不到 5dB 。多径衰落是无线通信的一大障碍,传统的无线技术容易受到建筑物内部和周围多径的干扰,而 UWB 信号由于对信道多径衰落不敏感, 具有优良的抗多径性能,