UWB简介及应用

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UWB简介及应用

UWB也可称为脉冲无线电,可追溯至19世纪。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。

  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,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。

     UWB技术具有抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大的特点:

     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,并且可以和目前的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。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。
     在军用和民用领域均有广阔应用空间
      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。

       特别是,UWB在家庭数字娱乐领域大有用武之地。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、HDTV、PDA、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来,这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。未来“家庭数字娱乐中心”的概念是:将来住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起,人们可以在任何地方更加轻松地使用它们。举例来说,家庭用户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;可以遥控PC,让它控制你的信息家电;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。在这方面,应用UWB技术无疑是一个很好的选择。
       UWB另一个重要的应用方向就是精确测量定位系统(包括车载雷达、精测量和传感定位系统)
      各种RTLS实时定位系统中,基于超宽带(UWB)技术实现的定位系统,具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、穿透能力强、定位精度高等特点,正逐渐成为未来无线定位技术的热点,具有十分广阔的应用前景。
基于UWB的定位主要是通过到达时间(Time of ArrivalTOA)或者到达时间差(Time Difference of ArrivalTDOA)来实现的。由于时间脉冲持续的时间很短(大约10100ps),大大降低了发射信号所需的功率,所以UWB的发射功率很小,同时这一性能也决定了其具有精确定位的功能。UWB定位在一定程度上代表着当前室内或者局部区域范围三维定位的一个趋势,因此目前国内外针对
UWB的位置估计、减小NLOS误差及求精的算法研究很多。
    目前在反恐、应急、救援等应用中,室内定位是一个关注的热点。室内无法利用 GPS、北斗等卫星定位系统,需要采用新的技术实现室内定位。UWB 凭 借其准确的定位优势,采用协作模式与 GPS 等室外 定位系统结合,实现全方位立体化的定位。美国军 方就在研究 UWB 室内定位系统,以部分已知坐标节点为参考,通过协作定位算法获得室内节点位置 的经纬度坐标。
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