数字电子技术基础课件

1、超宽带（UWB）无线通信UWB的概念及其发展UWB的技术特点UWB与其他无线技术的比较UWB的关键技术UWB的应用与前景其他3窄带、宽带、超宽带的定义信号带宽/中心频率窄带1%宽带1%25%超宽带（UWB）25%或带宽500Mbps上述定义的示意图5FCC关于UWB的定义定义相对带宽Br大于20%或带宽大于500 MHz相对带宽定义为-10 dB带宽除以中心频率这一定义还可能再修改什么是超宽带无线通信技术是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通讯技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络（WPAN）、家庭网络连接和短距离雷达等领域。它不采用连续的正弦波（sine w

2、aves），而是利用脉冲讯号来传送。UWB的历史UWB并不是一件新生事物，它已经有几十年的历史了，起源于20世纪60年代Dr. Gerlad.F.Ross对微波网络冲激响应的研究。但是过去它仅仅应用在军事雷达和定位设备中，它也可以实现穿墙视物等功能。直到2002年美国联邦通讯委员会（FCC）才发布商用化规范。摩托罗拉2005年7月8日已经在台湾成立亚洲第一座超宽带无线通讯研发中心。UWB的发展应用到民用领域FCC开放频带第一个专利被授予最早美国提出至今2002年1973年1960年提出UWB的技术特点1、共存性能好超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信使用的频谱范围从3.1GH

3、z到10.6GHz，频谱宽度高达7.5GHz，通过发射功率的限制，避免了对其他通信系统的干扰。超宽带信号的最高辐射功率为-41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这样在很低的功率谱密度下共享频谱的方式，在频谱资源非常紧张的今天具有极其重要的意义，这也是超宽带兴起和发展的主要原因之一.2、信道容量大，传输速率高 香农信道容量公式超宽带信号占有数百兆赫兹（MHz）甚至几吉赫兹（GHz）带宽，理论上可以提供极高的信道容量，达到Gbps以上的传输速率，或者在很低的信噪比下，以一定的传输速率实现可靠传输。假定一个超宽带信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时，超宽带可以提供的信道容

4、量为C=7Glog2（1+0.1） 0.963Gbps，接近1Gbps。数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。3、低成本，低功耗脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，因此，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器，接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机的硬件实现复杂性和成本。同时，为了避免对现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间供电。4、信号衰减小，穿透能力强 正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反比，在密集多径情况下

5、，信号的功率衰减更是与距离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号为定向窄脉冲，不需要载波，具有较强的方向性，在相同的功率下，比正弦电磁波的衰减更小。同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波具有较强的穿透能力，能够穿透多种材料，使其可以应用于成像、检测、监视和测量等领域。UWB的技术特点5、定位精度高由于脉冲超宽带具有较强的穿透能力，因此可以用于各种环境下的测距和定位。系统的定位精度与信号的频谱宽度直接相关，频谱越宽，时间分辨率越高。脉冲超宽带发射极短的基带窄脉冲信号具有很高的定位精度，其带宽通常在数GHz，所以理论上其定位精度可达厘米量级。研究表明，与GPS全球定位系统相比，超宽带技术具有更高的定位

6、精度。UWB的技术特点技术GPS BluetoothIEEE802.11 UWB 定位精度 5-20m3m3m15cm6、保密和安全性能好超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境噪声和其他信号中，同时又具有极宽的带宽，很难被基于频谱搜索的侦测设备检测到。同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式，包括：跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频等，在接收端必须采用与发射端一致的扩频码才能正确的解调数据，这使得使非合法用户很难获取合法用户的传输信息，系统的安全性和保密性非常高。UWB的技术特点与其它短距离无线技术的比较 从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与

7、UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。 IEEE802.11a与UWB IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M

8、左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。 蓝牙(Bluetooth)与UWB 蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速

9、度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝牙的杀手，不是没有道理的。 HomeRF与UWB HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频50 次，即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其

10、速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。 总结UWBIEEE802.11a蓝牙HomeRF速率（bps）=1G1M54M1-2M功率（mW）=1=1距离（m）101010-10050应用范围探测距离多媒体电脑和Internet网关家庭办公电脑电话及移动设备UWB成为研究热点的原因日益缺乏的频谱日益受限的功率日益敏感的价格1M10M100M速率功率1W10W100W1mW10mW100mW1W蓝牙IEEE 802.11bIEEE 802.11aUWB速率更高功

11、耗更低Company LogoUWB的关键技术收发机天线信息的调制UWB脉冲信号的产生UWB技术原理Company LogoUWB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无线传输系统基本模型UWB脉冲信号的产生从本质上讲，产生极短脉冲宽度(ns级)的信号源是研究UWB技术基本的前提条件，例如单个无载波窄脉冲信号，有两个突出的特点：一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短脉冲;二是激励信号包括很

12、宽的频谱，从直流(DC)到微波波段。光电方法，基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿，所以得到的脉冲宽度可达到ps(10-12)量级。另外，由于光导开关是采用集成方法制成的，可以获得很好的一致性，因此是最有发展前景的一种方法。电子方法，基本原理是对半导体PN结反向加电，使其达到雪崩状态，并在导通的瞬间，取陡峭的上升沿作为脉冲信号。这种方案目前应用得最广泛，缺点是：由于采用电脉冲信号作为触发，其前沿较宽，触发精度受到限制，特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合，达不到控制的精度。另外，由于受晶体管耐压特性的限制，这种方法一般只能产生几

13、十伏到上百伏的脉冲，当然，脉冲宽度还可以达1 ns以下。信息的调制脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是超宽带无线电的两种主要调制方式。PPM又称时间调制(TM)，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某一标准或特定的时刻来表示某个特定信息的，因此对调制信号需要在接收端用匹配滤波的技术来正确接收，即对调制信息用交叉相关器在达到零相差的时候进行检测，否则，达不到正确接收的目的。而PAM是用信息符号控制脉冲幅度的一种调制方式。在UWB系统中，采用跳时脉冲位置调制(TMPAM)对长脉冲序列进行调制时，每一用户的下一块信息将在时间上随机分布，可在频域内得到更为平坦的RF信号功率分布，这使得UWB

14、信号在频域中类似于背景噪声。UWB天线能够有效辐射时 域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。作为UWB天线，应该保证能够达到这样的要求：(1)天线的输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去和不引起脉冲特性的改变或下降。(2)天线的相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致。UWB收发机与传统的无线收发信机的结构相比，UWB收发信机的结构相对简单，但可以得到相同的性能。例如传统的无线收发信机大多采用超外差式结构，而UWB收发信机采用零差结构就可得到相同的性能，实现起来也十分简单

15、， 无需本振、功放、压控振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、混频器等环节。UWB的应用概述 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 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。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。 UWB在军事

16、上的应用在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB LPI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的IPL/ 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 军用方面军事应用（1）UWB雷达(探测地雷、反恐穿墙雷达 ）。（2）UWB生命探测雷达军用方面（3）军事通信战术通信网络单兵作战示意图军用方面UWB的民用在民用方面，自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ；汽车防冲撞传感器等(vehicl

17、e radar system) ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurementssystem) UWB的民用示例UWB的一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、HDTV 、PDA 、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里。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Inter

18、net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。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。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。 民用方面（1）地质勘探及生命探测探底雷达（2）汽车防冲撞等 民用方面（3）家庭设备及便携设备之间的无线通信三星C27A750 无线显示器 民用方面UWB的发展前景 如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超过480Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优