超宽带(UWB)教学讲解课件

超宽带（UWB）

无线通信技术报告：邓双成2004-12-24超宽带（UWB）

无线通1UWB无线通信技术介绍UWB技术背景和概述UWB通信的信号形式UWB无线室内信道特性

UWB通信的实现方案

UWB无线通信技术介绍2UWB技术背景和概述超宽带(UltraWideband,UWB)无线通信的历史可以追溯到上个世纪50年代，早期的超宽带系统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。

UWB技术背景和概述3UWB技术背景和概述2002年4月，美国联邦通信委员会(FCC)发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。规定中将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统。FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1-10.6GHz，发射机的有效各向同性发射功率不得高于-41.3dBm/MHz，如图1所示。

UWB技术背景和概述4UWB技术背景和概述图1FCC规定的室内UWB发射功率和频谱限制1.61.92.4Bluetooth,802.11bCordlessPhonesMicrowaveOvensGPSPCS5802.11a-41dBm/MHz“Part15Limit”UWBSpectrumFrequency(GHz)EmittedSignalPower10.63.1UWB技术背景和概述图1FCC规定的室内UWB发射功率和5UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式基带窄脉冲形式是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。典型基带窄脉冲是单周期高斯脉冲。其对应的时域和频域的数学模型可以表示为：

式中，A为脉冲的峰值幅度，是一个时间延迟长度，等于脉冲持续时间。UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式式中，A为脉冲的峰值6UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式图2单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式图2单周期高斯脉冲的时域7UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式图3一种频谱利用率高的UWB窄脉冲的时域波形和频域波形UWB通信的信号形式基带窄脉冲形式图3一种频谱利用率高的U8UWB通信的信号形式调制载波形式调制载波形式通过调制载波,将UWB信号搬移到合适的频段进行传输,从而可更加灵活、有效地利用频谱源。调制载波系统的信号处理方法与一般通信系统采用的方法类似,技术成熟度高,在目前的工艺条件下,比基带窄脉冲形式更容易实现高速系统。典型的调制载波信号方案是多带时频交织频分复用(MB-TFI-OFDM)方案和单载波直接序列码分多址(DS-CDMA)方案。

UWB通信的信号形式调制载波形式9UWB无线室内信道特性多径的到达特性

UWB无线室内信道多径的到达采用了两个泊松随机过程来描述路径的到达，其中第一个泊松随机过程描述了簇(clusters)的到达，第二个泊松随机过程描述了每簇中电波(rays)的到达。

簇到达的时间分布：簇中路径到达的时间分布：信道冲激响应模型：UWB无线室内信道特性多径的到达特性簇到达的时间分布：簇10UWB无线室内信道特性多径的到达特性

信道类型CM1CM2CM3CM4簇的到达率

（1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路径的到达率

（1/ns）2.50.52.12.1NP10dB(幅度低于峰值10dB得多径数目)12.515.324.941.2NP(85%)（85%能量捕获的多径数目）20.833.964.7123.3表1不同信道环境下多径到达率和平均多径数目的统计结果UWB无线室内信道特性多径的到达特性信道类型CM1CM2C11UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性

文献[6]表明多径的幅度衰落最合适用对数正态分布或Nakagami分布来描述。文献[7]表明路径衰落可以用莱斯分布来表示，其中莱斯因子为-9dB。文献[8]表明接收功率与均值的偏差服从瑞利分布。文献[9]表明多径的幅度衰落最合适用Gamma分布来表示。UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性12UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性当多径幅度衰落服从对数正态分布时，可表示为下列关系式。其中表示大范围对数衰落的标准差，表示小范围对数衰落的标准差，表示均值。文献[6]中给出根据实际的测量结果统计得到的模型参数为：dB，dB

UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性13UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性

图4UWB信号的信道冲激响应曲线UWB无线室内信道特性多径衰落的统计特性图4UWB信号的14UWB无线室内信道特性路径损失和阴影衰落特性路径损失表示为：是参考距离的路径损失，是信号中心频率对应的波长，是收发天线间的距离，表示阴影衰落。一般认为在UWB信道下阴影衰落服从均值为0的对数正态分布。视线传播时，路径损失指数n一般小于自由空间中路径损失指数的值。UWB无线室内信道特性路径损失和阴影衰落特性15UWB通信的实现方案无载波脉冲方案

图5无载波脉冲位置调制UWB通信系统UWB通信的实现方案无载波脉冲方案图5无载波脉冲位置调制16UWB通信的实现方案无载波脉冲方案

无载波脉冲方案是UWB通信的传统方式，也是目前文献中介绍得最多的方式。

无载波脉冲方案中，常采用跳时(TH)和直接序列扩频(DSSS)的多址方案。无载波脉冲方案中，收发信机结构简单，实现成本低。但频谱利用率不高。UWB通信的实现方案无载波脉冲方案17UWB通信的实现方案单载波DS-CDMA方案

图6单载波DS-CDMA信号频谱表2.典型单载波DS-CDMAUWB系统的部分参数UWB通信的实现方案单载波DS-CDMA方案图6单载波D18UWB通信的实现方案MB-TFI-OFDM方案MB-TFI-OFDM系统中，将可用的频段分为多个子频带，每个子频带带宽大于500MHz。每个子频带的信号为一个OFDM信号，它由许多个正交的子载波信号合成。MB-TFI-OFDM方案在频谱利用方面有很高的灵活性。MB-TFI-OFDM可以与FDMA、CDMA、TDMA等多址方式相结合，进行灵活多样的多址方案的设计。

UWB通信的实现方案MB-TFI-OFDM方案19UWB通信的实现方案MB-TFI-OFDM方案

表3.典型MB-TFI-OFDMUWB系统的部分参数UWB通信的实现方案MB-TFI-OFDM方案表3.典型20UWB技术在个人无线通信中的应用camerasCEClusterHDTVSTBsVCRsPVRscamcordersconsolegamesaudiosystemsMobileClusterhandheldPCstabletsMP3PDAsmobilephone3G

handsetscameraphoneslaptopsprintersspeakersPCClusterstorage

devicesScannersscannersDVDplayersUWB技术在个人无线通信中的应用camerasCEHDTVS21参考文献[1]J.D.Taylor.IntroductiontoUltraWidebandRadarSystems[M].BocaRaton:CRC,1995.[2]FCC.FCCNoticeofProposedRuleMaking,RevisionofPart15oftheCommission’sRulesRegardingUltra-WidebandTransmissionSystems[DB/OL]..2002-4.[3]张在琛,毕光国.超宽带无线通信技术及其应用[J].移动通信,2004,1:1-10.[4]A.Batra.Multi-bandOFDMPhysicalLayerProposalofIEEE802.15TaskGroup3a[DB/OL]./papers/MultiBand_OFDM_Physical_Layer_Proposal_for_IEEE_802.15.3a_Sept_04.pdf[DB/OL].2004-9-14.[5]R.Roberts.XtremeSpectrumCFPdocument./groups/802/15/pub/2003/Mar03/03154r0P802-15_TG3a-XtremeSpectrum-CFP-Document.pdf[DB/OL].2003-3.[6]J.R.Foerster,A.Molisch.AChannelModelforUltrawidebandIndoorCommunication[DB/OL]./reports/docs/TR2003-73.pdf[DB/OL].2004-7-2[7]J.Kunisch,J.Pamp.MeasurementResultsandModelingAspectsfortheUWBRadioChannel[A].UWBST(C).Baltimore:IEEE,2002.19–24.[8]R.J.M.Cramer,R.A.Scholtz,M.Z.Win.EvaluationofanUltrawide-bandPropagationChannel[J].IEEETransonAntennasPropagation,2002,50(5):561-570.[9]D.Cassioli,M.Z.Win,A.R.Molisch.AStatisticalModelfortheUWBIndoorChannel[A].VehicularTechnologyConference[C].Israel:IEEE,2001.1159–1163.[10]L.Rusch,C.Prettie,D.Cheung,Q.Li,M.Ho.CharacterizationofUWBPropagationfrom2to8GHzinaResidentialEnvironment[DB/OL]./technology/ultrawideband/pres_tech.htm.2004-2-20.[11]SumitRoy,JeffR.Foerster,