超宽带技术优秀课件.ppt

超宽带技术第1页，本讲稿共20页 UWB简简介介UWB的的发发展展UWB技技术术特点特点UWB与其他近距离无与其他近距离无线线技技术术比比较较UWB系统方案系统方案UWB的的应应用用UWB的前景的前景U W B2第2页，本讲稿共20页UWB简介 UWB(Ultra Wideband)超超宽带宽带是一种不是一种不用用载载波，而采用波，而采用时间间时间间隔极短隔极短(小于小于1ns)的的脉冲脉冲进进行通信的技行通信的技术术，也称做脉冲无，也称做脉冲无线电线电(Impulse Radio)、时时域域(Time Domain)或无或无载载波波(Carrier Free)通信。通信。第3页，本讲稿共20页Ultra-Wideband,UWB定义1990年美国军方首次提出“超宽带”这一概念，并规定在-20dB处的绝对带宽大于1.SGHz或相对带宽大于25%的任何信号均称之为超宽带信号。2002年，FCC对美国军方的定义作了修改，规定信号-10dB绝对带宽大于0.5GHz或相对带宽大于、等于20%，就称之为超宽带信号。这个定义使得超宽带信号不再局限于脉冲发射.第4页，本讲稿共20页UWB的发展UWB（超（超宽带宽带）概念在）概念在1960年就被提出年就被提出 1973年，第一个年，第一个UWB系系统统的的专专利被授予利被授予 从其出从其出现现到到20世世纪纪90年代之前，年代之前，UWB技技术术 主要用于主要用于军军事事上的雷达系上的雷达系统统 1993年，年，R.A.Scholtz在在军军事事 通信会通信会议议上上发发表表论证论证IR进进行行 调时调时/调调位多址技位多址技术术的的论论文，文，开辟了将开辟了将IR（脉冲无（脉冲无线电线电）作）作 为为无无线线通信通信载载体的新途径体的新途径 随着微随着微电电子器件的高速子器件的高速发发展，展，UWB技技术术开始开始应应用于民用用于民用领领 域，并在国域，并在国际际上掀起了研究和上掀起了研究和 应应用的用的热热潮，并被潮，并被认为认为是下一是下一 代无代无线线通信的革命性技通信的革命性技术术 第5页，本讲稿共20页UWB技术特点（1）抗干抗干扰扰性能性能强强 UWB采用跳采用跳时扩频时扩频信号，系信号，系统统具有具有 较较大的大的处处理增益，理增益，在在发发射射时时将微弱的无将微弱的无线电线电脉冲信号分散在脉冲信号分散在宽阔宽阔的的频带频带中，中，输输出功率甚至低于普通出功率甚至低于普通设备产设备产生的噪声。接收生的噪声。接收时时将信号将信号能量能量还还原出来，在解原出来，在解扩过扩过程中程中产产生生扩频扩频增益。因此，与增益。因此，与IEEE80211a、IEEE80211b和和蓝蓝牙相比，在同等牙相比，在同等码码速条件下，速条件下，UWB具有更具有更强强的抗干的抗干扰扰性。性。（2）传输传输速率高速率高 UWB的数据速率可以达到几十的数据速率可以达到几十Mbits到几百到几百Mbits，有望高于，有望高于蓝蓝牙牙100倍，也可以高于倍，也可以高于IEEE80211a和和IEEE80211b。第6页，本讲稿共20页UWB技术特点（3）带宽带宽极极宽宽 UWB使用的使用的带宽带宽在在1GHz以上，高达几个以上，高达几个GHz。超。超宽带宽带系系统统容量大，并且可以和目前的窄容量大，并且可以和目前的窄带带通信系通信系统统同同时时工作而工作而互不干互不干扰扰。这这在在频频率率资资源日益源日益紧张紧张的今天，开辟了一种新的今天，开辟了一种新的的时时域无域无线电资线电资源。源。（4）消耗消耗电电能小能小 通常情况下，无通常情况下，无线线通信系通信系统统在通信在通信时时需要需要连续发连续发射射载载波，波，因此要消耗一定因此要消耗一定电电能。而能。而UWB不使用不使用载载波，只是波，只是发发出瞬出瞬间间脉冲脉冲电电波，也就是直接按波，也就是直接按0和和1发发送出去，并且在需要送出去，并且在需要时时才才发发送脉冲送脉冲电电波，所以消耗波，所以消耗电电能小。能小。第7页，本讲稿共20页UWB技术特点（5）保密性好）保密性好 UWB保密性表保密性表现现在两方面：在两方面：一方面是采用跳一方面是采用跳时扩频时扩频，接收机只有已知，接收机只有已知发发送端送端扩频码时扩频码时才能解出才能解出发发射数据；射数据；另一方面是系另一方面是系统统的的发发射功率射功率谱谱密度极低，用密度极低，用传统传统的接收机的接收机无法接收。无法接收。（6）发发送功率非常小送功率非常小 UWB系系统发统发射功率非常小，通信射功率非常小，通信设备设备可以用小于可以用小于1mW的的发发射功率就能射功率就能实现实现通信。低通信。低发发射功率大大延射功率大大延长长系系统电统电源源工作工作时间时间。而且，。而且，发发射功率小，其射功率小，其电电磁波磁波辐辐射射对对人体的影人体的影响也会很小，响也会很小，第8页，本讲稿共20页UWB技术特点（7）定位精确）定位精确 冲激脉冲具有很高的定位精确，采用超冲激脉冲具有很高的定位精确，采用超宽带宽带无无线电线电通信，通信，很容易将定位与通信合一，而常很容易将定位与通信合一，而常规规无无线电难线电难以做到以做到这这一点。一点。超超宽带宽带无无线电线电具有极具有极强强的穿透能力，可在室内和地下的穿透能力，可在室内和地下进进行行精确定位，而精确定位，而GPS 定位系定位系统统只能工作在只能工作在GPS 定位定位卫卫星的星的可可视视范范围围之内；之内；与与GPS 提供提供绝对绝对地理位置不同，超短脉地理位置不同，超短脉冲定位器可以冲定位器可以给给出相出相对对位置，位置，其定位精度可达厘米其定位精度可达厘米级级，此外，超此外，超宽带宽带无无线电线电定位器更定位器更为为便宜。便宜。第9页，本讲稿共20页UWB技术特点（8）工程工程简单简单造价便宜造价便宜 在工程在工程实现实现上，上，UWB比其它无比其它无线线技技术术要要简单简单得多，可全得多，可全数字化数字化实现实现。它只需要以一种数学方式。它只需要以一种数学方式产产生脉冲，并生脉冲，并对对脉脉冲冲产产生生调调制，而制，而这这些些电电路都可以被集成到一个芯片上，路都可以被集成到一个芯片上，设设备备的成本将很低。的成本将很低。第10页，本讲稿共20页UWB 蓝牙 802.11a HomeRF的区别 UWB 蓝蓝牙牙 802.11a HomeRF速率速率(bps)=1G 1M 54M 12M距离距离(m)10 10 10100 50功率功率(毫瓦毫瓦)=1应应用范用范围围 探距离探距离 家庭或家庭或 电脑电脑和和 电脑电脑、电话电话 多媒体多媒体 办办公室公室 Internet网关网关 及移及移动设备动设备第11页，本讲稿共20页UWB系统方案 一、一、MB-OFDM方案方案二、二、DS-UWB方案方案第12页，本讲稿共20页 MB-OFDM方案方案 将频谱划分为多个宽度为将频谱划分为多个宽度为将频谱划分为多个宽度为将频谱划分为多个宽度为528 MHz528 MHz528 MHz528 MHz的子频带的子频带的子频带的子频带3 3 3 3频带方案：频带方案：频带方案：频带方案：3168 3168 3168 3168 4752 MHz 4752 MHz 4752 MHz 4752 MHz7 7 7 7频带方案：频带方案：频带方案：频带方案：3168 3168 3168 3168 4752 MHz 4752 MHz 4752 MHz 4752 MHz 和和和和 6072 6072 6072 6072 8184 MHz 8184 MHz 8184 MHz 8184 MHz后续方案还可利用更高频率的子频带后续方案还可利用更高频率的子频带后续方案还可利用更高频率的子频带后续方案还可利用更高频率的子频带 时频交织（时频交织（时频交织（时频交织（TFITFITFITFI）OFDMOFDMOFDMOFDM符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同符号在不同的时间调制不同中心频率的载波，从而在不同子频带传输子频带传输子频带传输子频带传输不同的时频序列可以用来区分不同的不同的时频序列可以用来区分不同的不同的时频序列可以用来区分不同的不同的时频序列可以用来区分不同的PiconetPiconetPiconetPiconet 优点优点优点优点采用采用采用采用OFDMOFDMOFDMOFDM技术，能够简单、有效地收集多径能量技术，能够简单、有效地收集多径能量技术，能够简单、有效地收集多径能量技术，能够简单、有效地收集多径能量采用采用采用采用OFDMOFDMOFDMOFDM技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活技术，频谱利用效率高，频谱使用灵活技术较成熟，便于技术较成熟，便于技术较成熟，便于技术较成熟，便于CMOS CMOS CMOS CMOS 实现实现实现实现第13页，本讲稿共20页MB-OFDM方案发送端原理图 MB-OFDM方案方案第14页，本讲稿共20页DS-UWB方案方案 频谱的使用频谱的使用频谱的使用频谱的使用将可用频谱分为高、低将可用频谱分为高、低将可用频谱分为高、低将可用频谱分为高、低两个频段，信号调制在两个频段，信号调制在两个频段，信号调制在两个频段，信号调制在两个频段之一传输，两两个频段之一传输，两两个频段之一传输，两两个频段之一传输，两个频段也可同时或合并个频段也可同时或合并个频段也可同时或合并个频段也可同时或合并使用使用使用使用两个频段之间为两个频段之间为两个频段之间为两个频段之间为U-NIIU-NII频段，频段，频段，频段，为避免干扰，没有使用为避免干扰，没有使用为避免干扰，没有使用为避免干扰，没有使用 最多支持最多支持最多支持最多支持8 8 8 8个个个个PiconetPiconet同时工作同时工作同时工作同时工作 FDMFDM（高、低频段）（高、低频段）（高、低频段）（高、低频段）CDMCDM（不同扩频码集合）（不同扩频码集合）（不同扩频码集合）（不同扩频码集合）每个每个每个每个PiconetPiconet内，采用内，采用内，采用内，采用TDMATDMA方式共享信道，与方式共享信道，与方式共享信道，与方式共享信道，与IEEE IEEE 802.15.3 MAC802.15.3 MAC层协议兼容层协议兼容层协议兼容层协议兼容 DS-UWB信号频谱第15页，本讲稿共20页DS-UWB方案方案DS-UWB方案发送端原理图 三进制扩频码，码长为三进制扩频码，码长为三进制扩频码，码长为三进制扩频码，码长为24242424 M M M M进制双正交键控（进制双正交键控（进制双正交键控（进制双正交键控（M-BOKM-BOKM-BOKM-BOK）平方根升余弦（平方根升余弦（平方根升余弦（平方根升余弦（RRCRRCRRCRRC）脉冲）脉冲）脉冲）脉冲第16页，本讲稿共20页UWB应用军军用方面用方面（1）UWB 雷达雷达（2）UWB L PI/D 无无线线内通系内通系统统(预预警机、警机、舰舰船等船等)（3）战术战术手持和网手持和网络络的的PL I/D 电电台台（4）警戒雷达）警戒雷达（5）UAV/UGV 数据数据链链（6）探）探测测地雷地雷（7）检测检测地下埋藏的地下埋藏的军军事目事目标标或以叶簇或以叶簇伪伪装的物体装的物体第17页，本讲稿共20页UWB应用民用方面民用方面（1）地地质质勘探及可穿透障碍物的勘探及可穿透障碍物的传传感器感器(imaging system)（2）汽）汽车车防冲撞防冲撞传传感器等感器等(vehicle radar system)（3）家）家电设备电设备及便携及便携设备设备之之间间的无的无线线数据通信数据通信(communication and measurementssystem)（4）家庭数字家庭数字娱乐娱乐中心中心第18页，本讲稿共20页UWB应用无无线线通信系通信系统统方面方面（1）LAN和和PAN（2）短距离无）短距离无线线（WSN）第19页，本讲稿共20页UWB发展发展前景 与与蓝蓝牙、牙、802111b、802115 等无等无线线通信相比，通信相比，UWB 可以提供更快、更可以提供更快、更远远、更、更宽宽的的传输传输速率，越来越多的研究速率，越来越多的研究者投入到者投入到UWB 领领域，有的域，有的单纯单纯开开发发UWB技技术术，有的开，有的开发发UWB应应有，有的兼而有之。相信有，有的兼而有之。相信UWB技技术术，不不仅为仅为低端用低端用户户所喜所喜爱爱，且在一些高端技，且在一些高端技术领术领域，在域，在军军事需求和事需求和商商业业市市场场的推的推动动下，下，UWB 技技术术将会将会进进一步一步发发展和成熟起展和成熟起来。来。第20页，本讲稿共20页