超宽带无线电基础,武汉理工大学信息工程学院 胡君萍,章节安排,第一章概述 第二章超宽带实现技术 第三章超宽带系统与其它通信系统的共存性探讨 第四章超宽带脉冲波形研究 超宽带信道模型 超宽带天线 认知超宽带,第一章 概述,超宽带无线电发展历史 超宽带定义 超宽带技术的特点 超宽带研究现状,1.1 超宽带无线电发展历史,超宽带（Ultra WideBand，简写为UWB）是利用超宽频带的电波进行高速无线通信的技术 超宽带技术可以追溯到十九世纪在十九世纪后期由马可尼研制的火花间隙无线电被用于传送莫尔斯电码，到1924年，由于火花间隙无线电的射频辐射无法调节，其在大多数的应用中被禁止从此以后，基于载波的无线电技术占了统治地位到了二十世纪六十年代，随着采样示波器、雪崩晶体管、隧道二极管的发明以及亚纳秒级脉冲发生技术的开发，可以产生近似的冲激脉冲激励，从而微波网的冲激响应可以直接进行观察和测量冲激响应测量方面的研究导致了基于脉冲的传输被应用于雷达和通信中（仅限于军事、灾害救援搜索雷达定位及测距等方面）到80 年代后期， 该技术开始被称为“无载波”无线电，或脉冲无线电 美国国防部在1989 年首次使用了“超带宽”这一术语表示脉冲无线电。
随着2002年美国联邦通信委员会FCC开放超宽带技术的民用，超宽带技术受到重视，大批机构涌入研究，出现了新的超宽带实现技术，比如直接序列扩频、多带正交频分复用，超宽带技术的定义也随之进行了调整§1.2 超宽带定义,现在的超宽带己经不局限于早期的脉冲形式的无线电，任何无线电系统，只要它满足下面的条件之一就称为超宽带系统（FCC的定义）： (1) (2) fH、fL是信号功率谱密度在-10dB处测量的值 也就是说，只要无线通信系统的相对带宽不低于20%或绝对带宽不低于500 MHz，就是超宽带无线通信系统窄带的相对带宽 小于1% ，宽带的相对带宽在1% 到20% 之间为了避免民用的超宽带系统对已有的无线通信系统（GPS、航空系统、802.11n）产生干扰， FCC在2002年4月发布了针对超宽带的报告和规范，规范根据三类用途的超宽带通信系统可能产生的干扰，对它们的频谱使用范围和功率辐射进行了严格和具体规定 三类用途的超宽带通信系统为 包括探地雷达（GPR）、穿墙雷达的成像系统、监视器以及医疗成像设备； 车载雷达系统； 通信和测量系统,FCC对不同用途的超宽带设备频谱使用范围的规定,探地雷达与墙壁成像系统：低于960 MHz或3.1~10.6GHz 墙壁穿透成像系统：低于960 MHz或1.99~10.6GHz 监视系统：1.99~10.6GHz 医疗系统、通信和测量系统：3.1~10.6GHz 车载雷达：22~29GHz，另外，中心频率和最高辐射电平点的频率必须大于24.075GHz。
FCC对超宽带设备的功率辐射限制,FCC对超宽带设备的功率辐射限制以EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）指标给出所谓EIRP，即有效全向辐射功率，是一个天线的输入功率与某个指定方向天线增益的乘积相对全向天线的值UWB 辐射限度 GPRs and 墙壁成像系统,UWB 排放限度 车载雷达系统,UWB 排放限度 室内通讯系统,UWB 排放限度 室外 (手持) 通讯系统,§1.3 超宽带技术的特点,超宽带有很大的绝对带宽，根据香农定理C=Blog2(1＋S/N) 其中C是可得到的链路速度 ，超宽带具有以下特点： 小的干扰，共享频谱资源 ——信息被扩展到很宽的频谱上，故UWB系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于FCC规定的电磁兼容背景噪声电平（-41.3dBm—FCC Part15），所以对其他通信系统的干扰小，可以与其他无线通信系统共享频谱资源固有的保密性 ——由于功率谱密度非常低，几乎被湮没在各种电磁干扰和噪声中，具有隐蔽性好、低截获率、保密性好等优点地理定位能力好 ——在严重的多径环境下，定位精度大约为C/B，C是光速，B是信号带宽 高的数据传输速度。
——UWB的传输速率可达几十Mbps～几Gbps 其单位区域内通信容量高，可超过每平方米1000Kbps ——IEEE802.11b仅为每平方米1Kbps，蓝牙技术为每平方米30Kbps，IEEE802.11a也只为每平方米83Kbps 低功耗 ——超宽带技术在实现同样传输速率时，功率消耗仅有传统技术的1/10~1/100脉冲方式的超宽带系统还具有以下特点： 低成本 脉冲无线电超宽带系统是无载波的通信系统，结构相对简单，实现成本低 具有穿墙/穿楼层能力 极窄脉冲信号占有很宽的带宽，包含有低频信号，低频信号具有穿透能力,,抗多径衰落能力强 采用基带脉冲形式的UWB信号，与采用正弦载波的传统无线通信信号的衰减特性不同天线发射的正弦电磁波，在自由空间的衰减与距离的平方成正比，在密集多径环境中，衰减与距离的3~4次方成正比而UWB信号采用极窄脉冲信号，能量非常集中，瞬时功率很高，在密集多径环境中各径信号重叠抵消的几率很低，具有很好的分集效果1.4超宽带的应用前景,UWB在无线个域网中的应用 目前超宽带比较热门的应用是无线个域网WPAN，通过UWB将PC机与其周边设备、移动设备与固定设备之间建立高速无线连接 。
WiMedia联盟的多媒体无线超平台（见图1-3）是一个很好的基于UWB的短距离无线多媒体构架或应用方案，以UWB为物理层技术形成无线超平台，再加上相应的协议适应层，使得各种数字设备以USB、1394、蓝牙协议进行无线连接或接入IP网UWB在智能交通信息中的应用 利用超宽带的定位和搜索能力，我们可以制造防碰和防障碍物的汽车雷达 利用UWB我们可以建立智能交通管理系统，这种系统应该由若干个站台装置和一些车载装置组成无线通信网，两种装置之间通过UWB进行通信完成各种功能例如实现不停车的自动收费，汽车方的随时定位测量、道路信息和行驶建议的随时获取，站台方对移动汽车的定位搜索和速度测量等等 UWB 的成像应用 由于UWB具有好的穿透墙和楼层的能力，UWB可以应用于成像系统 利用UWB技术，我们可以制造穿墙雷达和穿地雷达穿墙雷达可以用在战场上和警察的防暴行动中，定位墙后和角落的敌人地面穿透雷达可以用来探测矿产，在地震或其他灾难后搜寻幸存者基于UWB的成像系统也可以用于不期望使用X射线的医学系统UWB在智能标识中的应用 UWB技术可以被用作一种射频识别技术将存储信息的RAM和UWB芯片集成制造为智能标签，附到各种物品上，再将UWB芯片集成到带CPU的阅读器或搜索器上，就可以对各种物品进行智能识别、管理了。
UWB在军事领域中的应用 由于UWB具有低截获率，最早应用于军事领域，如雷达、战场上给士兵定位无线传感网§1.5 UWB的研究现状,由于超宽带显著的优点，超宽带一经在民用领域开放，就有很多的公司、研究机构对其进行开发研究，出现了多种技术方案，为了使将来的超宽带产品能够互联互通，必须建立国际上统一的超宽带标准，IEEE802.15.3a工作组专门就UWB制定高速个域网标准冲激无线电（IR）的基本专利大部分被几家小公司所占有后来由于许多大的通信和IT厂商的加入，物理层标准逐渐分化为两大阵营，即多频带正交频分复用（MB-OFDM）和直接序列超宽带（DS-UWB），这两大阵营的背后分别是多频带正交频分复用联盟（MBOA，现合并到WiMedia联盟）和超宽带论坛（UWB Forum）两大产业联盟由于自2003年以来，IEEE802.15.3a UWB工作组无法在MB- OFDM和DS-UWB两项方案的表决上，达成75%的多数同意，于2006年1月宣布解散UWB标准交由市场决定虽然UWB的标准化工作一直陷入僵局并被迫停止，但UWB的研发和产业化进程却从来没有停止过，而是以日新月异的速度在发展变化。
2005年5月， Pulse-Link公司公布了自己的UWB架构及芯片，该公司称其物理层支持2Gb/s操作，称为C-WAVE方案这表明，除了两大联盟以外，其他的研究机构、公司并没有放弃对新的UWB物理层技术的研究 2005年7月和2005年8月基于DS-UWB和基于MB-OFDM的UWB芯片分别得到美国FCC的认证2005年10月，美国飞思卡尔半导体（Freescale Semiconductor，Inc.）和Open Interface（北美）公司日前试制出了通过在物理层使用UWB，将最大数据传输速度提高至100Mbit/秒的蓝牙系统其目的是实现计划2006年完成标准化作业的下一代蓝牙规格“Bluetooth Version 3.0” UWB在高速无线个域网应用的具体实现就是无线USB，基于DS-UWB的“无线USB”产品将在2006 年9月面市，而基于MB-OFDM的“Certified Wireless USB”将在2006 年底推向市场，“Certified Wireless USB”和“无线USB”产品不能相互通讯 在无线通信领域，另一个新兴的通信技术是认知无线电，超宽带技术的一个研究方向就是将超宽带技术与认知无线电相结合。
国内研究现状,我国在2001年9月初发布的“十五”国家863计划通信技术主题研究项目中，首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作 相关报道： 2005年12月23日，由国家863计划资助，东南大学超宽带课题组负责的我国第一套高速超宽带（Ultra-Wideband， UWB）无线通信实验系统通过验收该系统采用自主设计的双载波－正交频分复用（Dual Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing， DC-OFDM）方案，无线传输速率达到110 Mbps，传输距离超过10米，可用来同时传输4路高清度电视节目或未压缩视频图像，也可用于高速无线数据传输2006年1月，北京邮电大学主持的“超宽带无线通信技术及其电磁兼容的研究”项目已经通过教育部科技研究重点项目验收该项目对超宽带(UWB)无线通信的新技术及其电磁兼容进行了广泛深入的研究，在超宽带无线通信系统的脉冲形成、调制解调、多址接入、同步技术以及电磁兼容等方面，取得了一系列具有创新性的研究成果 2006年4月27日，由中国科大和清华大学共同承担的国家863计划重大项目“基于脉冲体制的超宽带无线通信关键技术研究与系统演示”顺利通过863计划通信技术主题专家组的验收。
同时，国家自然基金对超宽带技术的研究给予资助 我国从事超宽带技术研究的机构还较少，主要是高等院校，在超宽带理论方面的研究处以跟踪国外的状态，应用研究与国外有一定差距第二章 超宽带实现技术,IR-UWB 传统的超宽带实现技术 DS-UWB FCC发布了民用超宽带的辐射限制后，IR-UWB方案的改进版 MB-UWB 非脉冲调制技术，使用正交频分复用技术，即载波调制，信号带宽大于500MHz2.1 IR-UWB,IR-UWB（Impulse Radio UWB）为UWB通信的传统方式 2.1.1脉冲调制方式 （ IR-UWB 的关键技术） 脉冲调制方式从携带的信息来看，可以分为数据信息调制和多址调制 基本的数据信息调制方式： 脉冲幅度调制（PAM, Pulse Amplitude Modulation） 开关键控（OOK，On Off Keying） 二进制相位调制（Biphase Modelation） 脉冲位置调制（PPM，Pulse Position Modulation） 数字脉冲间隔调制（DPIM，Digtal Pulse Interval Modulation） 脉冲波形调制（PSM，Pulse Shape Modulation） 多维双正交键控（M-BOK，Multipl。