超宽带无线通信技术

UWB（超宽带无线通信技术）院系：信息科学与工程学院专业：通信工程班级：A班姓名：林俊举学号：0815231042客讲教师：陈东华老师摘要UWB（超宽带无线通信技术）的核心是冲击无线电技术，它之所以成为无线通信领域关注的热点，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的，其带宽大于目前所有通信技术的带宽，抗干扰性能强、传输速率高，满足10m之内的无线个人局域网。本文介绍了UWB的发展背景，并按照传输的数据从脉冲信号波形的产生、经信道传输、最后被接收机接收的路线进行了分析讨论。并对UWB接收机关键技术、UWB多址技术、UWB的标准化进程等方面进行了论述。本文仅对UWB技术在无线个人局域网中的应用进行了分析，并提出了UWB技术的不足之处和解决方案，最后对UWB技术的开发和发展前景作了展望。关键词超宽带无线通信技术，无线个人局域网，多址技术，脉冲调制ABSTRACTThecoreofUWB(ultra-wideband)isshockradiotechnology,thereasonthatbecomesthewirelesscorrespondencedomainattentiontheheatpoint,itdecidedtogetherbytheuserdemandandtheUWBtechnologyperformancecharacteristic.Itsbandwidthisbiggerthanallcommunicationbandwidthatpresent,theresistancetointerferenceismorestrong,thetransmissionspeedishigher,satisfiesin10metersofthewirelessindividuallocalareanetwork.ThisarticleintroducedtheUWBdevelopmentbackground,andaccordingtothetransmissionthedatafromthepulsewaveformproduction,coursethechanneltransmission,finallytheroutewhichisreceivedbythereceiverhascarriedontheanalysisdiscussion.AndtotheUWBreceiveressentialtechnology,UWBmulti-sitestechnology,UWBstandardizedadvancementandsoonwhichhascarriedontheelaboration.ThisarticlehasonlyanalysistotheUWBtechnologyinthewirelessindividuallocalareanetworkapplication,andproposedtheUWBtechnologydeficiencyandthesolution,finallyhavemadetheforecasttotheUWBtechnologydevelopmentandtheprospectsfordevelopment.KEYWORDSUltra-widebandwirelesscommunication,wirelessindividuallocalareanetwork,multi-sitestechnology,impulsemodulation目录前言…………………………………………………………………………………1第1章UWB技术背景…………………………………………………………………………31.1UWB技术的历史…………………………………………………………………31.2什么是UWB………………………………………………………………31.3UWB的空间容量…………………………………………………………6第2章UWB波形及调制技术…………………………………………………………72.1超宽带波形………………………………………………………………72.2脉冲调制方式……………………………………………………………92.3多频带脉冲调制…………………………………………………………10第3章UWB接收机关键技术…………………………………………………………113.1Rake接收机……………………………………………………………113.2定时同步技术……………………………………………………………123.3信道估计技术……………………………………………………………13第4章UWB多址技术………………………………………………………………144.1TH-PPM多址方式………………………………………………………144.2DS-CDMA多址方式………………………………………………………154.3PCTHUWB多址技术……………………………………………………164.4多载波超宽带多址技术…………………………………………………19第5章UWB的标准化进程及其应用…………………………………………………185.1UWB信号的频谱管理……………………………………………………195.2UWB的应用………………………………………………………………215.3UWB的不足与改进………………………………………………………26第6章UWB的开发及发展前景………………………………………………………266.1超宽带天线的发展………………………………………………………276.2超宽带芯片设计…………………………………………………………276.3超宽带商用产品开发……………………………………………………286．4发展与应用前景………………………………………………………29第7章结论…………………………………………………………………………29致谢……………………………………………………………………………………30参考文献………………………………………………………………………………31附录一一些主流WLAN/WPAN等标准和UWB技术的特点…………………………32附录二英文资料及其翻译…………………………………………………………33现代通信技术-UWB1前言超宽带无线通信技术（UWB）是一种无载波通信技术，UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。由于UWB系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小，被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。UWB发出的脉冲电波直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因而大大减少了耗电量。UWB技术之所以成为无线通信领域关注的热点之一，是由用户需求和UWB技术的性能特点共同决定的。在基于脉冲的UWB系统中，采用瑞克接收机合并多径信号能量并进行相干检测；信道估计问题即估计多径信号的到达时间和幅度；多址方式允许许多用户同时共享有限的频谱资源。需要分配有效信道给多个用户以获得高系统容量，对于高质量的通信，这一点必须做到，并且必须保证不导致系统性能的降低。最常见的TH-PPM多址技术和DS-CDMA多址技术等，是进行用户分离的最佳多址技术。UWB接收机的研究与开发需要解决如下的关键技术：（1）接收机技术UWB脉冲信号具有天然的多径分辨能力，因此可以采用瑞克接收技术对抗多径信道引起的时间弥散。（2）同步技术没有精确的同步算法就不能对传送的数据进行可靠的接收。（3）信道估计为了保证系统传输可靠性和功率效率。2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)批准限用于军用雷达的超宽带(UWB)技术可运用于民用产品上，同年4月，批准将3.1GHz和10.6GHz之间的免授权频段分配给UWB使用。自此，此项技术开始引起业界广泛关注。UWB在公共安全、军事效能、航空安全、医疗应用以及消费类产品与服务等诸多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分，人们对实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备与因特网之间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。现代通信技术-UWB2UWB的主要特点是传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低等，有可能成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。现代通信技术-UWB3第1章UWB技术背景1.1UWB技术的历史对超宽带（UWB，Ultra-Wideband）无限技术（简称UWB技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)----冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定：()()ythuxtudu（1-1）然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB系统的开发。1973年，Sperry获得了第一个UWB通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。[1]表1-1一些UWB里程碑事件[1]时间人物事件1969～1984年Harmuth（美国天主教大学）发表“用于雷达和无线通信的非正弦波”1972～1987年Ross和Robbins（SperryRand公司）VanEtten（罗马空军实验室）发明用于雷达和通信的UWB技术设计UWB天线、脉冲系统等1980～2000年Fullerton(TineDomain公司)McEwan(LawrenceLivermore实验室)Morey(GeophysicalSurveySystems公司)Young等（OSU公司）Beckener等（PowerSpectra公司）基于雪崩晶体管的系统和天线等基于雪崩晶体管的系统、接收机和采样器基于雪崩晶体管的商业GPR系统GPR系统、“大耳朵”和天线等堆砷化镓半导体开关管现代通信技术-UWB42002年4月22日，FCC颁布了UWB占用宽带的有关条例，允许UWB技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。[1]1.2什么是UWB？UWB的核心是冲击无线电技术，即用持续时间非常短（亚纳秒级）的脉冲波形来代替传统传输系统的持续波形。从经傅里叶变换之后的特性来看，信号所占的带宽远远大于信息本身的带宽。美国FCC对于UWB的定义为：HLcff20%f（或者总带宽为500MHz）（1-2）式中，Hf、Lf分别为功率较峰值功率下降10dB时所对应的高端频率和低端频率，cf为载波频率或中心频率。[2]图1-1UWB频谱与其