數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件

1、超寬帶（UWB）無線通信UWB的概念及其發(fā)展UWB的技術(shù)特點(diǎn)UWB與其他無線技術(shù)的比較UWB的關(guān)鍵技術(shù)UWB的應(yīng)用與前景其他3窄帶、寬帶、超寬帶的定義信號帶寬/中心頻率窄帶1%寬帶1%25%超寬帶（UWB）25%或帶寬500Mbps上述定義的示意圖5FCC關(guān)于UWB的定義定義相對帶寬Br大于20%或帶寬大于500 MHz相對帶寬定義為-10 dB帶寬除以中心頻率這一定義還可能再修改什么是超寬帶無線通信技術(shù)是一種具備低耗電與高速傳輸?shù)臒o線個人局域網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，適合需要高質(zhì)量服務(wù)的無線通信應(yīng)用，可以用在無線個人局域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）、家庭網(wǎng)絡(luò)連接和短距離雷達(dá)等領(lǐng)域。它不采用連續(xù)的正弦波（sine w

2、aves），而是利用脈沖訊號來傳送。UWB的歷史UWB并不是一件新生事物，它已經(jīng)有幾十年的歷史了，起源于20世紀(jì)60年代Dr. Gerlad.F.Ross對微波網(wǎng)絡(luò)沖激響應(yīng)的研究。但是過去它僅僅應(yīng)用在軍事雷達(dá)和定位設(shè)備中，它也可以實(shí)現(xiàn)穿墻視物等功能。直到2002年美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）才發(fā)布商用化規(guī)范。摩托羅拉2005年7月8日已經(jīng)在臺灣成立亞洲第一座超寬帶無線通訊研發(fā)中心。UWB的發(fā)展應(yīng)用到民用領(lǐng)域FCC開放頻帶第一個專利被授予最早美國提出至今2002年1973年1960年提出UWB的技術(shù)特點(diǎn)1、共存性能好超寬帶技術(shù)可以與現(xiàn)有的其他通信系統(tǒng)共享頻譜。超寬帶通信使用的頻譜范圍從3.1GH

3、z到10.6GHz，頻譜寬度高達(dá)7.5GHz，通過發(fā)射功率的限制，避免了對其他通信系統(tǒng)的干擾。超寬帶信號的最高輻射功率為-41.3dBm，這僅僅相當(dāng)于一臺個人計(jì)算機(jī)的輻射。這樣在很低的功率譜密度下共享頻譜的方式，在頻譜資源非常緊張的今天具有極其重要的意義，這也是超寬帶興起和發(fā)展的主要原因之一.2、信道容量大，傳輸速率高 香農(nóng)信道容量公式超寬帶信號占有數(shù)百兆赫茲（MHz）甚至幾吉赫茲（GHz）帶寬，理論上可以提供極高的信道容量，達(dá)到Gbps以上的傳輸速率，或者在很低的信噪比下，以一定的傳輸速率實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。假定一個超寬帶信號使用7GHz帶寬，當(dāng)信噪比S/N低至-10dB時，超寬帶可以提供的信道容

4、量為C=7Glog2（1+0.1） 0.963Gbps，接近1Gbps。數(shù)據(jù)表明，超寬帶的空間通信容量是現(xiàn)有的通信系統(tǒng)（如：無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等）的10-1000倍以上。3、低成本，低功耗脈沖超寬帶是最早采用的一種傳輸方式，它不需要載波，而是利用極短的脈沖傳輸信息，因此，在發(fā)射端脈沖超寬帶不需要功放和混頻器，接收端也不需要中頻處理，大大降低了收發(fā)機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性和成本。同時，為了避免對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾，超寬帶信號發(fā)射功率很低，簡單的收發(fā)設(shè)備以及低功率，使得脈沖超寬帶系統(tǒng)的功耗非常低，可以使用電池長時間供電。4、信號衰減小，穿透能力強(qiáng) 正弦載波在自由空間的衰減與距離平方成反比，在密集多徑情況下

5、，信號的功率衰減更是與距離的3-4次方成反比。脈沖超寬帶信號為定向窄脈沖，不需要載波，具有較強(qiáng)的方向性，在相同的功率下，比正弦電磁波的衰減更小。同時基帶窄脈沖信號包含的低頻部分的長波具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠穿透多種材料，使其可以應(yīng)用于成像、檢測、監(jiān)視和測量等領(lǐng)域。UWB的技術(shù)特點(diǎn)5、定位精度高由于脈沖超寬帶具有較強(qiáng)的穿透能力，因此可以用于各種環(huán)境下的測距和定位。系統(tǒng)的定位精度與信號的頻譜寬度直接相關(guān)，頻譜越寬，時間分辨率越高。脈沖超寬帶發(fā)射極短的基帶窄脈沖信號具有很高的定位精度，其帶寬通常在數(shù)GHz，所以理論上其定位精度可達(dá)厘米量級。研究表明，與GPS全球定位系統(tǒng)相比，超寬帶技術(shù)具有更高的定位

6、精度。UWB的技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)GPS BluetoothIEEE802.11 UWB 定位精度 5-20m3m3m15cm6、保密和安全性能好超寬帶信號的功率譜密度非常小，淹沒在環(huán)境噪聲和其他信號中，同時又具有極寬的帶寬，很難被基于頻譜搜索的偵測設(shè)備檢測到。同時超寬帶系統(tǒng)可以采用多種擴(kuò)頻多址方式，包括：跳時擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻等，在接收端必須采用與發(fā)射端一致的擴(kuò)頻碼才能正確的解調(diào)數(shù)據(jù)，這使得使非合法用戶很難獲取合法用戶的傳輸信息，系統(tǒng)的安全性和保密性非常高。UWB的技術(shù)特點(diǎn)與其它短距離無線技術(shù)的比較 從UWB的技術(shù)參數(shù)來看，UWB的傳輸距離只有10M左右，因此我們只拿常見的短距離無線技術(shù)與

7、UWB作一對比，從中更能顯示出UWB的杰出的優(yōu)點(diǎn)。常見的短距離無線技術(shù)由IEEE802.11a、藍(lán)牙、HomeRF。 IEEE802.11a與UWB IEEE802.11a是由IEEE制定的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之一，物理層速率在54Mbps，傳輸層速率在25Mbps，它的通信距離可能達(dá)到100M，而UWB的通信距離在10M左右。在短距離的范圍(如10M以內(nèi))，IEEE802.11a的通信速率與UWB相比卻相差太大，UWB可以達(dá)到上千兆，是IEEE802.11a的幾十倍；超過這個距離范圍(即大于10M)，由于UWB發(fā)射功率受限，UWB就性能就差很多(目前從演示的產(chǎn)品來看，UWB的有效距離已擴(kuò)展到20M

8、左右)。因此從總體來看，10M以內(nèi)，802.11a無法與UWB相比；但是在10M以外，UWB無法與802.11a相比。另外與UWB相比，802.11a的功耗相當(dāng)大。 藍(lán)牙(Bluetooth)與UWB 藍(lán)牙技術(shù)是愛立信、IBM等5家公司在1998年聯(lián)合推出的一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨后成立的藍(lán)牙技術(shù)特殊興趣組織(SIG)來負(fù)責(zé)該技術(shù)的開發(fā)和技術(shù)協(xié)議的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟該組織。藍(lán)牙的傳輸距離為10cm10m。它采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，速率為1Mbps。從技術(shù)參數(shù)上來看，UWB的優(yōu)越性是比較明顯的，有效距離差不多，功耗也差不多，但UWB的速度卻快得多，是藍(lán)牙速

9、度的幾百倍。從目前的情況來看，藍(lán)牙唯一比UWB優(yōu)越的地方就是藍(lán)牙的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是隨著UWB的發(fā)展，這種優(yōu)勢就不會再是優(yōu)勢，因此有人在UWB剛出現(xiàn)時，把UWB看成是藍(lán)牙的殺手，不是沒有道理的。 HomeRF與UWB HomeRF 是專門針對家庭住宅環(huán)境而開發(fā)出來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借用了802. 11 規(guī)范中支持TCP/ IP傳輸?shù)膮f(xié)議；而其語音傳輸性能則來自DECT(無繩電話) 標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF 定義的工作頻段為2. 4GHz ，這是不需許可證的公用無線頻段。HomeRF 使用了跳頻空中接口，每秒跳頻50 次，即每秒鐘信道改換50 次。收發(fā)信機(jī)最大功率為100mW ，有效范圍約50m，其

10、速率為 1Mbps至2Mbps。寫UWB相比，各有優(yōu)勢：HomeRF的傳輸距離遠(yuǎn)，但速率太低；UWB傳輸距離只有HomeRF的五分之一，但速度卻是HomeRF的幾百倍甚至上千倍。 總結(jié)UWBIEEE802.11a藍(lán)牙HomeRF速率（bps）=1G1M54M1-2M功率（mW）=1=1距離（m）101010-10050應(yīng)用范圍探測距離多媒體電腦和Internet網(wǎng)關(guān)家庭辦公電腦電話及移動設(shè)備UWB成為研究熱點(diǎn)的原因日益缺乏的頻譜日益受限的功率日益敏感的價格1M10M100M速率功率1W10W100W1mW10mW100mW1W藍(lán)牙IEEE 802.11bIEEE 802.11aUWB速率更高功

11、耗更低Company LogoUWB的關(guān)鍵技術(shù)收發(fā)機(jī)天線信息的調(diào)制UWB脈沖信號的產(chǎn)生UWB技術(shù)原理Company LogoUWB技術(shù)原理UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機(jī)直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備復(fù)雜性。 UWB無線傳輸系統(tǒng)基本模型UWB脈沖信號的產(chǎn)生從本質(zhì)上講，產(chǎn)生極短脈沖寬度(ns級)的信號源是研究UWB技術(shù)基本的前提條件，例如單個無載波窄脈沖信號，有兩個突出的特點(diǎn)：一是激勵信號的波形為具有陡峭前沿的單個短脈沖;二是激勵信號包括很

12、寬的頻譜，從直流(DC)到微波波段。光電方法，基本原理是利用光導(dǎo)開關(guān)導(dǎo)通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由于作為激發(fā)源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿，所以得到的脈沖寬度可達(dá)到ps(10-12)量級。另外，由于光導(dǎo)開關(guān)是采用集成方法制成的，可以獲得很好的一致性，因此是最有發(fā)展前景的一種方法。電子方法，基本原理是對半導(dǎo)體PN結(jié)反向加電，使其達(dá)到雪崩狀態(tài)，并在導(dǎo)通的瞬間，取陡峭的上升沿作為脈沖信號。這種方案目前應(yīng)用得最廣泛，缺點(diǎn)是：由于采用電脈沖信號作為觸發(fā)，其前沿較寬，觸發(fā)精度受到限制，特別是在要求精確控制脈沖發(fā)生時間的場合，達(dá)不到控制的精度。另外，由于受晶體管耐壓特性的限制，這種方法一般只能產(chǎn)生幾

13、十伏到上百伏的脈沖，當(dāng)然，脈沖寬度還可以達(dá)1 ns以下。信息的調(diào)制脈沖位置調(diào)制(PPM)和脈沖幅度調(diào)制(PAM)是超寬帶無線電的兩種主要調(diào)制方式。PPM又稱時間調(diào)制(TM)，是用每個脈沖出現(xiàn)的位置超前或落后于某一標(biāo)準(zhǔn)或特定的時刻來表示某個特定信息的，因此對調(diào)制信號需要在接收端用匹配濾波的技術(shù)來正確接收，即對調(diào)制信息用交叉相關(guān)器在達(dá)到零相差的時候進(jìn)行檢測，否則，達(dá)不到正確接收的目的。而PAM是用信息符號控制脈沖幅度的一種調(diào)制方式。在UWB系統(tǒng)中，采用跳時脈沖位置調(diào)制(TMPAM)對長脈沖序列進(jìn)行調(diào)制時，每一用戶的下一塊信息將在時間上隨機(jī)分布，可在頻域內(nèi)得到更為平坦的RF信號功率分布，這使得UWB

14、信號在頻域中類似于背景噪聲。UWB天線能夠有效輻射時 域短脈沖的天線是UWB研究的另一個重要方面。作為UWB天線，應(yīng)該保證能夠達(dá)到這樣的要求：(1)天線的輸入阻抗具有超寬帶特性，即要求天線的輸入阻抗在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號能量能夠有效地輻射出去和不引起脈沖特性的改變或下降。(2)天線的相位中心具有超寬頻帶不變特性，即要求天線的相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致。UWB收發(fā)機(jī)與傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相比，UWB收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)相對簡單，但可以得到相同的性能。例如傳統(tǒng)的無線收發(fā)信機(jī)大多采用超外差式結(jié)構(gòu)，而UWB收發(fā)信機(jī)采用零差結(jié)構(gòu)就可得到相同的性能，實(shí)現(xiàn)起來也十分簡單

15、， 無需本振、功放、壓控振蕩器(VCO)、鎖相環(huán)(PLL)、混頻器等環(huán)節(jié)。UWB的應(yīng)用概述 UWB 技術(shù)多年來一直是美國軍方使用的作戰(zhàn)技術(shù)之一，但由于UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢， 同時受發(fā)射功率的限制， 在短距離范圍內(nèi)提供高速無線數(shù)據(jù)傳輸將是UWB 的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如當(dāng)前WLAN 和WPAN 的各種應(yīng)用。此外，通過降低數(shù)據(jù)率提高應(yīng)用范圍，具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低，能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)；UWB 也適用于短距離數(shù)字化的音視頻無線鏈接、短距離寬帶高速無線接入等相關(guān)民用領(lǐng)域?？偟恼f來，UWB的用途很多，主要分為軍用和民用兩個方面。 UWB在軍事

16、上的應(yīng)用在軍用方面主要用于如下領(lǐng)域如UWB 雷達(dá)、UWB LPI/ D 無線內(nèi)通系統(tǒng)(預(yù)警機(jī)、艦船等) 、戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡(luò)的IPL/ D 電臺、警戒雷達(dá)、UAV/UGV 數(shù)據(jù)鏈、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標(biāo)或以葉簇偽裝的物體 軍用方面軍事應(yīng)用（1）UWB雷達(dá)(探測地雷、反恐穿墻雷達(dá) ）。（2）UWB生命探測雷達(dá)軍用方面（3）軍事通信戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)單兵作戰(zhàn)示意圖軍用方面UWB的民用在民用方面，自從2002 年2 月14 日FCC 批準(zhǔn)將UWB 用于民用產(chǎn)品以來， UWB的民用主要包括以下3 個方面：地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器(imaging system) ；汽車防沖撞傳感器等(vehicl

17、e radar system) ；家電設(shè)備及便攜設(shè)備之間的無線數(shù)據(jù)通信( communication and measurementssystem) UWB的民用示例UWB的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是家庭數(shù)字娛樂中心。在過去幾年里，家庭電子消費(fèi)產(chǎn)品層出不窮。PC、DVD 、DVR 、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、HDTV 、PDA 、數(shù)字機(jī)頂盒、MD、MP3、智能家電等等出現(xiàn)在普通家庭里。家庭數(shù)字娛樂中心的概念是：將來你的住宅中的PC、娛樂設(shè)備、智能家電和Internet都連接在一起，你可以在任何地方使用它們。舉例來說，你儲存的視頻數(shù)據(jù)可以在PC、DVD、TV、PDA 等設(shè)備上共享觀看，可以自由地同Inter

18、net交互信息，你可以遙控你的PC，讓它控制你的信息家電，讓它們有條不紊地工作，你也可以通過Internet聯(lián)機(jī)，用無線手柄結(jié)合音、像設(shè)備營造出逼真的虛擬游戲空間。如何把這些相互獨(dú)立的信息產(chǎn)品有機(jī)地結(jié)合起來，這是建立家庭數(shù)字娛樂中心一個關(guān)鍵技術(shù)問題。從前面對UWB的技術(shù)特點(diǎn)來看，UWB技術(shù)無疑是一個很好的選擇。 民用方面（1）地質(zhì)勘探及生命探測探底雷達(dá)（2）汽車防沖撞等 民用方面（3）家庭設(shè)備及便攜設(shè)備之間的無線通信三星C27A750 無線顯示器 民用方面UWB的發(fā)展前景 如前所述，UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，已經(jīng)證實(shí)能夠在戶內(nèi)提供超過480Mbps 的可靠數(shù)據(jù)傳輸。與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比，UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)