超寬帶(UWB)教學講解課件

超寬帶（UWB）

無線通信技術報告：鄧雙成2004-12-24超寬帶（UWB）

無線通1UWB無線通信技術介紹UWB技術背景和概述UWB通信的信號形式UWB無線室內信道特性

UWB通信的實現(xiàn)方案

UWB無線通信技術介紹2UWB技術背景和概述超寬帶(UltraWideband,UWB)無線通信的歷史可以追溯到上個世紀50年代，早期的超寬帶系統(tǒng)利用占用頻帶極寬的超短基帶脈沖進行通信，主要應用于軍用的雷達，以及低截獲率/低偵測率的通信系統(tǒng)。

UWB技術背景和概述3UWB技術背景和概述2002年4月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。規(guī)定中將相對帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱為UWB系統(tǒng)。FCC對UWB系統(tǒng)所使用的頻譜范圍規(guī)定為3.1-10.6GHz，發(fā)射機的有效各向同性發(fā)射功率不得高于-41.3dBm/MHz，如圖1所示。

UWB技術背景和概述4UWB技術背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內UWB發(fā)射功率和頻譜限制Bluetooth,802.11bCordlessPhonesMicrowaveOvensGPSPCS5802.11a-41dBm/MHz“Part15Limit”UWBSpectrumFrequency(GHz)EmittedSignalPower10.63.1UWB技術背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內UWB發(fā)射功率和5UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式基帶窄脈沖形式是UWB通信最早采用的信號形式，一般來說它的工作脈寬是納秒級的。典型基帶窄脈沖是單周期高斯脈沖。其對應的時域和頻域的數(shù)學模型可以表示為：

式中，A為脈沖的峰值幅度，是一個時間延遲長度，等于脈沖持續(xù)時間。UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式式中，A為脈沖的峰值6UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時域7UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖3一種頻譜利用率高的UWB窄脈沖的時域波形和頻域波形UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖3一種頻譜利用率高的U8UWB通信的信號形式調制載波形式調制載波形式通過調制載波,將UWB信號搬移到合適的頻段進行傳輸,從而可更加靈活、有效地利用頻譜源。調制載波系統(tǒng)的信號處理方法與一般通信系統(tǒng)采用的方法類似,技術成熟度高,在目前的工藝條件下,比基帶窄脈沖形式更容易實現(xiàn)高速系統(tǒng)。典型的調制載波信號方案是多帶時頻交織頻分復用(MB-TFI-OFDM)方案和單載波直接序列碼分多址(DS-CDMA)方案。

UWB通信的信號形式調制載波形式9UWB無線室內信道特性多徑的到達特性

UWB無線室內信道多徑的到達采用了兩個泊松隨機過程來描述路徑的到達，其中第一個泊松隨機過程描述了簇(clusters)的到達，第二個泊松隨機過程描述了每簇中電波(rays)的到達。

簇到達的時間分布：簇中路徑到達的時間分布：信道沖激響應模型：UWB無線室內信道特性多徑的到達特性簇到達的時間分布：簇10UWB無線室內信道特性多徑的到達特性

信道類型CM1CM2CM3CM4簇的到達率

（1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路徑的到達率

（1/ns）2.1NP10dB(幅度低于峰值10dB得多徑數(shù)目)12.515.324.941.2NP(85%)（85%能量捕獲的多徑數(shù)目）20.833.964.7123.3表1不同信道環(huán)境下多徑到達率和平均多徑數(shù)目的統(tǒng)計結果UWB無線室內信道特性多徑的到達特性信道類型CM1CM2C11UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性

文獻[6]表明多徑的幅度衰落最合適用對數(shù)正態(tài)分布或Nakagami分布來描述。文獻[7]表明路徑衰落可以用萊斯分布來表示，其中萊斯因子為-9dB。文獻[8]表明接收功率與均值的偏差服從瑞利分布。文獻[9]表明多徑的幅度衰落最合適用Gamma分布來表示。UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性12UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性當多徑幅度衰落服從對數(shù)正態(tài)分布時，可表示為下列關系式。其中表示大范圍對數(shù)衰落的標準差，表示小范圍對數(shù)衰落的標準差，表示均值。文獻[6]中給出根據(jù)實際的測量結果統(tǒng)計得到的模型參數(shù)為：dB，dB

UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性13UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性

圖4UWB信號的信道沖激響應曲線UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性圖4UWB信號的14UWB無線室內信道特性路徑損失和陰影衰落特性路徑損失表示為：是參考距離的路徑損失，是信號中心頻率對應的波長，是收發(fā)天線間的距離，表示陰影衰落。一般認為在UWB信道下陰影衰落服從均值為0的對數(shù)正態(tài)分布。視線傳播時，路徑損失指數(shù)n一般小于自由空間中路徑損失指數(shù)的值。UWB無線室內信道特性路徑損失和陰影衰落特性15UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案

圖5無載波脈沖位置調制UWB通信系統(tǒng)UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案圖5無載波脈沖位置調制16UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案

無載波脈沖方案是UWB通信的傳統(tǒng)方式，也是目前文獻中介紹得最多的方式。

無載波脈沖方案中，常采用跳時(TH)和直接序列擴頻(DSSS)的多址方案。無載波脈沖方案中，收發(fā)信機結構簡單，實現(xiàn)成本低。但頻譜利用率不高。UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案17UWB通信的實現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案

圖6單載波DS-CDMA信號頻譜表2.典型單載波DS-CDMAUWB系統(tǒng)的部分參數(shù)UWB通信的實現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案圖6單載波D18UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案MB-TFI-OFDM系統(tǒng)中，將可用的頻段分為多個子頻帶，每個子頻帶帶寬大于500MHz。每個子頻帶的信號為一個OFDM信號，它由許多個正交的子載波信號合成。MB-TFI-OFDM方案在頻譜利用方面有很高的靈活性。MB-TFI-OFDM可以與FDMA、CDMA、TDMA等多址方式相結合，進行靈活多樣的多址方案的設計。

UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案19UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案

表3.典型MB-TFI-OFDMUWB系統(tǒng)的部分參數(shù)UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案表3.典型20UWB技術在個人無線通信中的應用camerasCEClusterHDTVSTBsVCRsPVRscamcordersconsolegamesaudiosystemsMobileClusterhandheldPCstabletsMP3PDAsmobilephone3G

handsetscameraphoneslaptopsprintersspeakersPCClusterstorage

devicesScannersscannersDVDplayersUWB技術在個人無線通信中的應用camerasCEHDTVS21參考文獻[1]J.D.Taylor.IntroductiontoUltraWidebandRadarSystems[M].BocaRaton:CRC,1995.[2]FCC.FCCNoticeofProposedRuleMaking,RevisionofPart15oftheCommission’sRulesRegardingUltra-WidebandTransmissionSystems[DB/OL]..2002-4.[3]張在琛,畢光國.超寬帶無線通信技術及其應用[J].移動通信,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,V.SrinivasaSomayazulu,DaveG.Leeper.UltrawidebandRadioDesigan:thePromiseofHigh-speed,Short-rangeWirelessConnectivity[J].ProceedingsoftheIEEE,2004,92(2),:295-311.參考文獻[1]J.D.Taylor.Introduc22Thankyou!超寬帶(UWB)教學講解課件23超寬帶（UWB）

無線通信技術報告：鄧雙成2004-12-24超寬帶（UWB）

無線通24UWB無線通信技術介紹UWB技術背景和概述UWB通信的信號形式UWB無線室內信道特性

UWB通信的實現(xiàn)方案

UWB無線通信技術介紹25UWB技術背景和概述超寬帶(UltraWideband,UWB)無線通信的歷史可以追溯到上個世紀50年代，早期的超寬帶系統(tǒng)利用占用頻帶極寬的超短基帶脈沖進行通信，主要應用于軍用的雷達，以及低截獲率/低偵測率的通信系統(tǒng)。

UWB技術背景和概述26UWB技術背景和概述2002年4月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)發(fā)布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。規(guī)定中將相對帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱為UWB系統(tǒng)。FCC對UWB系統(tǒng)所使用的頻譜范圍規(guī)定為3.1-10.6GHz，發(fā)射機的有效各向同性發(fā)射功率不得高于-41.3dBm/MHz，如圖1所示。

UWB技術背景和概述27UWB技術背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內UWB發(fā)射功率和頻譜限制Bluetooth,802.11bCordlessPhonesMicrowaveOvensGPSPCS5802.11a-41dBm/MHz“Part15Limit”UWBSpectrumFrequency(GHz)EmittedSignalPower10.63.1UWB技術背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內UWB發(fā)射功率和28UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式基帶窄脈沖形式是UWB通信最早采用的信號形式，一般來說它的工作脈寬是納秒級的。典型基帶窄脈沖是單周期高斯脈沖。其對應的時域和頻域的數(shù)學模型可以表示為：

式中，A為脈沖的峰值幅度，是一個時間延遲長度，等于脈沖持續(xù)時間。UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式式中，A為脈沖的峰值29UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時域波形和頻域特性UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時域30UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖3一種頻譜利用率高的UWB窄脈沖的時域波形和頻域波形UWB通信的信號形式基帶窄脈沖形式圖3一種頻譜利用率高的U31UWB通信的信號形式調制載波形式調制載波形式通過調制載波,將UWB信號搬移到合適的頻段進行傳輸,從而可更加靈活、有效地利用頻譜源。調制載波系統(tǒng)的信號處理方法與一般通信系統(tǒng)采用的方法類似,技術成熟度高,在目前的工藝條件下,比基帶窄脈沖形式更容易實現(xiàn)高速系統(tǒng)。典型的調制載波信號方案是多帶時頻交織頻分復用(MB-TFI-OFDM)方案和單載波直接序列碼分多址(DS-CDMA)方案。

UWB通信的信號形式調制載波形式32UWB無線室內信道特性多徑的到達特性

UWB無線室內信道多徑的到達采用了兩個泊松隨機過程來描述路徑的到達，其中第一個泊松隨機過程描述了簇(clusters)的到達，第二個泊松隨機過程描述了每簇中電波(rays)的到達。

簇到達的時間分布：簇中路徑到達的時間分布：信道沖激響應模型：UWB無線室內信道特性多徑的到達特性簇到達的時間分布：簇33UWB無線室內信道特性多徑的到達特性

信道類型CM1CM2CM3CM4簇的到達率

（1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路徑的到達率

（1/ns）2.1NP10dB(幅度低于峰值10dB得多徑數(shù)目)12.515.324.941.2NP(85%)（85%能量捕獲的多徑數(shù)目）20.833.964.7123.3表1不同信道環(huán)境下多徑到達率和平均多徑數(shù)目的統(tǒng)計結果UWB無線室內信道特性多徑的到達特性信道類型CM1CM2C34UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性

文獻[6]表明多徑的幅度衰落最合適用對數(shù)正態(tài)分布或Nakagami分布來描述。文獻[7]表明路徑衰落可以用萊斯分布來表示，其中萊斯因子為-9dB。文獻[8]表明接收功率與均值的偏差服從瑞利分布。文獻[9]表明多徑的幅度衰落最合適用Gamma分布來表示。UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性35UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性當多徑幅度衰落服從對數(shù)正態(tài)分布時，可表示為下列關系式。其中表示大范圍對數(shù)衰落的標準差，表示小范圍對數(shù)衰落的標準差，表示均值。文獻[6]中給出根據(jù)實際的測量結果統(tǒng)計得到的模型參數(shù)為：dB，dB

UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性36UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性

圖4UWB信號的信道沖激響應曲線UWB無線室內信道特性多徑衰落的統(tǒng)計特性圖4UWB信號的37UWB無線室內信道特性路徑損失和陰影衰落特性路徑損失表示為：是參考距離的路徑損失，是信號中心頻率對應的波長，是收發(fā)天線間的距離，表示陰影衰落。一般認為在UWB信道下陰影衰落服從均值為0的對數(shù)正態(tài)分布。視線傳播時，路徑損失指數(shù)n一般小于自由空間中路徑損失指數(shù)的值。UWB無線室內信道特性路徑損失和陰影衰落特性38UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案

圖5無載波脈沖位置調制UWB通信系統(tǒng)UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案圖5無載波脈沖位置調制39UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案

無載波脈沖方案是UWB通信的傳統(tǒng)方式，也是目前文獻中介紹得最多的方式。

無載波脈沖方案中，常采用跳時(TH)和直接序列擴頻(DSSS)的多址方案。無載波脈沖方案中，收發(fā)信機結構簡單，實現(xiàn)成本低。但頻譜利用率不高。UWB通信的實現(xiàn)方案無載波脈沖方案40UWB通信的實現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案

圖6單載波DS-CDMA信號頻譜表2.典型單載波DS-CDMAUWB系統(tǒng)的部分參數(shù)UWB通信的實現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案圖6單載波D41UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案MB-TFI-OFDM系統(tǒng)中，將可用的頻段分為多個子頻帶，每個子頻帶帶寬大于500MHz。每個子頻帶的信號為一個OFDM信號，它由許多個正交的子載波信號合成。MB-TFI-OFDM方案在頻譜利用方面有很高的靈活性。MB-TFI-OFDM可以與FDMA、CDMA、TDMA等多址方式相結合，進行靈活多樣的多址方案的設計。

UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案42UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案

表3.典型MB-TFI-OFDMUWB系統(tǒng)的部分參數(shù)UWB通信的實現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案表3.典型43UWB技術在個人無線通信中的應用camerasCEClusterHDTVSTBsVCRsPVRscamcordersconsolegamesaudiosystemsMobileClusterhandheldPCstabletsMP3PDAsmobilephone3G

handsetscameraphoneslaptopsprintersspeakersPCClusterstorage

devicesScannersscannersDVDplayersUWB技術在個人無線通信中的應用camerasCEHDTVS44參考文獻[1]J.D.Taylor.IntroductiontoUltraWidebandRadarSystems[M].BocaRaton:CRC,1995.[2]FCC.FCCNoticeofProposedRuleMaking,RevisionofPart15oftheCommission’sRulesRegardingUltra-WidebandTransmissionSystems[DB/OL]..2002-4.[3]張在琛,畢光國.超寬帶無線通信技術及其應用[J].移動通信,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.AChannelModelforUltrawideban