超寬帶(UWB)教學(xué)講解課件

超寬帶（UWB）

無(wú)線通信技術(shù)報(bào)告：鄧雙成2004-12-24超寬帶（UWB）

無(wú)線通1UWB無(wú)線通信技術(shù)介紹UWB技術(shù)背景和概述UWB通信的信號(hào)形式UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性

UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案

UWB無(wú)線通信技術(shù)介紹2UWB技術(shù)背景和概述超寬帶(UltraWideband,UWB)無(wú)線通信的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)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(jìn)行通信，主要應(yīng)用于軍用的雷達(dá)，以及低截獲率/低偵測(cè)率的通信系統(tǒng)。

UWB技術(shù)背景和概述3UWB技術(shù)背景和概述2002年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)布了民用UWB設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。規(guī)定中將相對(duì)帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱(chēng)為UWB系統(tǒng)。FCC對(duì)UWB系統(tǒng)所使用的頻譜范圍規(guī)定為3.1-10.6GHz，發(fā)射機(jī)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(shù)背景和概述4UWB技術(shù)背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內(nèi)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(shù)背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內(nèi)UWB發(fā)射功率和5UWB通信的信號(hào)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(hào)形式，一般來(lái)說(shuō)它的工作脈寬是納秒級(jí)的。典型基帶窄脈沖是單周期高斯脈沖。其對(duì)應(yīng)的時(shí)域和頻域的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，A為脈沖的峰值幅度，是一個(gè)時(shí)間延遲長(zhǎng)度，等于脈沖持續(xù)時(shí)間。UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式式中，A為脈沖的峰值6UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時(shí)域波形和頻域特性UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時(shí)域7UWB通信的信號(hào)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(shí)域波形和頻域波形UWB通信的信號(hào)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(hào)形式調(diào)制載波形式調(diào)制載波形式通過(guò)調(diào)制載波,將UWB信號(hào)搬移到合適的頻段進(jìn)行傳輸,從而可更加靈活、有效地利用頻譜源。調(diào)制載波系統(tǒng)的信號(hào)處理方法與一般通信系統(tǒng)采用的方法類(lèi)似,技術(shù)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(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)。典型的調(diào)制載波信號(hào)方案是多帶時(shí)頻交織頻分復(fù)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(hào)形式調(diào)制載波形式9UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性

UWB無(wú)線室內(nèi)信道多徑的到達(dá)采用了兩個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述路徑的到達(dá)，其中第一個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程描述了簇(clusters)的到達(dá)，第二個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程描述了每簇中電波(rays)的到達(dá)。

簇到達(dá)的時(shí)間分布：簇中路徑到達(dá)的時(shí)間分布：信道沖激響應(yīng)模型：UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性簇到達(dá)的時(shí)間分布：簇10UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性

信道類(lèi)型CM1CM2CM3CM4簇的到達(dá)率

（1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路徑的到達(dá)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(dá)率和平均多徑數(shù)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性信道類(lèi)型CM1CM2C11UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性

文獻(xiàn)[6]表明多徑的幅度衰落最合適用對(duì)數(shù)正態(tài)分布或Nakagami分布來(lái)描述。文獻(xiàn)[7]表明路徑衰落可以用萊斯分布來(lái)表示，其中萊斯因子為-9dB。文獻(xiàn)[8]表明接收功率與均值的偏差服從瑞利分布。文獻(xiàn)[9]表明多徑的幅度衰落最合適用Gamma分布來(lái)表示。UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性12UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性當(dāng)多徑幅度衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，可表示為下列關(guān)系式。其中表示大范圍對(duì)數(shù)衰落的標(biāo)準(zhǔn)差，表示小范圍對(duì)數(shù)衰落的標(biāo)準(zhǔn)差，表示均值。文獻(xiàn)[6]中給出根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的模型參數(shù)為：dB，dB

UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性13UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性

圖4UWB信號(hào)的信道沖激響應(yīng)曲線UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性圖4UWB信號(hào)的14UWB無(wú)線室內(nèi)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(hào)中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，是收發(fā)天線間的距離，表示陰影衰落。一般認(rèn)為在UWB信道下陰影衰落服從均值為0的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。視線傳播時(shí)，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(wú)線室內(nèi)信道特性路徑損失和陰影衰落特性15UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案

圖5無(wú)載波脈沖位置調(diào)制UWB通信系統(tǒng)UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案圖5無(wú)載波脈沖位置調(diào)制16UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案

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

無(wú)載波脈沖方案中，常采用跳時(shí)(TH)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的多址方案。無(wú)載波脈沖方案中，收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低。但頻譜利用率不高。UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案17UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案

圖6單載波DS-CDMA信號(hào)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(shí)現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案圖6單載波D18UWB通信的實(shí)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(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶帶寬大于500MHz。每個(gè)子頻帶的信號(hào)為一個(gè)OFDM信號(hào)，它由許多個(gè)正交的子載波信號(hào)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(jié)合，進(jìn)行靈活多樣的多址方案的設(shè)計(jì)。

UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案19UWB通信的實(shí)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(shí)現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案表3.典型20UWB技術(shù)在個(gè)人無(wú)線通信中的應(yīng)用camerasCEClusterHDTVSTBsVCRsPVRscamcordersconsolegamesaudiosystemsMobileClusterhandheldPCstabletsMP3PDAsmobilephone3G

handsetscameraphoneslaptopsprintersspeakersPCClusterstorage

devicesScannersscannersDVDplayersUWB技術(shù)在個(gè)人無(wú)線通信中的應(yīng)用camerasCEHDTVS21參考文獻(xiàn)[1]J.D.Taylor.IntroductiontoUltraWidebandRadarSystems[M].BocaRaton:CRC,1995.[2]FCC.FCCNoticeofProposedRuleMaking,RevisionofPart15oftheCommission’sRulesRegardingUltra-WidebandTransmissionSystems[DB/OL]..2002-4.[3]張?jiān)阼?畢光國(guó).超寬帶無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用[J].移動(dòng)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(xiàn)[1]J.D.Taylor.Introduc22Thankyou!超寬帶(UWB)教學(xué)講解課件23超寬帶（UWB）

無(wú)線通信技術(shù)報(bào)告：鄧雙成2004-12-24超寬帶（UWB）

無(wú)線通24UWB無(wú)線通信技術(shù)介紹UWB技術(shù)背景和概述UWB通信的信號(hào)形式UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性

UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案

UWB無(wú)線通信技術(shù)介紹25UWB技術(shù)背景和概述超寬帶(UltraWideband,UWB)無(wú)線通信的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)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(jìn)行通信，主要應(yīng)用于軍用的雷達(dá)，以及低截獲率/低偵測(cè)率的通信系統(tǒng)。

UWB技術(shù)背景和概述26UWB技術(shù)背景和概述2002年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)發(fā)布了民用UWB設(shè)備使用頻譜和功率的初步規(guī)定。規(guī)定中將相對(duì)帶寬大于0.2或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻帶寬大于500MHz的通信系統(tǒng)稱(chēng)為UWB系統(tǒng)。FCC對(duì)UWB系統(tǒng)所使用的頻譜范圍規(guī)定為3.1-10.6GHz，發(fā)射機(jī)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(shù)背景和概述27UWB技術(shù)背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內(nèi)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(shù)背景和概述圖1FCC規(guī)定的室內(nèi)UWB發(fā)射功率和28UWB通信的信號(hào)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(hào)形式，一般來(lái)說(shuō)它的工作脈寬是納秒級(jí)的。典型基帶窄脈沖是單周期高斯脈沖。其對(duì)應(yīng)的時(shí)域和頻域的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中，A為脈沖的峰值幅度，是一個(gè)時(shí)間延遲長(zhǎng)度，等于脈沖持續(xù)時(shí)間。UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式式中，A為脈沖的峰值29UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時(shí)域波形和頻域特性UWB通信的信號(hào)形式基帶窄脈沖形式圖2單周期高斯脈沖的時(shí)域30UWB通信的信號(hào)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(shí)域波形和頻域波形UWB通信的信號(hào)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(hào)形式調(diào)制載波形式調(diào)制載波形式通過(guò)調(diào)制載波,將UWB信號(hào)搬移到合適的頻段進(jìn)行傳輸,從而可更加靈活、有效地利用頻譜源。調(diào)制載波系統(tǒng)的信號(hào)處理方法與一般通信系統(tǒng)采用的方法類(lèi)似,技術(shù)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(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)。典型的調(diào)制載波信號(hào)方案是多帶時(shí)頻交織頻分復(fù)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(hào)形式調(diào)制載波形式32UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性

UWB無(wú)線室內(nèi)信道多徑的到達(dá)采用了兩個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述路徑的到達(dá)，其中第一個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程描述了簇(clusters)的到達(dá)，第二個(gè)泊松隨機(jī)過(guò)程描述了每簇中電波(rays)的到達(dá)。

簇到達(dá)的時(shí)間分布：簇中路徑到達(dá)的時(shí)間分布：信道沖激響應(yīng)模型：UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性簇到達(dá)的時(shí)間分布：簇33UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性

信道類(lèi)型CM1CM2CM3CM4簇的到達(dá)率

（1/ns）0.02330.40.0670.067每簇中路徑的到達(dá)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(dá)率和平均多徑數(shù)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑的到達(dá)特性信道類(lèi)型CM1CM2C34UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性

文獻(xiàn)[6]表明多徑的幅度衰落最合適用對(duì)數(shù)正態(tài)分布或Nakagami分布來(lái)描述。文獻(xiàn)[7]表明路徑衰落可以用萊斯分布來(lái)表示，其中萊斯因子為-9dB。文獻(xiàn)[8]表明接收功率與均值的偏差服從瑞利分布。文獻(xiàn)[9]表明多徑的幅度衰落最合適用Gamma分布來(lái)表示。UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性35UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性當(dāng)多徑幅度衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，可表示為下列關(guān)系式。其中表示大范圍對(duì)數(shù)衰落的標(biāo)準(zhǔn)差，表示小范圍對(duì)數(shù)衰落的標(biāo)準(zhǔn)差，表示均值。文獻(xiàn)[6]中給出根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的模型參數(shù)為：dB，dB

UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性36UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性

圖4UWB信號(hào)的信道沖激響應(yīng)曲線UWB無(wú)線室內(nèi)信道特性多徑衰落的統(tǒng)計(jì)特性圖4UWB信號(hào)的37UWB無(wú)線室內(nèi)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(hào)中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，是收發(fā)天線間的距離，表示陰影衰落。一般認(rèn)為在UWB信道下陰影衰落服從均值為0的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。視線傳播時(shí)，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(wú)線室內(nèi)信道特性路徑損失和陰影衰落特性38UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案

圖5無(wú)載波脈沖位置調(diào)制UWB通信系統(tǒng)UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案圖5無(wú)載波脈沖位置調(diào)制39UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案

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

無(wú)載波脈沖方案中，常采用跳時(shí)(TH)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)的多址方案。無(wú)載波脈沖方案中，收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低。但頻譜利用率不高。UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案無(wú)載波脈沖方案40UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案

圖6單載波DS-CDMA信號(hào)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(shí)現(xiàn)方案單載波DS-CDMA方案圖6單載波D41UWB通信的實(shí)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(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶帶寬大于500MHz。每個(gè)子頻帶的信號(hào)為一個(gè)OFDM信號(hào)，它由許多個(gè)正交的子載波信號(hào)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(jié)合，進(jìn)行靈活多樣的多址方案的設(shè)計(jì)。

UWB通信的實(shí)現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案42UWB通信的實(shí)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(shí)現(xiàn)方案MB-TFI-OFDM方案表3.典型43UWB技術(shù)在個(gè)人無(wú)線通信中的應(yīng)用camerasCEClusterHDTVSTBsVCRsPVRscamcordersconsolegamesaudiosystemsMobileClusterhandheldPCstabletsMP3PDAsmobilephone3G

handsetscameraphoneslaptopsprintersspeakersPCClusterstorage

devicesScannersscannersDVDplayersUWB技術(shù)在個(gè)人無(wú)線通信中的應(yīng)用camerasCEHDTVS44參考文獻(xiàn)[1]J.D.Taylor.IntroductiontoUltraWidebandRadarSystems[M].BocaRaton:CRC,1995.[2]FCC.FCCNoticeofProposedRuleMaking,RevisionofPart15oftheCommission’sRulesRegardingUltra-WidebandTransmissionSystems[DB/OL]..2002-4.[3]張?jiān)阼?畢光國(guó).超寬帶無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用[J].移動(dòng)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