UWB定位技术研究入门

一、UWB到底是什么?

超宽带技术UWB(Ultra Wide Band,超宽带)是一种无线载波通信技术。即不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术,适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定,从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。

从频域来看,超宽带有别于传统的窄带和宽带,它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比)小于1%,相对带宽在1%到25%之间的被称为宽带,相对带宽大于25%。而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。从时域上讲,超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制。而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒)直接实现调制,超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行。而且以这一过程中所持续的时间,来决定带宽所占据的频率范围。

FCC(美国联邦通信委员会)为 UWB 分配了 3.1~10.6 GHz 共 7.5 GHz 频带,还对其辐射功率做出了比 FCC Part15.209 更为严格的限制,将其限定 - 41.3dBm 频带内。
UWB定位技术研究入门_第1张图片
简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现低功耗水平上的快速数据传输

由于 UWB 脉冲的时间宽度极短,因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。

二、UWB是如何传递信息?

UWB无线系统的关键技术主要包括:产生脉冲信号串(发送源)的方法,脉冲串的调制方法,适用于UWB有效的天线设计方法及接收机的设计方法等。

2.1、UWB脉冲信号的产生

  • 光电方法

基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿,所以得到的脉冲宽 度可达到ps(10-12)量级。另外,由于光导开关是采用集成方法制成的,可以获得很好的一致性,因此是最有发展前景的一种方法。

  • 电子方法

基本原理是对半导体PN结反向加电,使其达到雪崩状态,并在导通的瞬间,取陡峭的上升沿作为脉冲信号。这种方案目前应用得最广泛,缺点是:由于采用电脉冲信号作为触发,其前沿较宽,触发精度受到限制,特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合,达不到控制的精度。另外,由于受晶体 管耐压特性的限制,这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲,当然,脉冲宽度还可以达1 ns以下。

2.2、信息的调制

脉冲位置调制(PPM)和脉冲幅度调制(PAM)是超宽带无线电的两种主要调制方式。

  • 脉冲位置调制(PPM)

脉位调制(ppm)是一种利用脉冲位置承载数据信息的调制方式。按照采用的离散数据符号状态数可以分为二进制ppm(2ppm)和多进制ppm(mppm)。在这种调制方式中,一个脉冲重复周期内脉冲可能出现的位置有2个或m个,脉冲位置与符号状态一一对应。


根据相邻脉位之间距离与脉冲宽度之间关系,又可分为部分重叠的ppm和正交ppm(oppm)。在部分重叠的ppm中,为保证系统传输可靠性,通常选择相邻脉位互为脉冲自相关函数的负峰值点,从而使相邻符号的欧氏距离最大化。在oppm中,通常以脉冲宽度为间隔确定脉位。接收机利用相关器在相应位置进行相干检测。鉴于uwb系统的复杂度和功率限制,实际应用中,常用的调制方式为2ppm或zoppm。ppm的优点在于:它仅需根据数据符号控制脉冲位置,不需要进行脉冲幅度和极性的控制,便于以较低的复杂度实现调制与解调。因此,ppm是早期uwb系统广泛采用的调制方式。但是,由于ppm信号为单极性,其辐射谱中往往存在幅度较高的离散谱线。如果不对这些谱线进行抑制,将很难满足fcc对辐射谱的要求。

  • 脉冲幅度调制(PAM)

PAM是用信息符号控制脉冲幅度的一种调制方式。

2.3、天线

  • 天线的输入阻抗具有超宽带特性,即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保持一致,以保证信号能量能够有效地辐射出去和不引起脉冲特性的改变或下降。
  • 天线的相位中心具有超宽频带不变特性,即要求天线的相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致。

2.4、收发机

收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此,可以大大降低系统复杂度,减小收发信机体积和功耗。

三、优势与局限

  • 体积小、功耗低

传统的UWB技术无需正弦载波,数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输,接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此,可以大大降低系统复杂度,减小收发信机体积和功耗。FCC对UWB的新定义在一定程度上增加了无载波脉冲成形的实现难度,但随着半导体技术的发展和新型脉冲产生技术的不断涌现,UWB系统仍然继承了传统UWB体积小、功耗低的特点。

  • 多径分辨能力强,定位精度高

由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲,其时间、空间分辨能力都很强。因此,UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。对于通信系统,必须辩证地分析UWB信号的多径分辨力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中,不可分辨的多径将导致衰落,而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此,UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落),接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中,必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度,得到理想的性价比。


  • 多径衰落

移动通信的电波传播包括直射波、绕射波、散射波和反射波。当仅有直射波和一路反射波时,如果反射波路径变化,路程差变化,两路信号在接收点的相位也就发生变化。在陆地移动通信系统中,移动台往往工作在城市建筑群和其他地形地物较为复杂的环境中。由于移动台天线高度较低,大部分时间都“淹没”在城市建筑物的高度之下,根本没有视线路径。所以基站和移动台之间的电波传播几乎没有直射波形式,而是出现了多条路径的反射信号,以致到达接收天线的信号是来自不同传播路径的各电波的合成波。可能存在的直射波和众多不同路径的反射波,在较小范围内不同位置的场强有时同相相加而变大,有时反相抵消而变小,形成驻波分布。而在移动通信环境中,即使周围环境不变,移动台在驻波场中的快速移动,也会造成接收天线接收的合成波的幅度快速和大范围的变化。这就形成了接收机所接收信号的多径快衰落现象。

  • 多径分集接受技术

根据信号论原理,若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机,则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的,它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点,使用一定的信号合并技术改善接收信号,来抵抗衰落引起的不良影响。

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