TOA (Time of Arrival)
位置坐标
(x, y, z)
位置相关 参数估计 接收 信号
定位 算法
演示系统
位置相关 参数估计
测距模块 利用测距 算法估计 参考节点 和目标节 点间距离
…
定位模块 利用多个 节点的测 距结果估 计目标节 点的位置
超宽带信号模型
根据传输技术不同分为两类： 脉冲超宽带
功率谱密度
功率谱密度
f c Ri f c
f c Ri
f
f c Ri
fc
f c Ri
f
(a)信息调制时输出信号功率谱
(b)发送的扩频信号功率谱
功率谱密度 噪声
干扰信号 发送信号
fc
功率谱密度
有用信号
干扰信号
噪声
f f
fc
(c)接收信号功率谱
(d )解扩后的信号功率谱
功率谱密度
有用信号
干扰信号 噪声
超宽带的特点
2、信道容量大，传输速率高
香农信道容量公式 C W log 2 (1 ) (b / s) N 超宽带信号占有数百兆赫兹（MHz）甚至几吉赫兹 （GHz）带宽，理论上可以提供极高的信道容量，பைடு நூலகம்达到Gbps以上的传输速率，或者在很低的信噪比下， 以一定的传输速率实现可靠传输。假定一个超宽带 信号使用7GHz带宽，当信噪比S/N低至-10dB时， 超宽带可以提供的信道容量为C=7G×log2 （1+0.1）≈ 0.963Gbps，接近1Gbps。 数据表明，超宽带的空间通信容量是现有的通信系 统（如：无线局域网、蓝牙等）的10-1000倍以上。
超宽带的应用
超宽带的应用
雷达、探测
超宽带依赖于极微弱的、与雷达中所使用的相 近的基带窄脉冲，具有很强的穿透能力，能穿 透树叶、墙壁、地表、云层等障碍，辨别出障 碍物后隐藏的物体或运动着的物体，测距精度 的误差只有一两厘米。 可以应用在：穿墙雷达、安全监视、透地探测 雷达、工业机器人控制、监视和入侵检测、道 路及建筑检测、贮藏罐内容探测等。
超宽带的特点
4、信号衰减小，穿透能力强
正弦载波在自由空间的衰减与距离平方成反比， 在密集多径情况下，信号的功率衰减更是与距 离的3-4次方成反比。脉冲超宽带信号为定向窄 脉冲，不需要载波，具有较强的方向性，在相 同的功率下，比正弦电磁波的衰减更小。 同时基带窄脉冲信号包含的低频部分的长波具 有较强的穿透能力，能够穿透多种材料，使其 可以应用于成像、检测、监视和测量等领域。
跳时扩频调制超宽带
TH-SS PPM UWB s (t ) E p
Ts
1 2 3 4 5 6 ……
N f 1
n 0 j 0
p(t nT
s
jT f (ct ) j Tc d n )
Tf
1 2 3
TS=NfTf
4 5 6 …… Nf
Tc
Tf=NcTc
发射信号
-8
PAM-TH-UWB 发射信号
时间 [s]
直接序列扩频
直接序列扩频就是在发射端 信源 直接利用高码片速率的扩频 码序列扩展发送信号的频谱。 然后在接收端，用相同的扩 频码序列相乘解扩，恢复出 原始的发送信息。 在发射端，欲传输的基带信 号与一个码片速率很高的伪 随机码进行时域相乘，其输 d (t ) 出为一个频谱带宽被扩展的 扩频码流，然后将此扩频码 c( 流变换为射频信号发射出去。t) 在接收端，射频信号经过变 频后输出中频信号，它与本 d (t )* c(t ) 地的伪随机码进行时域相乘， 得到解扩信号，经信息解调 c(t ) 器恢复成原始数字信号。 只有当 c(t) c(t) 时，才能进行 r (t ) 正确的解扩和解码。
……
TH-SS PAM UWB
s (t ) E p d n p (t nTs jT f (ct ) j Tc )
n 0 j 0
N f 1
x 10 14 12 10 8
-3
幅度[V]
6 4 2 0 -2 -4 -6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 10 3
超宽带无线通信技术
目录
1 2 3 4 5 超宽带的定义
超宽带的特点和应用
超宽带的传输方式 超宽带的信道模型 超宽带的关键技术
超宽带的定义
Ultra-Wideband (UWB) Wireless Communication
美国联邦通信委员会（FCC：Federal Communications Commission）
与其它短距离无线技术的比较
UWB 蓝牙 802.11a HomeRF
速率（bps）
最高达1G
＜1M
54M
1~2M
距离（米） 功率
＜10 1毫瓦以下
10 1~100毫瓦
10~100 1瓦以上
50 1瓦以上
超宽带的应用
通信
UWB系统带宽极大，可支持大的信道容量，同时系统功率受限，只能 传播较短距离，因此UWB技术特别适合于短距离高速无线通信。 例如基于UWB技术的无线USB 2.0，可取代有线USB,实现PC之间及 消费类电子设备（电视、数码相机、DVD播放器、MP3等）之间的无 线数据互连与通信。 无线个域网(WPAN) 、高速智能无线局域网、智能交通系统，公路信 息服务系统，汽车检测系统，舰船、飞机内部通信系统，楼内通信系 统、室内宽带蜂窝电话，战术组网电台，非视距超宽带电台，战术/战 略通信电台，保密无线宽带因特网接入等等
超宽带的应用
测距,定位
超宽带信号在户内和户外都可以提供精确地定 位信息，在军事和民用上都有广泛的应用。 例如在敌方领土上营救人员，儿童搜寻，寻找 丢失的宠物和行李，跟踪、搜索和解救人员， 定位贵重的物品的位置等等
危险环境 人员和物资的追踪管理 - 安全位置的紧急搜索 - 定位人员 - 安全有效
技术 GPS Bluetooth IEEE802.11 UWB
定位精度
5-20m
3m
3m
15cm
超宽带的特点
6、保密和安全性能好
超宽带信号的功率谱密度非常小，淹没在环境 噪声和其他信号中，同时又具有极宽的带宽， 很难被基于频谱搜索的侦测设备检测到。 同时超宽带系统可以采用多种扩频多址方式， 包括：跳时扩频、跳频扩频、直接序列扩频等， 在接收端必须采用与发射端一致的扩频码才能 正确的解调数据，这使得使非合法用户很难获 取合法用户的传输信息，系统的安全性和保密 性非常高。
优点
1. 系统简单、成本低、功 耗小 2. 多径分辨能力强 3. 信号随距离衰减小，穿 透能力强
多频带超宽带
优点
1. 易实现高信息传输速率 2. 频谱利用率可以较高 3. 频谱使用灵活
缺点
1. 2. 3. 4. 系统复杂 成本高 功耗高 高频段时信号穿透力弱
缺点
1. 信息传输速率不高 2. 频谱利用率不高 3. 频谱使用不灵活
(1) (2) 探地雷达 穿墙成像 墙内成像 监视系统 医疗成像
室内UWB设备辐射掩蔽 室外手持设备
超宽带的特点
1、共存性能好
超宽带技术可以与现有的其他通信系统共享频谱。超宽带通信 使用的频谱范围从3.1GHz到10.6GHz，频谱宽度高达 7.5GHz，通过发射功率的限制，避免了对其他通信系统的干 扰。从上图 中可以看到，超宽带信号的最高辐射功率为41.3dBm，这仅仅相当于一台个人计算机的辐射。这样在很 低的功率谱密度下共享频谱的方式，在频谱资源非常紧张的今 天具有极其重要的意义，这也是超宽带兴起和发展的主要原因 之一.
f L 1.2 GHz
f H 2.8 GHz
窄带 宽带 超宽带
相对带宽<1% 1%<相对带宽<20% 相对带宽>20%
fH fL 2.8 1.2 相对带宽 100% 80% ( f H f L ) 2 (2.8 1.2) 2
超宽带信号的辐射掩蔽
为了避免对现有的通信系统带来干扰，必需将超宽带系统的发射功率限定 在一定范围内，即在超宽带通信频率范围内的每个频率上都规定一个最大 的允许功率，这个功率值一般通过辐射掩蔽（emission mask）来决定.

2 t 2

2
e

2
4 t 2 1 2
高斯脉冲各阶导数
阶数越高，高斯导数波形的过零点次数就越多，相应的信号带宽就越宽。
扩频技术
扩频通信是将待传送的信息数据用扩频序列调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则 采用相同的扩频序列进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。
多址接入 隐蔽性和保密性好 抗干扰性强，误码率低
脉冲波形
高斯脉冲微分，升余弦、Herimite(厄密特)脉冲等。
高斯函数脉冲
高斯脉冲宽度 和频域带宽取 决于参数α , α 的值越大， 高斯脉冲越宽， 相应的频域带 宽就越小
p(t )
1 2 2

t2 2 2
e

2

2 t 2

e
2
高斯脉冲二阶导
w2 (t )
4
S
超宽带的特点
3、低成本，低功耗
脉冲超宽带是最早采用的一种传输方式，它不 需要载波，而是利用极短的脉冲传输信息，因 此，在发射端脉冲超宽带不需要功放和混频器， 接收端也不需要中频处理，大大降低了收发机 的硬件实现复杂性和成本。同时，为了避免对 现有通信系统的干扰，超宽带信号发射功率很 低，简单的收发设备以及低功率，使得脉冲超 宽带系统的功耗非常低，可以使用电池长时间 供电。
超宽带脉冲波形设计
脉冲波形设计原则
1. 符合UWB 信号定义，-10dB 绝对带宽大于500MHz 或 相对带宽大于20%。 2. 波形波动小，即不能有太多的峰值数。否则，当相关检 测时，微小的延时会造成匹配不上，不利于检测接收。 3. 功率谱密度在频域上满足FCC 辐射掩模的规定。 4. 脉冲的直流分量为零或者低频分量上的能量尽可能地小。