UWB技術概況

UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信技術,利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號。

UWB技術始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術,主要用于軍用雷達、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統中。2002年2月,美國聯邦通信委員會發布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規定。該規定中,將相對帶寬大于0.2或在傳輸的任何時刻帶寬大于500MHz的通信系統稱為UWB系統,同時批準了UWB技術可用于民用商品。中國從2006 年開始進行 UWB 頻譜規劃的準備工作。經過 2 年多的調研,2008 年 12 月 12 日,中國自己的 UWB 頻譜規劃正式發布,包括 UWB 信號的射頻指標、應用場所限制、設備核準等方面的內容。

相比較其他定位技術,UWB具備定位精度高、安全性好、傳輸速率高、系統容量大、功耗低、抗干擾能力強等諸多優勢。

UWB定位技術特點

由于UWB與傳統通信系統相比,工作原理迥異,因此UWB具有如下傳統通信系統無法比擬的技術特點:

系統結構的實現比較簡單:當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波,載波的頻率和功率在一定范圍內變化,從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波,它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發射器直接用脈沖小型激勵天線,不需要傳統收發器所需要的上變頻,從而不需要功用放大器與混頻器,因此,UWB允許采用非常低廉的寬帶發射器。同時在接收端,UWB接收機也有別于傳統的接收機,不需要中頻處理,因此,UWB系統結構的實現比較簡單。

高速的數據傳輸:民用商品中,一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內,再根據經過修改的信道容量公式,其傳輸速率可達500Mbit/ s,是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸,并且不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源,而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中,可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

功耗低:UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據,脈沖持續時間很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之間,有很低的占空因數,系統耗電可以做到很低,在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW~幾十mW。民用的UWB 設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/ 100 左右,是藍牙設備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此,UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上,相對于傳統無線設備有著很大的優越性。

安全性高:作為通信系統的物理層技術具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內,對一般通信系統,UWB 信號相當于白噪聲信號,并且大多數情況下,UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲,從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后,脈沖的檢測將更加困難。

多徑分辨能力強:由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間,多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低,多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊,其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊,很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明,對常規無線電信號多徑衰落深達10~ 30 dB 的多徑環境, 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。

下圖是一個典型的寬帶和窄帶多徑后的差異圖。

定位精確:沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,很容易將定位與通信合一,而常規無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力,可在室內和地下進行精確定位,而GPS定位系統只能工作在GPS 定位衛星的可視范圍之內; 與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達厘米級, 此外,超寬帶無線電定位器更為便宜。

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