uwb定位方案


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一、UWB到底是什么?

超寬帶技術UWB(Ultra Wide Band,超寬帶)是一種無線載波通信技術。即不采用正弦載波,而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據,因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB是利用納秒級窄脈沖發射無線信號的技術,適用於高速、近距離的無線個人通信。按照FCC的規定,從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。

從頻域來看,超寬帶有別於傳統的窄帶和寬帶,它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)小於1%,相對帶寬在1%到25%之間的被稱為寬帶,相對帶寬大於25%。而且中心頻率大於500MHz的被稱為超寬帶。從時域上講,超寬帶系統有別於傳統的通信系統。一般的通信系統是通過發送射頻載波進行信號調制。而UWB是利用起、落點的時域脈沖(幾十納秒)直接實現調制,超寬帶的傳輸把調制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行。而且以這一過程中所持續的時間,來決定帶寬所占據的頻率范圍。

FCC(美國聯邦通信委員會)為 UWB 分配了 3.1~10.6 GHz 共 7.5 GHz 頻帶,還對其輻射功率做出了比 FCC Part15.209 更為嚴格的限制,將其限定 - 41.3dBm 頻帶內。

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簡而言之,這項技術通過超大帶寬和低發射功率,實現低功耗水平上的快速數據傳輸

由於 UWB 脈沖的時間寬度極短,因此也可以采用高精度定時來進行距離測算。

二、UWB是如何傳遞信息?

UWB無線系統的關鍵技術主要包括:產生脈沖信號串(發送源)的方法,脈沖串的調制方法,適用於UWB有效的天線設計方法及接收機的設計方法等。

2.1、UWB脈沖信號的產生 光電方法

基本原理是利用光導開關導通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號。由於作為激發源的激光脈沖信號可以有很陡的前沿,所以得到的脈沖寬 度可達到ps(10-12)量級。另外,由於光導開關是采用集成方法制成的,可以獲得很好的一致性,因此是最有發展前景的一種方法。

電子方法

基本原理是對半導體PN結反向加電,使其達到雪崩狀態,並在導通的瞬間,取陡峭的上升沿作為脈沖信號。這種方案目前應用得最廣泛,缺點是:由於采用電脈沖信號作為觸發,其前沿較寬,觸發精度受到限制,特別是在要求精確控制脈沖發生時間的場合,達不到控制的精度。另外,由於受晶體 管耐壓特性的限制,這種方法一般只能產生幾十伏到上百伏的脈沖,當然,脈沖寬度還可以達1 ns以下。

2.2、信息的調制

脈沖位置調制(PPM)和脈沖幅度調制(PAM)是超寬帶無線電的兩種主要調制方式。

脈沖位置調制(PPM)

脈位調制(ppm)是一種利用脈沖位置承載數據信息的調制方式。按照采用的離散數據符號狀態數可以分為二進制ppm(2ppm)和多進制ppm(mppm)。在這種調制方式中,一個脈沖重復周期內脈沖可能出現的位置有2個或m個,脈沖位置與符號狀態一一對應。


根據相鄰脈位之間距離與脈沖寬度之間關系,又可分為部分重疊的ppm和正交ppm(oppm)。在部分重疊的ppm中,為保證系統傳輸可靠性,通常選擇相鄰脈位互為脈沖自相關函數的負峰值點,從而使相鄰符號的歐氏距離最大化。在oppm中,通常以脈沖寬度為間隔確定脈位。接收機利用相關器在相應位置進行相干檢測。鑒於uwb系統的復雜度和功率限制,實際應用中,常用的調制方式為2ppm或zoppm。ppm的優點在於:它僅需根據數據符號控制脈沖位置,不需要進行脈沖幅度和極性的控制,便於以較低的復雜度實現調制與解調。因此,ppm是早期uwb系統廣泛采用的調制方式。但是,由於ppm信號為單極性,其輻射譜中往往存在幅度較高的離散譜線。如果不對這些譜線進行抑制,將很難滿足fcc對輻射譜的要求。

脈沖幅度調制(PAM)

PAM是用信息符號控制脈沖幅度的一種調制方式。

2.3、天線 天線的輸入阻抗具有超寬帶特性,即要求天線的輸入阻抗在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致,以保證信號能量能夠有效地輻射出去和不引起脈沖特性的改變或下降。天線的相位中心具有超寬頻帶不變特性,即要求天線的相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致。 2.4、收發機

收發信機不需要復雜的載頻調制/解調電路和濾波器。因此,可以大大降低系統復雜度,減小收發信機體積和功耗。

三、優勢與局限 體積小、功耗低

傳統的UWB技術無需正弦載波,數據被調制在納秒級或亞納秒級基帶窄脈沖上傳輸,接收機利用相關器直接完成信號檢測。收發信機不需要復雜的載頻調制/解調電路和濾波器。因此,可以大大降低系統復雜度,減小收發信機體積和功耗。FCC對UWB的新定義在一定程度上增加了無載波脈沖成形的實現難度,但隨着半導體技術的發展和新型脈沖產生技術的不斷涌現,UWB系統仍然繼承了傳統UWB體積小、功耗低的特點。

多徑分辨能力強,定位精度高

由於UWB信號采用持續時間極短的窄脈沖,其時間、空間分辨能力都很強。因此,UWB信號的多徑分辨率極高。極高的多徑分辨能力賦予UWB信號高精度的測距、定位能力。對於通信系統,必須辯證地分析UWB信號的多徑分辨力。無線信道的時間選擇性和頻率選擇性是制約無線通信系統性能的關鍵因素。在窄帶系統中,不可分辨的多徑將導致衰落,而UWB信號可以將它們分開並利用分集接收技術進行合並。因此,UWB系統具有很強的抗衰落能力。但UWB信號極高的多徑分辨力也導致信號能量產生嚴重的時間彌散(頻率選擇性衰落),接收機必須通過犧牲復雜度(增加分集重數)以捕獲足夠的信號能量。這將對接收機設計提出嚴峻挑戰。在實際的UWB系統設計中,必須折衷考慮信號帶寬和接收機復雜度,得到理想的性價比。


多徑衰落

移動通信的電波傳播包括直射波、繞射波、散射波和反射波。當僅有直射波和一路反射波時,如果反射波路徑變化,路程差變化,兩路信號在接收點的相位也就發生變化。在陸地移動通信系統中,移動台往往工作在城市建築群和其他地形地物較為復雜的環境中。由於移動台天線高度較低,大部分時間都“淹沒”在城市建築物的高度之下,根本沒有視線路徑。所以基站和移動台之間的電波傳播幾乎沒有直射波形式,而是出現了多條路徑的反射信號,以致到達接收天線的信號是來自不同傳播路徑的各電波的合成波。可能存在的直射波和眾多不同路徑的反射波,在較小范圍內不同位置的場強有時同相相加而變大,有時反相抵消而變小,形成駐波分布。而在移動通信環境中,即使周圍環境不變,移動台在駐波場中的快速移動,也會造成接收天線接收的合成波的幅度快速和大范圍的變化。這就形成了接收機所接收信號的多徑快衰落現象。

多徑分集接受技術

根據信號論原理,若有其他衰減程度的原發送信號副本提供給接收機,則有助於接收信號的正確判決。這種通過提供傳送信號多個副本來提高接收信號正確判決率的方法被稱為分集。分集技術是用來補償衰落信道損耗的,它通常利用無線傳播環境中同一信號的獨立樣本之間不相關的特點,使用一定的信號合並技術改善接收信號,來抵抗衰落引起的不良影響。

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