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[UWB] UWB介绍及特点
时间:2021-02-05
我们都知道卫星信号在室内会被严重的影响,从而导致GPS或是北斗无法发定位。所以在室内定位主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系,从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。除通讯网络的蜂窝定位技术外,常见的室内无线定位技术还有:Wi-Fi、蓝牙、红外线、超宽带、RFID、ZigBee和超声波,今天我们来谈谈UWB-Ultra Wideband(超宽带)室内测距及定位原理。

一、UWB是什么?
超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有GHz量级的带宽。

二、UWB与传统的窄带系统相比有什么区别?
 超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

三、UWB(Ultra Wide Band,超宽带)主要技术特点:
UWB是一种“特立独行”的无线通信技术,它将会为无线局域网LAN和个人局域网PAN的接口卡和接人技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。UWB解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。UWB具有以下特点:

1 抗干扰性能强
UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益。因此。与IEEE 802.1la、IEEE 802.1lb和蓝牙相比,在同等码速条件下,UWB具有更强的抗干扰性。

2 传输速率高
UWB(Ultra Wide Band,超宽带)的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s。有望高于蓝牙100倍,也可以高于IEEE 802.1la和IEEE802.1lb。

3 带宽极宽
UWB使用的带宽在1GHz以上,高达几个GHz。超宽带系统容量大,并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天。开辟了一种新的时域无线电资源。

4 消耗电能小
通常情况下。无线通信系统在通信时需要连续发射载波,因此,要消耗一定电能。而UWB不使用载波。只是发出瞬间脉冲电波,也就是直接按O和1发送出去,并且在需要时才发送脉冲电波,所以消耗电能小。

5 保密性好
UWB保密性表现在两方面:一方面是采用跳时扩频,接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据;另一方面是系统的发射功率谱密度极低。用传统的接收机无法接收。

6 发送功率非常小
UWB系统发射功率非常小,通信设备可以用小于1mw的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。况且,发射功率小,其电磁波辐射对人体的影响也会很小。这样,UWB的应用面就广。

四、UWB实现方案

目前的实现方案有三种,IR-UWB(脉冲无线电)、DS-UWB(脉冲无线电的改进版)、MB-UWB(调制技术),但目前真正用于定位领域的是IR-UWB,利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。


五、为什么都使用IR-UWB作为定位的基础

这离不开其信道的物理特性,列举如下

1. 宽带高速、低成本、低功耗;
2. 抗多径干扰能力强,因为发射的是极窄脉冲,从不同路径到达目的地时,脉冲重合的几率极小;
3. IR-UWB信号具有穿透性,IR-UWB信号频谱款,含有低频成分,低频成分具有穿透性,其他UWB系统不具备这一特性;
4. IR-UWB信号定位精度高,信号脉冲宽度越窄,定位精度越高;
5. IR-UWB缺点是在高速通信时,不能满足FCC的功率辐射限制,任何一个窄脉冲,只要在频域未进行频移,一定还有大量的低频份量,难以满足FCC针对高速通信的辐射限制。

UWB定位视频演示如下:


扩展阅读:

扩频理论的基础 

在Shannon和Hartley信道容量定理中可以明显看出频谱扩展的作用: 

C = B × log2 (1 + S/N) (公式1) 式中: 

C是信道容量,单位为比特每秒(bps),它是在理论上可接受的误码率(BER)下允许的最大数据速率,表示通信信道所允许的信息量,也表示了所希望得到的性能。 

B单位是Hz,是要求的信道带宽,是付出的代价,因为频率是一种有限的资源。 S/N是信号噪声功率比,表示周围的环境或者物理特性(例如障碍、阻塞和干扰等)。 

从上式可以看出,用于恶劣环境(例如噪声和干扰导致极低的信噪比)时,通过提高信号带宽( B )可以维持或提高通信的性能( C ),甚至信号的功率可以低于噪底。(公式中没有对这一条件进行限制!) 将公式1中的对数底从2修改为e (自然数),用ln = loge表示,

则: C/B = (1/ln2) × ln(1 + S/N) = 1.443 × ln(1 + S/N) (公式2) 由MacLaurin级数展开得: ln(1 + x) = x - x²/2 + x³/3 - x4/4 + … + (-1)k+1xk/k + …: C/B = 1.443 × (S/N - 1/2 × (S/N)² + 1/3 × (S/N)³ - …) (公式3) 。

在扩频技术应用中,信噪比S/N通常比较低。(如上面所提到的,信号功率密度甚至可以低于噪底。)假定较大的噪声使S/N << 1,则Shannon表示式近似为: C/B ≈ 1.433 × S/N (公式4) 可进一步简化为: C/B ≈ S/N (公式5) 或: N/S ≈ B/C (公式6) 在信道中对于给定的信噪比要无差错发射信息,

我们只需要执行基本的信号扩频操作:提高发射带宽。这个原理似乎简单、明了,但是具体实现非常复杂。因为基带扩频(可能扩展几个数量级)会导致电子器件相互作用,从而产生扩频和解扩操作。

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