uwb定位系统概念原理,uwb信号传输通信优势特点

来源: 发布时间:2020-12-10 9072 次浏览

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今后,无线定位技术的趋势是室内定位与室外定位相结合,实现无缝、定位。现有的网络技术不能完全满足这一要求,UWB技术具有功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂性低、定位精度极高等优点,在众多无线定位技术中脱颖而出。

UWB定位概念

UWB(Ultra Wideband)超宽带,是一种无载波通信技术。利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。以下两幅图是UWB脉冲信号分别在时域和频域上的表现形式。脉冲覆盖的频谱从直流至GHz,不需常规窄带调制所需的RF频率变换,脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10 - 100 ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。

UWB信号功率系统

UWB信号在时间轴上是稀疏分布的,其功率谱密度相当低,RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号,可采用OOK,对映脉冲键控,脉冲振幅调制或脉位调制。

UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF) 的常规无线系统,可视为在RF上基带传播方案,在建筑物内能以极低频谱密度达到100 Mb/s数据速率。抗干扰性能强,传输速率高,系统容量大发送功率非常小。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。而且,发射功率小。

UWB定位架构

UWB 技术特点

由于UWB与传统通信系统相比,工作原理迥异,因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点:系统结构的实现比较简单当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,载波的频率和功率在一定范围内变化,从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波,它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线,不需要传统收发器所需要的上变频,从而不需要功用放大器与混频器,因此,UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。

UWB系统结构传输范围

同时在接收端,UWB接收机也有别于传统的接收机,不需要中频处理,因此,UWB系统结构的实现比较简单。高速的数据传输民用商品中,一般要求UWB信号的传输范围为10m以内,再根据经过修改的信道容量公式,其传输速率可达500Mbit/ s,是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。

超宽带UWB数据传输

UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输,并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源,而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中,可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。

低功耗UWB 系统功率优越性

功耗低UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据,脉冲持续时间很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之间,有很低的占空因数,系统耗电可以做到很低,在高速通信时系统的耗电量仅为几百W~几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右,是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。

因此,UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上,相对于传统无线设备有着很大的优越性。安全性高作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。

UWB脉冲信号通信系统

UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内,对一般通信系统,UWB 信号相当于白噪声信号,并且大多数情况下,UWB 信号的功率谱密度低于自然的电子噪声,从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。

采用编码对脉冲参数进行伪随机化后,脉冲的检测将更加困难。多径分辨能力强由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。

由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低,多径信号在时间上是可分离的。

假如多径脉冲要在时间上发生交叠,其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠,很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。

大量的实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10~ 30 dB 的多径环境, 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

GPS与UWB定位系统定位精度价格对比

准确定位:冲激脉冲具有较高的定位精度,利用超宽带无线通信,可方便地实现定位和通信的一体化,这是常规无线电难以实现的。UWB无线电具有极强的穿透能力,可在室内和地下进行定位,而 GPS定位系统只能在 GPS定位卫星的可见范围内工作;与 GPS不同,超短脉冲定位器能提供相对位置,定位精度可达厘米级,而且 UWB无线电定位器价格更便宜。

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