超宽带(UWB)无线定位技术

摘 要

随着无线通信技术的高速发展，人们对无线通信系统的要求日益提高，超宽带（Ultra-Wideband ，UWB ）技术凭借其高速率的数据传输、极低的功耗以及其精准的定位等性能，逐渐成为无线通信领域研究的一个热点，受到了广泛的关注。

本文首先介绍了超宽带（UWB ）技术的历史背景及其定义和特点。其次针对超宽带（UWB ）的原理及其波形进行了研究和探讨。然后论述了超宽带（UWB ）的调制与接收，并主要分析了PPM-TH-UW ，PAM-DS-UWB ，MB-OFDM-UWB 这三种调制方式。最后本文重点介绍了超宽带（UWB ）的无线定位技术，首先是对其发展和定义进行了概述，其次分别介绍了超宽带无线定位的参数及其几何模型，重点对UWB 定位中TOA 的算法进行了研究，最后通过仿真对定位算法的实现做出了验证并得到了重要结论。 关键词：超宽带（UWB ），无线定位技术

论文类型：理论研究性

Title ：Ultra-wideband(UWB)wireless positioning technology

Major ：Communications technology

Name ： XXXX Signature :

Supervisor ：XXXX Signature

Abstract

With the rapid development of wireless communication technology, the wireless communication system of the increasing demand, ultra wideband (Ultra-Wideband, UWB) technology by virtue of its high data rate, low power consumption and its precise

positioning performance, has become the field of wireless communication research a hot spot, has received the widespread attention.

This thesis first introduces the ultra wideband (UWB ) technology to the historical background and the definition and characteristics of. Secondly, ultra wideband (UWB ) principle and waveform are studied and discussed. And then discusses the ultra wideband (UWB ) modulation and receiving, and primary analysis of PPM-TH-UW, PAM-DS-UWB, MB-OFDM-UWB the three modulation methods. Finally, this thesis introduces the ultra wideband (UWB ) wireless positioning technology, first of its development and definition are outlined, followed by introduces UWB wireless positioning parameters and geometry model, focus on the localization of UWB TOA algorithm is studied, finally through the simulation of positioning algorithm to verify and obtained important conclusion. Key words: ultra wideband (UWB ), wireless positioning technology.

Type of thesis: theoretical research

目 录

第一章 超宽带（UWB ） ...................................................................................................................... 3

1.1 UWB技术的发展 ..................................................................................................................... 3

1.2 UWB的定义 ............................................................................................................................. 3

1.3 UWB的技术特点 ..................................................................................................................... 5

第二章 UWB 的原理及其波形 ............................................................................................................. 6

2.1 UWB的原理 ............................................................................................................................. 6

2.2 UWB信号的产生 ..................................................................................................................... 6

2.3 UWB信号的波形 ..................................................................................................................... 6

2.1.1 UWB信道模型 .............................................................................................................. 6

2.1.2高斯脉冲信号 . ................................................................................................................ 7

第三章 UWB 的调制和接收 ................................................................................................................. 9

3.1 UWB典型调制方式 ................................................................................................................. 9

3.1.1 PPM-TH-UWB ............................................................................................................... 9

3.1.2 PAM-DS-UWB ............................................................................................................. 10

3.3.3 MB-OFDM-UWB ......................................................................................................... 11

3.2 UWB信号的接收 ................................................................................................................... 12

3.2.1无多径时AWGN 信道的最佳接收机 . ........................................................................ 13

3.2.2多径信道的Rake 接收机 . ............................................................................................ 14

第四章UWB 无线定位系统 ................................................................................................................ 17

4.1引言 . ......................................................................................................................................... 17

4.2无线定位技术 . ......................................................................................................................... 17

4.2.1无线定位的概述 . .......................................................................................................... 17

4.2.2 UWB无线定位的参数 ................................................................................................ 19

4.2.3 UWB无线定位的几何模型......................................................................................... 24

4.3 UWB定位中TOA 估计算法 ................................................................................................. 28

4.3.1 TOA估计的信号模型 . ................................................................................................. 29

4.3.2 基于TOA 位置估计算法 . ........................................................................................... 31

4.4 LSE仿真实验及其结果分析 . ................................................................................................. 33

4.5 本章小结 . ................................................................................................................................ 37

总 结.................................................................................................................................................... 38

致 谢.................................................................................................................................................... 39

参考文献 . ............................................................................................................................................... 40

第一章 超宽带（UWB ）

1.1 UWB技术的发展

对超宽带（UWB ，Ultra-Wideband ）无限技术（简称UWB 技术）的起源众说纷纭，从目前的学者研究工作来看大约可以追溯到20世纪50年代末和60年代初。那时，研究工作在于通过冲激响应特性来描述某一些微波网络的瞬态行为。其实，概念很简单，就是使用所谓的冲击响应h(t)----冲击激励来表征一个线性时变系统，以取代传统的频率响应（幅值与相位值相对于频率值）方法。特别是，对于一个系统的任意输入信号x(t),其输出信号y(t)可以唯一地由下列卷积来确定：

错误！未找到引用源。 (1-1)

然而，实际上直到采样示波器和亚纳秒（基带）脉冲发生技术出现之后，才为这样的冲击激励提供了近似方法、观察和测量方法。从此，超宽带技术有了快速的发展。1972年，Robbins 发明的敏感短波脉冲接收器取代了笨重的时域示波器，加速了UWB 系统的开发。1973年，Sperry 获得了第一个UWB 通信技术的专利。此后，在将近30年的时间内，UWB 的理论、技术和许多相关设备的研制得到了迅速的发展，但大约在1989年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称（如基带、无载波或脉冲技术）等均混用。1989年，美国国防部采用“超宽带”这一术语之后，才被业界沿用下来。之后，各种专利也相继被授予，其中包括UWB 脉冲的产生和接收方法，通信、雷达、车辆防撞、定位系统、医疗成像、液面感应等应用。在美国，UWB 早期的研究工作主要限制在军方，大约在20世纪90年代中期以后，才取消了这种分级限制。2002年4月22日，FCC 颁布了UWB 占用宽带的有关条例，允许UWB 技术和产品参与商业化运作。这一条例的颁布直接促进了基于UWB 技术的通信系统的研发，给短距离高速无线通信系统的发展注入了新的活力。为了跟踪这一技术的发展，并形成自主的知识产权，我国也开始以“863项目”的形势扶持与资助这一技术和标准的研究与攻关。

1.2 UWB的定义

近几年来, 超宽带短距离无线通信引起了全球通信技术领域极大的重视。超宽带通信技术以其传输速率高、抗多径干扰能力强等优点成为短距离无线通信极具竞争力和发展前景的技术之一。

FCC(美国通信委员会) 对超宽带系统的最新定义为：

（1）信号相对带宽=(f H -f L )>20% （式中，f f c H 、f L 分别为功率较峰值

功率下降10dB 时所对应的高端频率和低端频率，f c 为载波频率或中心频率。）

（2）信号绝对带宽错误！未找到引用源。500 MHZ （使用指定的3.1GHZ —10.6GHZ 频段的通信方式）

图1-1 UWB的定义

FCC 规定UWB 工作频谱位于3.1～10.6GHz 。如图1-2所示, UWB与其他技术的产品存在同频和邻频干扰问题。为了降低UWB 设备对处于上述频段的其他设备的干扰，必须对UWB 设备的发射功率进行限制。UWB 信号发射的功率谱密度级可达-41.3dBm/MHz。

图1-2 U W B 频谱与其他无线信号频谱的关系

1.3 UWB的技术特点 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。

(1)系统容量大。香农公式给出C = Blog2 (1 +S/N) 可以看出, 带宽增加使信道容量的升高远远大于信号功率上升所带来的效应, 这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。超宽带无线电系统用户数量大大高于3G 系统。

(2)高速的数据传输。UWB 系统使用上GHz 的超宽频带, 根据香农信道容量公式, 即使把发送信号功率密度控制得很低, 也可以实现高的信息速率。一般情况下, 其最大数据传输速度可以达到几百Mbps ～1Gbps 。

(3)多径分辨能力强。UWB 由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率, 窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠, 很容易分离出多径分量, 所以能充分利用发射信号的能量。实验表明, 对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB 的多径环境,UWB 信号的衰落最多不到5dB 。

(4)隐蔽性好。因为UWB 的频谱非常宽, 能量密度非常低, 因此信息传输安全性高。另一方面, 由于能量密度低,UWB 设备对于其他设备的干扰就非常低。

(5)定位精确。冲激脉冲具有很高的定位精度, 采用超宽带无线电通信, 可在室内和地下进行精确定位, 而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内。与GPS 提供绝对地理位置不同, 超短脉冲定位器可以给出相对位置, 其定位精度可达厘米级。

(6)抗干扰能力强。UWB 扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。UWB 的占空比一般为0. 01～0. 001 ,具有比其它扩频系统高得多的处理增益, 抗干扰能力强。一般来说,UWB 抗干扰处理增益在50dB 以上。

(7)低成本和低功耗。UWB 无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环( PLL) 、压控振荡器(VCO) 、混频器等, 因而结构简单, 设备成本将很低。由于UWB 信号无需载波, 而是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, 所以它只需要很低的电源功率。一般UWB 系统只需要50～70mW 的电源, 是蓝牙技术的十分之一[10]。尽管如此,UWB 在技术上面临一定的挑战, 还有诸多技术的问题有待研究解决, 比如需要更好地理解UWB 传播信道的特点, 建立信道模型, 解决多径传播; 需要进一步研究高速脉冲信号的生成、处理等技术; 研究新的调制技术, 进一步降低收发结构的复杂度等。

第二章 UWB 的原理及其波形

2.1 UWB的原理

超宽带无线通信技术（UWB ）是一种无载波通信技术，UWB 不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。UWB 方式占用带宽非常宽，且由于频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。 因而发射超宽带(UWB) 信号最常用和最传统的方法是发射一种时域上很短(占空比低达0. 5 %) 的冲激脉冲。这种传输技术称为“冲击无线电( IR) ”.UWB - IR 又被称为基带无载波无线电, 因为它不像传统通信系统中使用正弦波把信号调制到更高的载频上, 而是用基带信号直接驱动天线输出的，由信息数据对脉冲进行调制，同时为了形成所产生信号的频谱而用伪随即序列对数据符号进行编码。因此冲击脉冲和调制技术就是超宽带的两大关键所在。

2.2 UWB信号的产生 从本质上讲, 产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB 技术的前提条件。目前产生脉冲信号源的方法有两类：

（1）光电方法, 基本原理是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号。由于作为激发源的激光脉冲信号可以有很陡的前沿, 所以得到的脉冲宽度可达到皮秒(10 - 12 )量级。另外, 由于光导开关是采用集成方法制成的, 可以获得很好的一致性, 因此是最有发展前景的一种方法。

（2）电子方法, 利用微波双极性晶体管雪崩特性, 在雪崩导通瞬间, 电流呈“雪崩”式迅速增长, 从而获得具有陡峭前沿的波形, 成形后得到极短脉冲。在电路设计中, 采用多个晶体管串行级联, 使用并行同步触发的方式, 加快了雪崩过程, 从而达到进一步降低脉冲宽度的目的。

2.3 UWB信号的波形

2.1.1 UWB信道模型

UWB 系统发送的是纳秒级脉冲串, 脉冲宽度错误！未找到引用源。远小于脉冲之间的平均间隔错误！未找到引用源。, 两个脉冲之间的间隔可以固定也可以时变。通常UWB 信号模型为:

S tr(t)=

j =-∞∑d w (t -t ) （2-1） j j ∞

其中，W(t)表示发送的单周期脉冲, d j 、t j 分别表示单脉冲的幅度与时延。

2.1.2高斯脉冲信号

最简单、最通用的超宽带波形是单周期（Monocycle ）脉冲信号，只所以称它为单周期脉冲是因为这种波形只有一个脉冲周期，通常是高斯脉冲或其微分形式。另一个使用高斯脉冲信号的原因是为了分析的简便。

高斯脉冲信号的表达如下：

p(t)=⎛-t 2 2⎝2σ⎫⎪ （2-2） ⎭

其中，σ是表示形成的参数，和脉冲宽度有关。

考虑去直流分量以及上述天线的微分作用等因素，在实际应用中，我们一般使用高斯脉冲的微分形： 错误！未找到引用源。 （2-3） 其中，x 代表微分次数。高斯脉冲的谱密度函数如下：

P (f )=∞

-∞⎰p (t )exp (-j 2πft )dt （2-4）

它的功率谱密度如下：

P (f )=exp -(2πf σ) （2-5） 相应的高斯脉冲的各次微分的功率密度的公式如下： 2(2)

P (f )=(2πf )exp -(2πf σ) （2-6）

如图2-1所示为0～3次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图。

22x (2)

图2-1 0～3次微分的高斯脉冲的波形和功率谱示意图

第三章 UWB 的调制和接收

3.1 UWB典型调制方式

IR-UWB 不使用载波，直接进行基带传输，是传统和常用的UWB 实现方式。通常采用的多址方式有TH 或DS ，信号调制方式可以是PPM 、PAM 或OOK 等，其中PAM 是用信息符号控制脉冲的幅度进行信息调制，OOK 是PAM 的一种简化形式，PPM 是用信息符号控制脉冲信号的时延来实现的。不同的多址方式与调制方式的组合形成了多种信号形式，目前较多采用的主要有PPM-TH-UWB 和PAM-DS-UWB 。在载波调制实现的UWB 系统中，通常采用MB-OFDM-UWB 。

3.1.1 PPM-TH-UWB

PPM-TH-UWB 是采用TH 多址方式的二进制PPM 调制的UWB 系统，其典型的发射链路如图3-1所示

.

图3-1 PPM-TH-UWB

系统中的第一个模块是产生待发射的二进制序列；第二个模块是重复编码 器，二进制信号经过重复编码，引入冗余来增加抗干扰性能；第三个模块是进行 TH 编码和二进制PPM 调制，引入伪随机跳时PN 码调制，接着进行PPM 调制 引入脉冲时移；最后是脉冲形成滤波器，产生发射信号的基本脉冲波形。 PPM-TH-UWB 输出信号可以表示为：

错误！未找到引用源。 （3-1）

其中，p(t)为单个UWB 脉冲，错误！未找到引用源。是脉冲重复周期，称为帧长，传送一个比特的

时间为错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。为重复编码率，跳时伪随机码序列错误！未找到引用源。，对信号引入TH

位移， 错误！未找到引用源。则是PPM 引起的位移，错误！未找到引用源。是码片时间(chip time)。

图3-2是对二进制序列错误！未找到引用源。进行PPM-TH 调制后的信号仿真波形。仿真采用高斯二阶导数波形，伪随机跳时码序列是错误！未找到引用源。，每个比特有五个脉冲，即五个帧组成。前面五个脉冲在对应间隙的起始位置，表