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智能互聯(lián)的黑馬:UWB超寬帶無線通信技術詳解

一、UWB技術是什么?

UWB技術(UWB超寬帶無線通信技術)是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術。UWB技術不采用正弦載波,而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù),因此其所占的頻譜范圍很大,盡管使用無線通信,但其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒以上。使用UWB技術可在非常寬的帶寬上傳輸信號,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對UWB技術的規(guī)定為:在3.1~10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。

UWB技術

二、UWB相比傳統(tǒng)通信技術有什么優(yōu)勢?

傳統(tǒng)通信方式使用的是連續(xù)波信號,即本地振蕩器產生連續(xù)的高頻載波,需要傳送信息通過例如調幅,調頻等方式加載于載波之上,通過天線進行發(fā)送。現(xiàn)在的無線廣播、4G通信、WiFi模塊等都是采用該方式進行無線通信。下圖是一個使用調幅方式傳遞語音信號的連續(xù)波信號產生示意圖。

UWB超寬帶無線通信技術

IR-UWB信號,不需要產生連續(xù)的高頻載波,僅僅需要產生一個時間短至nS級以下的脈沖,便可通過天線進行發(fā)送。需要傳送信息可以通過改變脈沖的幅度、時間、相位進行加載,進而實現(xiàn)信息傳輸。下圖是使用相位調制方式傳輸二進制歸零碼的IR-UWB信號產生示意圖。

超寬帶UWB技術通信

而現(xiàn)在更為大家熟知的藍牙技術WiFi通信技術UWB技術相較而言,也存在一定的劣勢。通過這張圖大家可以更直觀地了解到UWB技術與Wi-Fi、藍牙技術的不同點。簡言之,UWB技術的優(yōu)勢在于:

1、定位精度高:帶寬很寬,多徑分辨能力強,抗干擾,對于距離的分辨能力高于Wi-Fi技術和藍牙技術。

2、實時定位速度快:UWB的超寬帶脈沖信號的帶寬在納秒級,可以實現(xiàn)實時的室內定位,延遲低,可以即刻感知追蹤物體的運動狀況。

3、高可靠性和安全性:UWB的發(fā)射功率低、信號帶寬寬,能夠很好地隱蔽在其它類型信號和環(huán)境噪聲之中,傳統(tǒng)的接收機無法識別和接收,必須采用與發(fā)射端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調。

當然,UWB技術Wi-Fi技術和藍牙技術這三項無線通信技術并不是孤立存在的,完全可以同時使用,優(yōu)勢互補,能夠給智能手機這樣的終端產品帶來多種需求的定位和數(shù)據(jù)傳輸服務,對于相關的天線和射頻設計有較高要求。

UWB、Wi-Fi和藍牙無線技術參數(shù)對比

而超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比,具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此,UWB超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航,且能提供十分精確的定位精度。但是成本比較昂貴,網(wǎng)絡部署復雜,相對來說在室內定位服務上應用有限。

無線信號頻譜

三、UWB技術具體應用場景

UWB超寬帶技術與傳統(tǒng)通信技術有極大的差異,UWB超寬帶技術不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波,而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù),從而具有GHz量級的帶寬。目前的UWB技術應用可以按照通信距離大致劃分為兩類:

①短距離高速應用,數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到數(shù)百兆比特每秒,主要是構建短距離高速WPAN、家庭無線多媒體網(wǎng)絡以及替代高速率短程有線連接,如無線USB和DVD(典型的通信距離是10m);

②中長距離(幾十米以上)低速率應用,通常數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s,主要應用于無線傳感器網(wǎng)絡和低速率連接。同時,由于UWB技術可以利用低功耗、低復雜度的收發(fā)信機實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,所以UWB技術在近年來得到了迅速發(fā)展。

UWB技術在非常寬的頻譜范圍內采用低功率脈沖傳輸數(shù)據(jù)而不會對常規(guī)窄帶無線通信系統(tǒng)造成大的干擾,并可充分利用頻譜資源?;赨WB技術而構建的高速率數(shù)據(jù)收發(fā)機有更廣泛的用途??捎糜诟鱾€領域的室內精確定位和導航,包括人和大型物品,例如貴重物品倉儲、礦井人員定位、機器人運動跟蹤、汽車地庫停車等系統(tǒng)。

UWB技術物聯(lián)網(wǎng)應用場景

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