详解UWB室内高精度定位技术

2016-04-15 15:16:31 sophie

UWB(Ultra-Wideband)超宽带,此技术可追溯至19世纪。是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

 

详解UWB室内高精度定位技术

UWB具有以下特点
 

 

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提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系统使用上吉赫兹的超宽频带,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百兆比特每秒到吉比特每秒。

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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。

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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,精度最高可达2厘米,一般精度在15厘米内。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,具有比其他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0.20~1.5ns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

 

 

详解UWB室内高精度定位技术

无线UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲,超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽,接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号,省去了传统通信设备中的中频级,极大地降低了设备复杂性。

 

无线UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码,一般工作脉宽0.1-1.5ns (1纳秒= 一亿分之一秒),重复周期在25-1000ns。图2显示了实用的单周期高斯脉冲的时域波形和频域特性,图中脉冲的中心频率在2GHz。

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无线UWB技术原理图2 典型高斯单周期脉冲的时域和频域

 

实际通信中使用一长串的脉冲。图3显示了周期性重复的单脉冲的时域和频域特性。频谱中出现了强烈的能量尖峰,这是由于时域中信号重复的周期性造成了频谱的离散化。这些尖峰将会对传统无线电设备和信号构成干扰,而且这种十分规则的脉冲序列也没有携带什么有用信息。改变时域的周期性可以减低这种尖峰,即采用脉冲位置调制PPM。

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无线UWB技术原理图3 单周期脉冲序列的时、频域特性

 

比如可以用每个脉冲出现位置超前或落后于标准时刻一个特定的时间δ来表示一个特定的信息。图4是一个二进制信息调制的示例。

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无线UWB技术原理图4 PPM调制的示意图

 

图中调制前脉冲的平均周期和调制量δ的数值都极小。因此调制后在接收端需要用匹配滤波技术才能正确接收,即用交叉相关器在达到零相位差的时候就可以检测到这些调制信息,哪怕信号电平低于周围噪声电平。由图还可见调制后降低了频谱的尖峰幅度,之所以仍不够十分平滑是因为时间位置偏移量不够大,也不够杂乱。

 

为了进一步平滑信号频谱,可以让重复时间的位置偏移量δ大小不一,变化随机,同时也为了在共同的信道比如空中取得自己专用的信道,即实现通信系统的多址,可以对一个相对长的时间帧内的脉冲串按位置调制进行编码,特别是采用伪随机序列编码。接收端只有用同样的编码序列才能正确接收和解码。图4显示了伪随机时间调制编码后的脉冲序列的波形和频谱。

 

图中频谱已经接近白噪声频谱,功率也小了许多,这就是伪随机编码产生的效果。适当地选择码组,保证组内各个码字相互正交或接近正交,就可以实现码分多址。

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无线UWB技术原理图5 伪随机时间调制编码后的脉冲序列

 

基于无线UWB技术的系统采用相关接收技术,关键部件称为相关器(correlator)。相关器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号,再积分就得到一个直流输出电压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内,间歇期则没有。处理过程一般在不到1ns的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器,模板波形匹配时,相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。不同位置七个脉冲经相关器后的波形走势,750ns后的稳定波形是输出结果。

 

值得注意的是,虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰,无线UWB技术可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。