今天我們要了解到的是,高精度UWB定位技術(shù)原理及優(yōu)勢特點。
UWB定位概念
UWB(Ultra Wideband)超寬帶,是一種無載波通信技術(shù)。利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。以下兩幅圖是UWB脈沖信號分別在時域和頻域上的表現(xiàn)形式。
脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz,不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的RF頻率變換,脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。脈沖峰峰時間間隔在10 - 100 ps級。頻譜形狀可通過甚窄持續(xù)單脈沖形狀和天線負(fù)載特征來調(diào)整。UWB信號在時間軸上是稀疏分布的,其功率譜密度相當(dāng)?shù)?,RF可同時發(fā)射多個UWB信號。UWB信號類似于基帶信號,可采用OOK,對映脈沖鍵控,脈沖振幅調(diào)制或脈位調(diào)制。UWB不同于把基帶信號變換為無線射頻(RF) 的常規(guī)無線系統(tǒng),可視為在RF上基帶傳播方案,在建筑物內(nèi)能以極低頻譜密度達(dá)到100 Mb/s數(shù)據(jù)速率??垢蓴_性能強(qiáng),傳輸速率高,系統(tǒng)容量大發(fā)送功率非常小。UWB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小,通信設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率就能實現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長系統(tǒng)電源工作時間。而且,發(fā)射功率小。
UWB定位架構(gòu)
UWB 技術(shù)特點
由于UWB與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比,工作原理迥異,因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點:
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單
當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波,載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化,從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波,它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線,不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要的上變頻,從而不需要功用放大器與混頻器,因此,UWB允許采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。同時在接收端,UWB接收機(jī)也有別于傳統(tǒng)的接收機(jī),不需要中頻處理,因此,UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單。
高速的數(shù)據(jù)傳輸
民用商品中,一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內(nèi),再根據(jù)經(jīng)過修改的信道容量公式,其傳輸速率可達(dá)500Mbit/ s,是實現(xiàn)個人通信和無線局域網(wǎng)的一種理想調(diào)制技術(shù)。UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸,并且不單獨占用已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源,而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中,可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。
功耗低
UWB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù),脈沖持續(xù)時間很短,一般在0. 20ns~1. 5ns 之間,有很低的占空因數(shù),系統(tǒng)耗電可以做到很低,在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW~幾十mW。民用的UWB 設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/ 100 左右,是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。因此,UWB 設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上,相對于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著很大的優(yōu)越性。
安全性高
作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi),對一般通信系統(tǒng),UWB 信號相當(dāng)于白噪聲信號,并且大多數(shù)情況下,UWB 信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲,從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后,脈沖的檢測將更加困難。
多徑分辨能力強(qiáng)
由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間,多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。由于超寬帶無線電發(fā)射的是持續(xù)時間極短的單周期脈沖且占空比極低,多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發(fā)生交疊,其多徑傳輸路徑長度應(yīng)小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊,很容易分離出多徑分量以充分利用發(fā)射信號的能量。大量的實驗表明,對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)10~ 30 dB 的多徑環(huán)境, 對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5 dB。
定位精確:沖激脈沖具有很高的定位精度,采用超寬帶無線電通信,很容易將定位與通信合一,而常規(guī)無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強(qiáng)的穿透能力,可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位,而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS 定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi); 與GPS 提供絕對地理位置不同,超短脈沖定位器可以給出相對位置, 其定位精度可達(dá)厘米級, 此外,超寬帶無線電定位器更為便宜。
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