超宽带(UWB)

超宽带(UWB)是用于高分辨率和近距离定位和测距以及数据通信的最广泛使用的无线标准。超宽带是一种脉冲无线电技术，最低带宽为500mhz，工作在sub-GHz和3.1-10.6 GHz范围内。

超宽带在所有频率上的最大功率谱密度为-41.3 dBm/MHz，远低于WiFi、蓝牙^®、无线个域网^®，以及GPS，并避免这些无线信号的干扰，以支持短距离通信。超宽带使用短脉冲(< 2 ns)进行传输，使其不受多径衰落的影响，并支持定位和测距应用。

UWB支持的其他应用包括:

• 安全访问控制
• 安全无线支付
• 无线健康传感器
• 设备间通信

支持这些特性的一些UWB特性是:

• 带宽范围:500mhz ~ 1.3 GHz;脉冲持续时间:< 2ns
• 用于安全通信的打乱时间戳序列(STS)
• 在不同的信道条件下，平均脉冲重复频率(PRF)为3.9 MHz至249.6 MHz，峰值PRF为499.2 MHz
• 自定义调制方案和保护间隔，以避免干扰和多径效应
• 前言采用单错校正和双错检测(SECDED)编码，有效载荷采用Reed-Solomon编码，卷积码为1 / 2速率，约束长度为3或7

超宽带与MATLAB

你可以用MATLAB^®通信工具箱™Zigbee^®和UWB库实现和测试UWB功能，并提供开放的参考示例MATLAB代码。您可以使用MATLAB实现最新的超宽带修正(15.4z)，或之前的15.4a。您还可以使用MATLAB模拟各种定位和测距算法，使用UWB波形生成、端到端UWB收发器仿真以及定位和测距示例。

超宽频技术规范

超宽带规范最早是在IEEE 802.15.a标准的15.4a修正案中提出的。该修订规定了高速率脉冲重复频率物理层(PHY)，然后在修订15.4f中引入了低速率脉冲重复频率物理层(LRP)。最新的增强是在修订15.4z中提出的，它为现有的HRP here和lrp - phy增加了增强测距能力设备和安全功能的模式。

MATLAB提供了实现以下模式的示例:

• 基本脉冲重复频率(BPRF)，其中平均PRF为62.4 MHz
• 高脉冲重复频率(HPRF)，其中平均PRF为124.8 MHz或249.6 MHz

STS (scramble timestamp sequence)字段是IEEE 802.15.4z标准为增强数据完整性而引入的安全特性。STS字段的传输对于BRPF和HPRF模式是可选的。

图1显示了802.15.a的符号和调制方案。卷积编码器的系统位用于识别两个可能的突发位置调制间隔(T_BPM)．这种传播只会发生在第一季度或第三季度。在传播之后N_体外循环(每突发芯片)，奇偶校验位用于用二进制相移键控(BPSK)调制超宽带脉冲。脉冲位置是用一个由扩散序列构造的整数值来识别的。每个传动装置都有保护间隔。MATLAB实例HRP UWB IEEE 802.15.a /z波形生成对信号的这些方面进行建模。

表1比较了IEEE标准802.15.4的UWB修订。

表1。超宽频的标准。

超宽频收发器

图2显示了一个UWB收发器。发送器链由一个PHY报头组成，该报头包含数据速率、帧长和前文持续时间等信息。PHY头采用SECDED编码。上层接收的有效载荷使用Reed-Solomon编码进行编码。标准802.15.4z为数据完整性增加了一个可选的STS字段。速率为1 / 2和约束长度为3或7的卷积编码器的另一个块在符号映射器转换为复杂符号之前对连接的比特流进行编码，符号映射器也使用扩展序列和芯片长度来传播比特。脉冲整形后的超宽带信号在空中传输。您可以在这里找到这些步骤的实现HRP UWB IEEE 802.15.a /z波形生成。

超宽带接收机是一个简单的能量探测器，实现为发射机的镜像，第一个块作为集成和转储滤波器。您可以找到完整的收发器实现HRP超宽带IEEE 802.15.a /z PHY的端到端仿真。

超宽带定位和测距

MATLAB支持使用兼容IEEE 802.15.4标准和IEEE 802.15.4z修订的媒体访问控制(MAC)和PHY帧的定位和测距技术。三种广泛应用的测距技术是:

• 单侧双向测距(SS-TWR):一台设备在无线802.15.4z链路的两个方向上使用帧传输来估计两个设备之间的距离
• 双边双向测距(DS-TWR):两个设备都使用无线802.15.4z链路的双向帧传输来估计两个设备之间的距离
• 单向测距/到达时间差(OWR/TDOA):网络辅助定位，其中一个设备与一组同步节点通信，以估计设备的位置

你可以找到SS-TWR的MATLAB例子在超宽带范围使用IEEE 802.15.4z，的OWR/TDOA基于IEEE 802.15.4z的超宽带定位．

在OWR/TDOA中，需要本地化的设备周期性地广播短消息，即眨眼。对于每对同步节点，周期消息之间的TDOA将设备放置在一个双曲曲面上。所有双曲曲面的交点(在每对同步节点上)给出了设备的位置估计。

图3显示了MATLAB中OWR/TDOA仿真结果。

为什么超宽带很重要?

• 超宽带为个人和身体区域网络提供了另一种物理层，主要在3.1至10.6 GHz范围内工作，比ISM(工业、科学和医疗)频段拥塞更少
• 超宽带对多径衰落的敏感性较低，可以在低信噪比下工作，并为安全通信提供额外支持
• 与超外差收发器架构相比，超宽带提供了系统的简单性，并且通过高频实现的小型天线可以在芯片内部制造
• 超宽带脉冲持续时间远短于其他技术的符号时间，支持测距和定位的高精度和低延迟，如表2所示

表2。比较用于测距和定位的技术。