UWB学习——day1

UWB定义

UWB：Ultra Wideband（超宽频）
UWB所谓的超宽频区别于其它近场通信技术可总结为时域上跳跃，频域上矮胖

从图中可以看出，时域上通过短且强的脉冲信号，频域上主要是超宽的频谱（Spectrum）

信息调制（Information Modulation）

调制（Modulation）：把信号进行编码使其方便传播的过程

Pulse Position Modulation（PPM）：脉冲位置调制，

PPM 通过在固定时间范围内改变脉冲的位置来对模拟信号进行编码。
在PPM中，在固定时间间隔内的特定时间发送脉冲，并且改变该间隔内的脉冲位置来表示正在发送的模拟信号的幅度。 相对于时间间隔内的固定参考点（例如间隔的开始）测量脉冲的位置。

Pulse Amplitude Modulation（PAM）：脉冲幅度调制

脉冲幅度调制 (PAM) 是一种通过以规则模式改变脉冲幅度来将数字数据编码到模拟信号上的方法。 在 PAM 中，幅度与传输的数字数据成比例变化。脉冲幅度调制 (PAM) 是一种通过以规则模式改变脉冲幅度来将数字数据编码到模拟信号上的方法。 在 PAM 中，幅度与传输的数字数据成比例变化。

On-Off Keying (OOK)：二进制启闭键控

OOK的调制原理就是用来控制把一个幅度取为0，另一个幅度为非0，就是OOK。它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭。


OOK(On-Off Keying)，通断键控。
如上图所示，$V_m(t)$ 是需要发送的数字信号，$Acos(2\pi f{c}^t)$ 是未经过调制的载波，$v_{AM}(t)$是经过OOK调制的载波信号。

Bi-Phase Modulation (BPSK)：二进制相移键控

我们只使用一种载波：$cos({\omega }_{0}t)$当输入的二进制信号是0时， $s(t)=cos({\omega }_t)$；当输入的二进制信号是1时， $cos({\omega }_{0}t+\pi )$
而我们知道：$cos({\omega }_t)=-cos({\omega }_t+\pi )$那么我们可以得到下面的映射关系

输入的二进制信号	对应的二进制信号	调制后的波形
0	I=1;Q=0	$s(t)=cos({\omega }_t)$
1	I=-1;Q=0	$s(t)=cos({\omega }_t+\pi )$

UWB频谱

UWB频谱的最大优势就在于宽频

由图中可以看到，UWB的频谱相较于GPS、PCS（个人通信服务）、bluetooth、WIFI2等通信技术，频谱宽阔的多，且功耗低很多。

短距离数据吞吐量较大

图上对比的是wifi2版本。但目前由于wifi技术的发展，无线近场传播主要靠wifi，这个优势并没有发展起来。

但这也算是UWB技术的优势之一，在后续的应用中高吞吐量的优势，自然有用武之地。

不同编码规则对吞吐量的影响

m-ary中的m相当于是码元，m越大理论上携带的信息量就越大，但与此同时在有限的带宽中抗噪性能就会下降，反映到实际吞吐量中，反而m值越小的，吞吐量越大。
具体原因解释：
在超宽带（UWB）技术中，增加 m-ary PAM 的值会导致每个符号携带更多的信息，这理论上可以提高数据传输速率。然而，实际上，当 m 值增加时，可能会出现吞吐量下降的情况，这是由于以下原因：

1. 信道带宽限制：UWB 技术通常使用极宽的频带宽度来传输信号。当 m 值增加时，每个符号的持续时间变得更短，这导致了更高的信号频率。然而，信道的带宽是有限的，不能无限地支持更高频率的信号。因此，随着 m 值的增加，信号在信道中可能会变得失真，从而降低了吞吐量。$$C=B{\log }_2\left(1+\frac{S}{N}\right)$$
2. 多径干扰：UWB 信号通常会经历多条传播路径，这可能导致多径干扰。随着 m 值的增加，符号的持续时间减少，这会增加多径干扰的影响，降低信号质量。
3. 能量分布：在 UWB 中，信号的能量通常分布在广泛的频率范围内。当 m 值增加时，每个符号的能量分布也会更宽，这可能导致更多的能量分散在信道中，而不是在目标频带内，降低了信号的功效。
4. 硬件复杂性：使用更高级别的 PAM 还需要更复杂的硬件来生成和检测这些信号，这可能会增加系统的成本和复杂性。
   因此，在 UWB 技术中，选择适当的 m 值需要平衡各种因素，包括信道特性、系统设计、硬件复杂性和数据传输速率。选择合适的 m 值是 UWB 系统设计中的一个重要决策，旨在最大程度地满足特定应用的需求。有时候，牺牲一些数据传输速率以提高信号质量和可靠性可能是更明智的选择。
   by ChatGPT

UWB优势总结

• 频谱宽：7.5 Ghz的总频宽，可在不同场景下切换频率
• 功耗低：允许的功耗电平低
• 高吞吐：10英尺内可实现500Mbpc
• 迭代快：遵从摩尔定律，随着芯片频率提高，性能也提高
• 拦截难：
  • 脉冲短，难以在频谱上检测到
  • 能量密度低，得益于频带宽，因而难以检测
  • 功率低，难以被远距离拦截设备探测，也减少了对其他系统的干扰
  • 波形多样，多种不同的调制和脉冲形状
  • 低拦截概率，快速脉冲和低能量密度，使得拦截设备成本高
• 多径抗干扰性：道理与拦截难类似
• 高精度：亚厘米级的精度，可用于雷达以及定位等
• 高穿透性：可越过障碍物