射频原理

脉冲无线电 UWB 的风味

在即将推出的 IEEE 802.15.4z 标准 [B1] 中，UWB 物理层有两种形式：a) 低 (L) 速率 (R) 脉冲 (P) 重复频率，b) 高 (H) 速率 (R)脉冲 (P) 重复频率。

RF UWB 脉冲的包络如图 1 所示。LRP 基本上以比 HRP 更低的重复率发送脉冲，以实现高瞬时峰值功率、减少脉冲数量以及通道脉冲响应的直接图像，如图 1 所示这对于表1中列出的所有关键绩效指标都是有利的。

图1 ： LRP和HRP UWB传输和接收的主要原理。 LRP 发送的脉冲重复率低于 HRP，以实现高瞬时峰值功率、减少脉冲数量以及通道脉冲响应的直接图像。

请注意，在所有比较中，我们假设 LRP 和 HRP 脉冲都使用相同的脉冲持续时间 t p，即频域中相同的脉冲带宽。

频谱使用

UWB 传输受到法规的严格限制。有两条规则：

第一条规则规定了最大平均功率谱密度 (PSD)，即给定带宽内的辐射功率在 1 ms 内取平均值：

 最大限度。意思是PSD = -41.3 dBm / MHz（74 nW/MHz）

第二条规则对单个脉冲的传输强度施加了限制。当 UWB 信号通过带宽为 50 MHz 的滤波器时，它基本上将 UWB 信号的功率限制为 0 dBm：

最大限度。顶峰PSD = 0 dBm / 50 MHz

根据第一条规则，每 MHz 的功率比典型的短距离无线电设备（例如蓝牙或 Zigbee，每 MHz 传输功率为 1mW）低 13,500 倍。UWB首先通过使用非常大的带宽来克服这种情况。假设带宽为 500 MHz （脉冲持续时间 t p  = 2 ns），我们通过将 500 MHz 带宽乘以 74 nW/MHz 的最大频谱密度，获得 37 μW 的最大平均功率。

但是，37 μW（平均超过 1 毫秒）比其他短距离无线电技术传输的功率低一个数量级以上。

发射功率显着降低的 UWB 如何实现与其他短距离无线电技术相当的通信范围？

请记住，第一条规则还规定最大平均 PSD 必须在最多 1 ms 内进行平均，这相当于 37 nJ 的传输能量。这意味着在一毫秒内，理论上我们可以仅发送一个非常强的脉冲，其最大全频带峰值功率取决于脉冲持续时间 t p。以上述数值情况为例，t p = 2 ns 且 P TX  = 37 μW (-14.3 dBm)会产生18 W (+42.7 dBm)的全频带峰值功率，如图 2 所示。

然而，第二条规则将信号通过 50 MHz 带宽滤波器时的瞬时脉冲峰值功率限制为不得超过 0 dBm（即原始 500 MHz 宽信号能量的 10%）。这转化为 +20 dBm [B2] 的全带信号峰值功率（比仅应用第一个规则时低 22.7 dB）。因此，为了遵守这两个规则并最大化每个脉冲的传输能量，我们可以传输186 (= 10 (-22.7/10) ) +20 dBm（500 MHz 带宽）的脉冲。因此，传输的平均脉冲重复率变为 1 ms /186 个脉冲 = 5.3 µs [B2]。

这种瞬时峰值功率与平均功率的权衡使 UWB 能够实现高 SNR 和与其他短距离无线电技术相当的通信范围。

全球UWB法规严格限制1毫秒内可以发送的脉冲能量（图中黄色区域）。发送更强的脉冲有利于通信范围（链路预算），但对于更高的数据速率，可能需要更多的脉冲，并且必须以更低的每脉冲能量发送这些脉冲，这将大大减少更高数据速率 UWB 链路的范围。

根据 UWB 标准中的模式和实施权衡，脉冲数量可能会更高，脉冲峰值功率自然会降低。

相比之下，蓝牙和 WiFi 等短距离无线电技术在传输射频能量方面没有限制。它们只能在功率限制的情况下无限期地运行，因此可以提供连续的高数据速率通信。

图3 ： HRP UWB 中传输的脉冲数量比 LRP UWB 高出一个数量级以上，但单个脉冲能量成比例地变弱。LRP 和 HRP 使用完全相同的发射射频能量。

增加 1 ms 内发送的脉冲数量会导致脉冲峰值功率降低。这会给接收器带来额外的限制，但不会提高 UWB 性能。原因是发射的射频能量必须保持不变！

对于 LRP 和 HRP，最大传输能量相同，并由第一个 UWB 规则固定为 500 MHz 带宽的 37 nJ。

人们可以选择发送许多弱脉冲（HRP 原理）或发送更少但更强的脉冲（LRP 原理），以更好地利用第二个 UWB 规则。

HRP UWB 中发射的脉冲数量比 LRP UWB 高出一个数量级以上，但单个脉冲能量相应地较弱。