电子特越女学 Bversity af Electroale Sclec ad Techology efChia /966 超宽带电磁学及应用 授课教师杨宏春
电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 1.1超宽带电磁学的研究对象 无线电技术：研究以电磁波能量方式在发射机与接收机之间 的信号传输技术 超宽带电磁学：研究以UWB电磁信号在发射机与接收机之 间的信号传输 ·UWB信号的产生 UWB信号辐射与传输 编码或调电制 解码或解制 ·UWB信号接收与数据处理 发射机 接收机 ·基于UWB信号的系统应用 图1.1.1无线通信链路原理图
无线电技术：研究以电磁波能量方式在发射机与接收机之间 的信号传输技术 超宽带电磁学 ：研究以UWB电磁信号在发射机与接收机之 间的信号传输 • UWB信号的产生 • UWB信号辐射与传输 • UWB信号接收与数据处理 • 基于UWB信号的系统应用 1.1 超宽带电磁学的研究对象
电士件越女学 sity of Eectreale8 clenc and Tecoloy af Ch袖国 第一章绪论 1.2超宽带电磁学技术发展概述 1.2.1由宽带向窄带发展的无线电技术 莫尔斯电报工作原理：信号由键控一个载波信号的开和关来代 表用不同的传号（点）和空号（划线）表示字母特征。 ·中等信息速率约每分钟25字，相当于信号带宽为101Hz; ·发射机产生的冲击信号带宽为104Hz。 困难与局限 ·信号占用了比通信所需带宽宽得多的频谱，使得电台间的干 扰十分明显；
1.2.1 由宽带向窄带发展的无线电技术 莫尔斯电报工作原理：信号由键控一个载波信号的开和关来代 表用不同的传号(点)和空号(划线)表示字母特征。 • 中等信息速率约每分钟25字，相当于信号带宽为 101 Hz ； • 发射机产生的冲击信号带宽为 10 4 Hz。 困难与局限 • 信号占用了比通信所需带宽宽得多的频谱，使得电台间的干 扰十分明显； 1.2 超宽带电磁学技术发展概述
电士件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 •宽带接收机接收到了比信号带宽宽得多的背景噪声，信噪比 (SNR)很低，只能接收到非常强的信号。 解决方案 •使信号占用带宽与通信所需要的带宽相等（或成比例）； •用户共享某些信道频谱，通过信号时间信息或其它编码信息 识别各自所需要的信号，实现频谱资源的高效利用，并增大 系统的通信容量。 技术发展
• 宽带接收机接收到了比信号带宽宽得多的背景噪声，信噪比 (SNR)很低，只能接收到非常强的信号。 解决方案 • 使信号占用带宽与通信所需要的带宽相等(或成比例) ； • 用户共享某些信道频谱，通过信号时间信息或其它编码信息 识别各自所需要的信号，实现频谱资源的高效利用，并增大 系统的通信容量。 技术发展
电士件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 ·1903年，查尔斯·斯坦梅茨为了产生无线电信号载波，发明了 机械的高频交流发电机； ·1905年，加拿大的雷金纳德·费森登利用该交流发电机，发明 了幅度调制(A①的话音发射机，实现了数百英里话音传输； ·1913年，哈罗德.D阿诺德Harold D.Amold)发明了放大电子 管，使得大西洋沿岸和太平洋沿岸的通话变成可能； ·1915年，出现了第一个大西洋彼岸的无线电发射系统
• 1903年 ，查尔斯斯坦梅茨为了产生无线电信号载波，发明了 机械的高频交流发电机； • 1905年，加拿大的雷金纳德费森登利用该交流发电机，发明 了幅度调制(AM)的话音发射机，实现了数百英里话音传输； • 1913年，哈罗德D阿诺德(Harold D. Amold)发明了放大电子 管，使得大西洋沿岸和太平洋沿岸的通话变成可能； • 1915年，出现了第一个大西洋彼岸的无线电发射系统
电士件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 1.2.2宽带通信技术的孕育与发展 AM技术的局限与困难 。} 通过载波幅度变化来编码的AM技术易受静电、雷电干扰； ·频谱资源必将匮乏。 FM技术的发现与宽带通信技术的孕育 埃德温.阿姆斯特朗(Edwin Armstrong) ·1933年，发现了信号的频率调制FM)方法； ·奠定了信息理论的基础，量化了信号带宽与抗噪声干扰能力 之间的关系；指出宽带信号可克服窄带信号失真的优越性！
1.2.2 宽带通信技术的孕育与发展 AM 技术的局限与困难 • 通过载波幅度变化来编码的AM技术易受静电、雷电干扰； • 频谱资源必将匮乏。 FM 技术的发现与宽带通信技术的孕育 埃德温阿姆斯特朗 (Edwin Armstrong) • 1933年，发现了信号的频率调制(FM)方法； • 奠定了信息理论的基础，量化了信号带宽与抗噪声干扰能力 之间的关系；指出宽带信号可克服窄带信号失真的优越性！
电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 丹诺布尔(Dan Noble) ·实现了FM信号的双向陆地通信，有效推进VHF信道的应用； 宽带通信的发展 克劳德山农(Shannon Theroy) ·1948年，山农提出信道容量定理 如果以C表示信道容量，S表示信号功率，N表示噪声功率， W表示信道通频带宽，则在高斯白噪声情况下，有 C=W10g2(1+
丹诺布尔 (Dan Noble) • 实现了FM信号的双向陆地通信，有效推进VHF信道的应用 ； 宽带通信的发展 克劳德山农 (Shannon Theroy) • 1948年，山农提出信道容量定理 如果以C表示信道容量，S 表示信号功率，N 表示噪声功率， W 表示信道通频带宽，则在高斯白噪声情况下，有 log (1 ) 2 N S C W
电士件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 /966 第一章绪论 ·提高信号S与噪声功率之比，可以增加信道容量； ·当信道中噪声功率N-→0时，信道容量C→o; ·C一定时，带宽W与信噪比SN之间可以互换； ·增加带宽会造成SN下降，无限增大带宽的信道容量极限为 Cmm=1.44 S.W N 讨论 ·1948年提出：如果信息信号能够以使信号类似于噪声的方式更 高地扩展信息信号的频谱，那么该信号就能携带更多的信息
• 提高信号S与噪声N功率之比，可以增加信道容量； • 当信道中噪声功率N0 时，信道容量C ； • C一定时，带宽W与信噪比 S/N 之间可以互换； • 增加带宽会造成S/N下降，无限增大带宽的信道容量极限为 N S W CW 1.44 讨论 • 1948年提出：如果信息信号能够以使信号类似于噪声的方式更 高地扩展信息信号的频谱，那么该信号就能携带更多的信息
电子件越女学 ityf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 。“扩频通信”的发展。扩频通信是指用一族特殊的、比原始信 息宽得多的特殊数字序列来有意地扩展信号； 频谱分配政策的改变导致了“数字无线”时代的开始； UWB通信技术的发展 1960-1970年代，冲激雷达和政府主持的一些项目研究，导致 了后来被称为UWB的“脉冲无线电”的产生； ·1970-1980年代，面向通信和定位的现代低功率脉冲无线电技 术的实用性得到证实；
• “扩频通信”的发展。扩频通信是指用一族特殊的、比原始信 息宽得多的特殊数字序列来有意地扩展信号； • 频谱分配政策的改变导致了“数字无线”时代的开始； UWB通信技术的发展 • 1960-1970年代，冲激雷达和政府主持的一些项目研究，导致 了后来被称为UWB的“脉冲无线电”的产生； • 1970-1980年代，面向通信和定位的现代低功率脉冲无线电技 术的实用性得到证实；
电士件越女学 ftyf日ectreale8 clec and Tecology af C国 966 第一章绪论 ·2002年2月14日，FCC规定将3.1-10.6GHz这一无需政府执照 的带宽分给UWB系统使用，美国开始了UWB通信技术研究 1.2.3UWB系统的应用和未来方向 (1)UWB信号的基本特征 低功率密度。相对于窄带接收机而言，UWB信号的功率密度 相当于窄带接收机感受到的噪声信号； ·高分辨率。一些UWB信号的时域波形脉宽非常窄(s或亚ns 量级)，使UWB系统的分辨率可以达到cm甚至mm量级；
• 2002年2月14日，FCC规定将3.1-10.6 GHz 这一无需政府执照 的带宽分给UWB系统使用，美国开始了UWB通信技术研究 1.2.3 UWB系统的应用和未来方向 (1) UWB信号的基本特征 • 低功率密度。相对于窄带接收机而言，UWB信号的功率密度 相当于窄带接收机感受到的噪声信号； • 高分辨率。一些UWB信号的时域波形脉宽非常窄(ns 或亚ns 量级)，使UWB系统的分辨率可以达到cm 甚至 mm 量级；