【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 大的發(fā)展，主要集中在雷達(dá)系統(tǒng)方面，具體包括穿地雷達(dá)系統(tǒng)等。到了1989年，美國(guó)國(guó)防部首次將脈沖無(wú)線電（Impulse Radio）更名為超帶寬（Ultra Wideband）。自從1994年開(kāi)始，美國(guó)關(guān)于UWB的研發(fā)工作開(kāi)始在沒(méi)有分類限制的狀況下進(jìn)行，這大幅增加了UWB的研發(fā)速度，同時(shí)也吸引了商業(yè)界對(duì)UWB應(yīng)用的興趣[賽迪網(wǎng), 2007]。2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用，UWB的發(fā)展由此進(jìn)入了民用與商用階段。UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過(guò)正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。UWB使用的電波帶寬為數(shù)GHz，與帶寬20MHz左右的無(wú)線LAN相比，UWB利用的帶寬高出數(shù)百倍。與普通二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）信號(hào)波形相比，UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號(hào)（），UWB信號(hào)也低得多（低于10nW/MHz）。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。而且由于脈沖的時(shí)間寬度極小，能把多路徑分得更小，能實(shí)現(xiàn)RAKE接收（匯集接收許多方向的電波）。通信速度為數(shù)百M(fèi)bit/s～1Gbit/s，與高速有線LAN旗鼓相當(dāng)?？偟谜f(shuō)來(lái)，UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)。與普通二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）信號(hào)波形相比，UWB通信時(shí)并不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制[UWB, 2009]，而是發(fā)送許多小于1ns的脈沖，由此帶來(lái)的好處是UWB可占用帶寬非常寬。還由于UWB脈沖寬度在ns級(jí)別，脈沖覆蓋的頻譜可以從直流至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。因?yàn)閁WB信號(hào)在時(shí)間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當(dāng)?shù)?，RF因此可以同時(shí)發(fā)射多個(gè)UWB信號(hào)。[王金龍等, 2005]。為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率，UWB應(yīng)用超短基帶豐富的GHz級(jí)頻譜，采用安全信令方法（Intriguing Signaling Method）。基于UWB的寬廣頻譜，F(xiàn)CC在2002年宣布UWB可用于精確測(cè)距，金屬探測(cè)，新一代WLAN和無(wú)線通信。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段， GHz和低于41dB發(fā)射功率[ENET, 2007]。 UWB特點(diǎn)與發(fā)展?fàn)顩rUWB的特點(diǎn)具體來(lái)說(shuō)，UWB擁有以下7個(gè)特點(diǎn)：1) 擁有寬帶寬（系統(tǒng)容量大）[UWB, 2009]從香農(nóng)公式C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率上升所帶來(lái)的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。UWB使用的帶寬在1GHz以上，高的可達(dá)幾個(gè)GHz。并且UWB可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。在頻率資源日益緊張的今天，UWB可以說(shuō)是一個(gè)擁有良好使用前景的無(wú)線通信技術(shù)。2) 高速的數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)WB系統(tǒng)使用上吉赫茲的超寬頻帶，根據(jù)香農(nóng)信道容量公式，即使把發(fā)送信號(hào)功率密度控制得很低，也可以實(shí)現(xiàn)高的信息速率。一般情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百M(fèi)bit/s（兆比特每秒）到Gbit/s（吉比特每秒）。3) 多徑分辨能力強(qiáng)[UWB技術(shù)綜述, 2007]UWB由于其極高的工作頻率和極低的占空比而具有很高的分辨率，窄脈沖的多徑信號(hào)在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑數(shù)據(jù)分量，所以能充分利用發(fā)射信號(hào)的能量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號(hào)的衰落最多不到5dB。4) 隱蔽性好UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；二是UWB的頻譜非常寬，能量密度非常低，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收，因此保密性好。另一方面，由于能量密度低，UWB設(shè)備對(duì)于其他設(shè)備的干擾也非常低[王金龍等, 2005]。5) 定位精確沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無(wú)線電通信，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(duì)地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)[王金龍等, 2005]。6) 抗干擾能力強(qiáng)UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。接收時(shí)將信號(hào)能量還原出來(lái)，在解擴(kuò)過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益。因此，、 ，在同等碼速條件下，UWB具有更強(qiáng)的抗干擾性。一般來(lái)說(shuō)，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。7) 低成本和低功耗[James et al, 2005]無(wú)線通信系統(tǒng)在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波，因此要消耗一定電能，而UWB信號(hào)無(wú)需載波，通過(guò)間歇的脈沖來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，～，有很低的占空因數(shù)，所以它只需要很低的電源功率。一般UWB系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，是藍(lán)牙技術(shù)的十分之一[UWB技術(shù)綜述, 2007]。UWB的發(fā)展?fàn)顩rUWB技術(shù)多年來(lái)一直是美國(guó)軍方使用的作戰(zhàn)技術(shù)之一。由于UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì)，同時(shí)受發(fā)射功率的限制，因此，短距離范圍內(nèi)的高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將是UWB的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如當(dāng)前WLAN和WPAN的各種應(yīng)用。UWB也適用于短距離數(shù)字化的音視頻無(wú)線鏈接、短距離寬帶高速無(wú)線接入等相關(guān)民用領(lǐng)域?？偟恼f(shuō)來(lái)，UWB的用途很多，主要分為軍用和民用兩個(gè)方面。在國(guó)際上，來(lái)自美國(guó)的XtremeSpectrun公司提供了能夠達(dá)到100Mb/s以上傳輸速率，并且能夠在各種設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線音頻、視頻傳輸?shù)腢WB芯片組；Intel也于2000年成立了UWB研究實(shí)驗(yàn)室，并希望最終能夠讓UWB的短距離傳輸速率達(dá)到400～500Mb/s，關(guān)于無(wú)線USB的概念，也是由Intel在基于UWB技術(shù)研究的基礎(chǔ)上提出的；Time Domain公司利用UWB PPM技術(shù)，先后開(kāi)發(fā)了三代PulsON芯片，推動(dòng)了UWB技術(shù)的發(fā)展；Pulse Link公司在2003年第一季度推出了傳輸速率達(dá)400Mb/s的UWB芯片組；美國(guó)的Discrete Time公司也開(kāi)發(fā)了多頻段UWB技術(shù)，與單頻段UWB相比，多頻段UWB系統(tǒng)的每頻段內(nèi)可以用較低的速率發(fā)送信息，這降低了UWB的成本，具有較好的自適應(yīng)性，；另外，Cisco、Sony等公司都做出投入準(zhǔn)備進(jìn)入U(xiǎn)WB無(wú)線數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)。以上公司的努力都為UWB在國(guó)際上的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。在民用上，UWB主要用于無(wú)線USB數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻及音頻傳輸?shù)燃彝蕵?lè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中。無(wú)線USB數(shù)據(jù)傳輸伴隨Intel的UWB研究計(jì)劃而產(chǎn)生，旨在為筆記本用戶提供超短距離內(nèi)的超高速劇傳輸速率，最終因?yàn)闆](méi)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果而沒(méi)有得到廣泛接受。另一方面，UWB在家庭數(shù)字娛樂(lè)中有較好的應(yīng)用前景。在室內(nèi)環(huán)境1～10m范圍內(nèi)，UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到100～500Mb/s，可以將其應(yīng)用于高清視頻傳輸，音頻傳輸?shù)燃彝蕵?lè)系統(tǒng)。另外，UWB還應(yīng)用于汽車防碰撞傳感器、學(xué)校等公共場(chǎng)所的無(wú)線定位、港口設(shè)備等。在軍用方面UWB主要用于如雷達(dá)、UWBLPI/D無(wú)線內(nèi)通系統(tǒng)（預(yù)警機(jī)、艦船等）、戰(zhàn)術(shù)手持和網(wǎng)絡(luò)的PLI/D電臺(tái)、警戒雷達(dá)、UAV/UGV數(shù)據(jù)鏈、探測(cè)地雷、檢測(cè)地下埋藏的軍事目標(biāo)或以葉簇偽裝的物體等。另外， UWB還可用于介于雷達(dá)和通信之間精確地理定位，例如使用UWB技術(shù)的能夠提供三維地理定位信息的設(shè)備。該系統(tǒng)由無(wú)線UWB塔標(biāo)和無(wú)線UWB移動(dòng)漫游器組成。其基本原理是通過(guò)無(wú)線UWB漫游器和無(wú)線UWB塔標(biāo)間的包突發(fā)傳送而完成航程時(shí)間測(cè)量，再經(jīng)往返（或循環(huán)）時(shí)間的測(cè)量值的對(duì)比和分析，得到目標(biāo)的精確定位。UWB地理定位系統(tǒng)最初的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是在軍事領(lǐng)域。它能夠提供突發(fā)且高達(dá)100Mbps的信息服務(wù)，其信息內(nèi)容包括路況信息、建筑物信息、天氣預(yù)報(bào)和行駛建議，還可以用作緊急援助事件的通信。UWB在該方面的應(yīng)用也正好是對(duì)GPS定位的一個(gè)補(bǔ)充，本文將要介紹的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)也正是基于UWB在這方面的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。 UWB與其它技術(shù)與藍(lán)牙、WLAN等帶寬相對(duì)較窄的傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)不同，UWB能在寬頻上發(fā)送一系列非常窄的低功率脈沖。較寬的頻譜、較低的功率、脈沖化數(shù)據(jù)，這些都意味著UWB引起的干擾小于傳統(tǒng)的窄帶無(wú)線解決方案，并能夠在室內(nèi)無(wú)線環(huán)境中提供與有線相媲美的性能。與其它相關(guān)定位技術(shù)相比，UWB技術(shù)主要擁有以下四個(gè)特有的性質(zhì)：1) 定位精度更高：，從中我們可以看到UWB技術(shù)擁有相對(duì)較高的定位精度，其中UBisense公司的UWB定位技術(shù)通過(guò)使用AOA與TOA相結(jié)合的方式進(jìn)行定位，最大可能的提高的UWB定位的精度。表格 定位技術(shù)精度比照表定位技術(shù)Proximity CardsGPSBluetoothUnidirectional UWBUBisense UWB定位精度30m5~20m3m3m30cm15cm2) 實(shí)時(shí)性好。相對(duì)于其他定位技術(shù)，UWB定位一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)就是它具有較好的實(shí)時(shí)性。從中可以看到UWB的相應(yīng)頻率是最高的，甚至可以遠(yuǎn)高于其它定位技術(shù)。表格 定位技術(shù)實(shí)時(shí)性比照表定位技術(shù)Proximity CardsBluetoothUnidirectional UWBUBisense UWB頻率40HZ3) 數(shù)據(jù)傳輸量大由于UWB使用的頻點(diǎn)較高，它的數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)高。，在單位時(shí)間里的數(shù)據(jù)傳輸量上，UWB擁有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)。表格 定位技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸量比照表定位技術(shù)BluetoothHomeRFUBisense UWB頻率1Mbps54Mbps1~2Mbps500Mbps UWB定位技術(shù)小節(jié)目前UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作還沒(méi)有完成，一些技術(shù)問(wèn)題需要不斷完善，但它將可能成為新一代WLAN和WPAN的技術(shù)基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)超高速寬帶無(wú)線接入。專家指出，在軍事需求和商業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，UWB技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展和成熟起來(lái)。盡管如此，UWB在技術(shù)上面臨一定的挑戰(zhàn)，還有諸多技術(shù)的問(wèn)題有待研究解決，比如需要更好地理解UWB傳播信道的特點(diǎn)，建立信道模型，解決多徑傳播；需要進(jìn)一步研究高速脈沖信號(hào)的生成、處理等技術(shù)；研究新的調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步降低收發(fā)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度等。另一方面，同先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)在無(wú)線通信領(lǐng)域仍處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)，目前國(guó)內(nèi)還缺乏成熟的UWB應(yīng)用系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的商用UWB市場(chǎng)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。通過(guò)UWB技術(shù)的研究和對(duì)具體應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，可以充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，研究將會(huì)更有方向性和針對(duì)性，因而有可能在該領(lǐng)域達(dá)到世界相對(duì)領(lǐng)先的水平，促進(jìn)我國(guó)在UWB技術(shù)方面的全面發(fā)展。南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 3D模型處理技術(shù)第三章 3D模型處理技術(shù) Google SketchupSketchup最早于1999年由位于美國(guó)Colorado的Last Software軟件公司開(kāi)發(fā)，于2000年8月發(fā)布首個(gè)可運(yùn)行版本。作為一款通用的3D模型創(chuàng)建工具，Sketchup具有很容易使用的特點(diǎn)。因?yàn)镾ketchup提供了對(duì)Google Earth很好的插件支持，Google在2006年三月收購(gòu)了Last Software軟件公司，并將Sketchup更名為Google Sketchup。Google Sketchup6于2007年一月發(fā)布，與Sketchup Layout一起，提供了2D圖形矢量工具與頁(yè)面布局工具；Google Sketchup7于2008年十一月發(fā)布，易用性得到了進(jìn)一步改良，提供了對(duì)Google 3D Warehouse的集成，提供了動(dòng)態(tài)組件（Dynamic Component）功能與對(duì)Ruby API的改進(jìn)。Google Sketchup是一款功能強(qiáng)大而又容易使用的3D模型設(shè)計(jì)軟件，主要用在概念設(shè)計(jì)階段的3D模型開(kāi)發(fā)之中。本文介紹的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)也使用了Google Sketchup，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行3D建模。 Google Sketchup的特點(diǎn)易用性：在最初Sketchup被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)之時(shí)，它就被定義為需要具備良好使用性的軟件。與其它同類3D建模軟件相比，Google Sketchup擁有簡(jiǎn)單的用戶界面與快速的可學(xué)習(xí)性，用戶能夠在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)完成3D模型的建立。基于表面的建模：在建立3D模型時(shí)有兩種主要的建模方式：基于表面的建模，與實(shí)心建模。在基于表面的建模中，所有物體都只是被賦予了一層表面，表面內(nèi)部則是空心的；而實(shí)心建模則將3D物體內(nèi)部賦予實(shí)心的填充物質(zhì)。Google Sketchup使用的是基于表面的建模技術(shù)，： 基于表面的建模與實(shí)心建?；诙噙呅蔚慕＃毫硗庖环N建模的劃分方式為：基于多邊形（Polygonal）的建模，與基于弧線（Curvebased）的建模。在基于多邊形的建模中，所有模型均通過(guò)直線與平面構(gòu)成，即使是圓弧這樣的形狀也是由微笑的直線所組成；相反在基于弧線的建模中，所有直線與平面都有弧線構(gòu)成。在Google Sketchup使用的基于多邊形的建模中，所有圖形都由直線（Straight Edge）與平面（Face）表示，即使是如弧線這樣彎曲的圖形。 Sketchup中如果用直線表示圓?。?Sketchup中弧線的構(gòu)成在使用Google Sketchup時(shí)，即使在一些情況下我們看到的只是由弧線組成的圖形，實(shí)際上這些圖形也會(huì)由直線（Straight Edge）組成，： Sketchup中隱藏的模型直線在基于弧線的建模中，物體能夠更加真實(shí)、自然的展現(xiàn)出來(lái)，但這通常需要耗費(fèi)更多的計(jì)算機(jī)資源，并且需要用戶花費(fèi)更多時(shí)間學(xué)習(xí)如何使用基于弧線的建模工具。Google Sketchup使用的是基于多邊形的建模，很好的體現(xiàn)了使用的簡(jiǎn)單性與程序運(yùn)行的高效性。 Google Sketchup與其它3D模型軟件Autodesk 3D Max：3D Max是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的一款功能強(qiáng)大的3D模型架構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，主要提供3D建模、插件開(kāi)發(fā)以及基于Window操作系統(tǒng)的相關(guān)開(kāi)發(fā)等。主要用于游戲開(kāi)發(fā)、商業(yè)TV制作、建筑學(xué)設(shè)計(jì)、電影特效等方面。Autodesk Maya：Maya是一款基于節(jié)點(diǎn)的3D模型軟件。它采用了Wavefront Explorer與Al