Ultrabredbandssignaler

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 29 augusti 2020; kontroller kräver 23 redigeringar .

Ultrabredbandssignaler (UWB) är radiosignaler ( UHF- signaler) med en "ultra-stor" bandbredd . De används för ultrabredbandsradar och trådlös ultrabredbandsradiokommunikation .

Definition

Det finns flera definitioner av "ultrabredband". I traditionerna för sovjetisk och rysk radioteknik anses signaler med en bandbredd på mer än en oktav vara ultrabredband, det vill säga signaler där den övre gränsen för frekvensbandet är mer än 2 gånger den nedre gränsen [1] . $\Delta F=(f_{upper}-f_{lower})$ ${\displaystyle f_{övre))$ ${\displaystyle f_{lower))$

Inom radar föreslogs (1985) att anropa signaler med en relativ bandbredd av frekvenser

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2}}\geqslant 0.5

[2] .

I radar har en annan definition av denna term föreslagits: ultrabredbandssignaler är impulssignaler som uppfyller förhållandet

c\tau \ll L

de där. den rumsliga längden av radiopulsen ( är signalens varaktighet eller bredden på dess autokorrelationsfunktion, är ljusets hastighet) är mycket mindre än den karakteristiska storleken på den sändande (mottagande) aperturen eller storleken på objektet som reflekterar signalen [ 3] . $c\tau$ $\tau$ $c$ $L$

För radiokommunikationsändamål, enligt definitionen av US Federal Communications Commission (FCC) (2002), föreslås att ultrabredbandssignaler med en relativ bandbredd på minst 20-25 %, dvs.

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2}}\geqslant 0.2...0.25

eller signaler med en absolut bandbredd (i frekvensområdet 3,1 - 10,6 GHz) [4] . $\Delta F\geqslant 500{\text{ MHz))$

Förordning

Sedan 2002, i många länder i världen, har delar av spektrumet i mikrovågsområdet allokerats för olicensierad användning av ultrabredbandssignaler i trådlös radiokommunikation.

I USA tillåts UWB-signaler användas inom intervallet 3,1…10,6 GHz [4] , medan effekttätheten för UWB-sändtagaren inte bör överstiga −41,3 dBm / MHz .

I Ryska federationen har ett intervall på 2,85 ... 10,6 GHz allokerats för trådlös kommunikation på UWB-signaler [5] . I olika delar av detta område är effektspektraltätheten för UWB-transceivern begränsad från -65 till -45 dBm / MHz (se figur). De mest "fria" sektionerna är 6000 ... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625 ... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150 ... 10600 MHz (-45 dBm / MHz ).

I Europeiska unionen är det mest föredragna området 6…8,5 GHz [6] , där sändarmottagarens spektrala effekttäthet är begränsad till −41,3 dBm / MHz .

Olicensierad användning av UWB-signaler är också tillåten i Sydkorea, Japan, Kina och andra länder.

Formation

Ultrabredbandssignaler kan representeras av ultrakorta (ultraskorta) pulser , OFDM - signaler, kaotiska radiopulser och chirp- modulerade signaler .

Ultrakorta pulser

Formen på ultrakorta pulser [7] beskrivs av en Gaussisk monocykel, det vill säga den första derivatan av den kända Gaussiska fördelningskurvan :

A(t)=A_{0}{\sqrt {2e}}{\frac {t}{\Delta t}}\exp \left(-{\frac {t^{2}}{\Delta t^{2}}}\right)

var är pulslängden och är dess amplitud. Bredden på pulseffektspektrat är omvänt proportionell mot pulslängden . Formen på effektspektrumet för en sådan puls beskrivs av relationen: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

S(f)=A_{0}{\sqrt {2\pi e}}f{\Delta t^{2}}\exp \left(-{\frac {f^{2}\Delta t ^{2}}{2}}\right)

Basen på en ultrakort puls . $B=\Delta t\Delta F\approx 1$

Vid användning av pulser med en varaktighet på 2,0 ns till 0,1 ns, är bandbredden för effektspektrumet från 500 MHz till 10 GHz. Signalspektrumet upptar frekvensbandet från 0 till . $\Delta t$ $\Delta F\approx 1/\Delta t$

Utbrott av ultrakorta pulser

För att koda en informationssymbol kan du inte använda en ultrakort puls, utan paket med sådana pulser [8] . Vid användning av ett paket med N pulser ökar signalbasen med N gånger.

Vid bildande av en skur ställs amplituden för varje puls och dess position i förhållande till det nominella värdet av emissions-/mottagningstiden in i enlighet med kodspridningssekvensen. I detta fall är det möjligt att uppnå en ökning av brusimmuniteten och/eller tillhandahålla åtkomst för flera användare inom samma frekvensområde (koduppdelning av kanalen mellan flera användare).

En egenskap hos både enstaka ultrakorta pulser och skurar av sådana pulser är att spektrumet för dessa signaler börjar nästan från noll frekvens. Detta gör det svårt att uppfylla de spektrala maskvillkoren för olicensierad användning av UWB-signaler.

Korta radioskurar

Korta radiopulser [9] tillåter flexibel kontroll av deras spektrum. De är tåg av sinusformade svängningar med ett klockformat hölje, beskrivna med följande uttryck:

A(t)=\exp \left(-{\frac {t^{2}}{2\Delta t^{2}}}\right)\cdot \sin(2\pi \cdot f_{ c}\cdot t)

var är den karakteristiska varaktigheten för radiopulsenveloppen och är den centrala oscillationsfrekvensen. Spektrum för en sådan signal har formen $\Delta t$ $f_{c}$

S(f)=\exp \left(-2(\pi (f\pm f_{c})\Delta t)^{2}\right)

En kort radiopuls bildas i två steg. Först, i lågfrekvensområdet ( basband ), bildas en envelopppuls med en varaktighet , som har en Gaussisk form, sedan multipliceras den med en periodisk bärvågssignal med en frekvens . Den sålunda erhållna signalen har en spektrumbredd och en mittfrekvens . Signalbas . $\Delta t$ $f_{c}$ $\Delta F\approx 1/\Delta t$ $f_{c}$ $B\approx 1$

Utbrott av korta radiopulser

Bursts av korta radiopulser [9] [10] , som i fallet med ultrakorta pulser, används för att öka signalbasen och erhålla ytterligare modulering och fleranvändaråtkomstmöjligheter. De är utformade i enlighet med spridningssekvenserna så att informationssymbolen kodas av en skur av KRI. I detta fall ökar signalbasen med en faktor N, där N är antalet pulser i en skur.

Paket med korta radiopulser ger ytterligare möjligheter att organisera multipelaccess i samband med separation av signaler från olika användargrupper efter frekvens.

Ortogonal frequency multiplexing ( OFDM ) signaler

Signalen bildas av harmoniska underbärvågor fördelade i frekvens med lika intervall [11] . Med andra ord är den totala bandbredden som upptas av signalen uppdelad i underkanaler. Alla underbärvågor är ömsesidigt ortogonala på pulslängdsintervallet , inom vilket OFDM-symbolen ( ) finns. För att sända information moduleras var och en av underbärvågorna oberoende med användning av fasskiftnyckelmetoder (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), så att varje underbärvåg genererar sin egen signal, som läggs till innan den sänds i luften, och bildar en OFDM-signal. $N$ $\Delta f$ $\Delta F$ $N$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

OFDM-signaler kännetecknas av en stor variation i amplitud och, som ett resultat, en stor toppfaktor (se figur). UWB OFDM-signalen upptar ett frekvensband på cirka 500 MHz. Basen för UWB OFDM-signalen varierar från 1 till 10 beroende på överföringshastigheten.

Fleråtkomst kan organiseras genom att tilldela olika delar av det tillgängliga frekvensområdet till olika användare.

Kaotiska radiopulser

Kaotiska radiopulser är fragment av en kaotisk signal som genereras direkt i det erforderliga frekvensområdet [12] [13] . Bildandet av pulser utförs antingen på grund av extern modulering, eller på grund av intern modulering i transistorgeneratorn av kaotiska oscillationer [14] [15] .

En egenskap hos den ultrabredbandiga kaotiska radiopulsen är att dess spektrum är praktiskt taget oberoende av pulslängden. Detta beror på det faktum att spektrumet för de initiala kaotiska svängningarna redan är ultrabredband, och breddningen av spektrumet med minskande pulslängd är obetydlig.

Matematiskt uttrycks detta på följande sätt. Den karakteristiska bredden av effektspektrumet för flödet av kaotiska radiopulser är , där är bandbredden för den kaotiska signalen, är den karakteristiska bredden av spektrumet för den modulerande videopulsen. Förutsatt att varaktigheten av den modulerande videopulsen uppfyller förhållandet , dvs. pulsen innehåller mer än flera kvasiperioder av kaotiska svängningar, bredden på effektspektrumet för flödet av kaotiska radiopulser sammanfaller praktiskt taget med bredden på en kontinuerlig kaotisk signal. $\Delta F\approx \Delta f+2\Delta s$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

Basen för en kaotisk radiopuls bestäms av produkten av den kaotiska signalens bandbredd och varaktighet och kan variera över ett brett intervall genom att öka varaktigheten och lätt nå hundratals och tusentals vid behov. $B=\Delta t\Delta F$

Chirp pulser ( chirps )

Ultrabredbandiga chirp-pulser är pulssignaler, inuti pulsen ändras frekvensen enligt en linjär lag, antingen ökar eller minskar [16]

A(t)=A_{0}(T)\sin \left(2\pi f_{0}t\pm \pi \alpha t^{2}\right)

var är chirp-enveloppen för pulsen som beskrivs av Gauss-klockan, är den initiala oscillationsfrekvensen (i början av pulsen), är frekvensinställningshastigheten. $A_{0}(T)$ $f_0$ $\alfa$

Basen för chirp-pulsen är , den kan överstiga 1, men kan inte vara stor. $B=\Delta t\Delta F$

Applikation

Ultra bredband
Direkt kaotiska kommunikationssystem
Ultrabredbandsradar
Kommunikationsnätverk på personlig nivå ( WPAN )
"Bärbara", "bärbara" nätverk, Body Area Network ( BAN )
Trådlösa sensornätverk

Standardisering

Användningen av ultrabredbandssignaler inom kommunikationsområdet i intervallet 3-10 GHz regleras av följande standarder:

802.15.3a är en de facto misslyckad höghastighets-ultrabredbandskommunikationsstandard. Hastigheter planerades från 110 Mbps vid 10 m till 480 Mbps vid 1 m. Två olika tillvägagångssätt bildades: (1) MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) föreslog användning av 500 MHz OFDM-signaler, (2) DS- UWB Forum (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) främjade ultrakorta pulser. Eftersom parterna inte kom överens om ståndpunkter avbröts arbetet med standarden. Som ett resultat fortsatte var och en av allianserna att arbeta självständigt. MBOA-UWB-tekniken utgjorde grunden för WirelessUSB (se artikeln med specifikationen för trådlös USB ). 2008 antogs höghastighetskommunikationsstandarderna ECMA-368 och ECMA-369, baserade på WiMedia UWB-plattformen [17] .
802.15.4a [16] är en förlängning av IEEE 802.15.4-standarden för trådlösa sensornätverk ( WPAN ), som introducerar en ny typ av signaler ( UWB ) för det fysiska lagret (PHY), antagen i slutet av 2007. Som UWB signaler, beskriver standarden: bursts ultrakorta pulser, kaotiska radiopulser , chirp-pulser. Överföringshastigheter upp till 1 Mbps, räckvidd upp till 30 m (tillval 100 m).
802.15.6 är en standard för trådlösa sensornätverk på eller nära människokroppen ( Body Area Network ). Antogs i mars 2012. Kaotiska radiopulser beskrivs i standarden som UWB-signaler .

Anteckningar

↑ ingen länk ännu
↑ Vagranov M. E., Zinoviev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Radarrespons från flygplan. - M .: Radio och kommunikation, 1985. - 320 sid.
↑ Immoreev I. Ya. Ultrabredbandsradar: nya möjligheter, ovanliga problem, systemfunktioner // Bulletin of MSTU. Ser. Instrumentation - 1998
↑ 1 2 US Federal Communications Commission (FCC) beslut nr FCC 02-48 daterat 2002-02-14 . Hämtad 25 april 2012. Arkiverad från originalet 21 mars 2006. (obestämd)
↑ Beslut av den statliga kommittén för radiofrekvenser nr 09-05-02 av den 15 december 2009. Arkiverad den 19 oktober 2013.
↑ Standardiseringsmandat vidarebefordrat till CEN/CENELEC/ETSI för harmoniserade standarder som täcker ultrabredbandsutrustning. Europeiska kommissionen. TCAM-sekretariatet. Bryssel den 19 april 2007 (länk ej tillgänglig) . Hämtad 14 augusti 2012. Arkiverad från originalet 31 oktober 2017. (obestämd)
↑ Win MZ, Scholtz RA Impulse radio: Hur det fungerar. IEEECommun. Lett. 1998. V. 2. Nr. 2. P. 36.
↑ J. McCorkley. En handledning om ultrabredbandsteknik. IEEE 802.15 Working Group, inlämning. — NY: IEEE, 2000. . Hämtad 14 augusti 2012. Arkiverad från originalet 1 november 2013. (obestämd)
↑ 1 2 Kelly J. Time Domains förslag för UWB Multi-band Alternate PHY Layer för 802.15.3a. — NY: IEEE, 2003. . Hämtad 14 augusti 2012. Arkiverad från originalet 7 mars 2016. (obestämd)
↑ Matt Welborn, TG4a-förslag för låghastighets-DS-UWB (DS-UWB-LR). — NY: IEEE, 2005. . Hämtad 15 augusti 2012. Arkiverad från originalet 7 mars 2016. (obestämd)
↑ Anuj Batra et al., Förslag för fysiskt lager för flera band av OFDM. IEEE 802.15.3a arbetsgruppens inlämning. — NY: IEEE, 2003. . Hämtad 15 augusti 2012. Arkiverad från originalet 14 december 2013. (obestämd)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. et al. Utsikter för skapandet av direkta kaotiska kommunikationssystem i radio- och mikrovågsbanden. - Radioteknik, 2000, nr 3, sid. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. et al. Ultrabredband trådlös kommunikation baserad på dynamiskt kaos. Radioteknik och elektronik , 2006, vol. 51, nr 10, sid. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Generering av en sekvens av kaotiska pulser under påverkan av en periodisk signal på ett dynamiskt system. Brev till ZhTF , 2005, vol. 31, nr 22, sid. 29.
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Bildar pulser i icke-autonom kaotisk oscillator. Int. J. Bifurcation and Chaos , 2007, v. 17, nr 10, sid. ett.
↑ 12 802.15.4a -2007. IEEE-standard för informationsteknologi - Telekommunikation och informationsutbyte mellan system - Lokala nätverk och storstadsnätverk - specifika krav Del 15.4: Trådlös Medium Access Control (MAC) och Physical Layer (PHY) Specifikationer för Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPAN). NY: IEEE, 2007.
↑ Standard ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY och MAC Standard . Hämtad 15 april 2013. Arkiverad från originalet 3 december 2013. (obestämd)

Varganov M.E., Zinoviev Yu.S., Astanin L.Yu. och andra / red. L.T. Tuchkov. Radaregenskaper hos flygplan - M .: Radio och kommunikation, 1985, 236 s