Ultra- bredbåndssignaler (UWB) er radiosignaler ( UHF- signaler) med en "ultra-stor" båndbredde . De bruges til ultrabredbåndsradar og trådløs ultrabredbåndsradiokommunikation .
Der er flere definitioner af "ultra-bredbånd". I traditionerne for sovjetisk og russisk radioteknik betragtes signaler med en båndbredde på mere end en oktav som ultrabredbånd, det vil sige signaler, hvor den øvre grænse for frekvensbåndet er mere end 2 gange den nedre grænse [1] .
I radar blev det foreslået (1985) at kalde signaler med en relativ båndbredde af frekvenser
[2] .Inden for radar er en anden definition af dette udtryk blevet foreslået: ultrabredbåndssignaler er impulssignaler, der opfylder forholdet
,de der. den rumlige længde af radioimpulsen ( er signalets varighed eller bredden af dens autokorrelationsfunktion, er lysets hastighed) er meget mindre end den karakteristiske størrelse af den emitterende (modtage) blænde eller størrelsen af objektet, der reflekterer signalet [ 3] .
I forbindelse med radiokommunikation foreslås det i henhold til definitionen af US Federal Communications Commission (FCC) (2002) at overveje ultrabredbåndssignaler med en relativ båndbredde på mindst 20-25 %, dvs.
eller signaler med en absolut båndbredde (i frekvensområdet 3,1 - 10,6 GHz) [4] .
Siden 2002 er dele af spektret i mikrobølgeområdet i mange lande i verden blevet tildelt til ulicenseret brug af ultrabredbåndssignaler i trådløs radiokommunikation.
I USA tillades UWB-signaler at blive brugt i intervallet 3,1…10,6 GHz [4] , mens den spektrale effekttæthed for UWB-transceiveren ikke bør overstige -41,3 dBm / MHz .
I Den Russiske Føderation er der afsat et interval på 2,85 ... 10,6 GHz til trådløs kommunikation på UWB-signaler [5] . I forskellige dele af dette område er den spektrale effekttæthed for UWB-transceiveren begrænset fra -65 til -45 dBm / MHz (se figur). De mest "frie" sektioner er 6000 ... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625 ... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150 ... 10600 MHz (-45 dBm / MHz ).
I Den Europæiske Union er det mest foretrukne område 6…8,5 GHz [6] , hvor transceiverens spektraltæthed er begrænset til -41,3 dBm / MHz .
Ulicenseret brug af UWB-signaler er også tilladt i Sydkorea, Japan, Kina og andre lande.
Ultrabredbåndssignaler kan repræsenteres af ultrakorte (ultrakorte) impulser , OFDM - signaler, kaotiske radioimpulser og chirp -modulerede signaler .
Formen af ultrakorte impulser [7] er beskrevet af en Gaussisk monocyklus, det vil sige den første afledte af den kendte Gaussiske fordelingskurve :
,hvor er pulsvarigheden og er dens amplitude. Bredden af pulseffektspektret er omvendt proportional med pulsvarigheden . Formen af effektspektret af en sådan puls er beskrevet af forholdet:
.Basen på en ultrakort puls .
Ved brug af pulser med en varighed på 2,0 ns til 0,1 ns, er båndbredden af effektspektret henholdsvis fra 500 MHz til 10 GHz. Signalspektret optager frekvensbåndet fra 0 til .
For at indkode et informationssymbol kan du ikke bruge én ultrakort puls, men pakker af sådanne pulser [8] . Når du bruger en pakke med N impulser, øges signalbasen med N gange.
Når der dannes et burst, indstilles amplituden af hver impuls og dens position i forhold til den nominelle værdi af emissions-/modtagelsestiden i overensstemmelse med kodespredningssekvensen. I dette tilfælde er det muligt at opnå en forøgelse af støjimmunitet og/eller give flere brugeradgange i samme frekvensområde (kodedeling af kanalen mellem flere brugere).
En egenskab ved både enkelte ultrakorte impulser og udbrud af sådanne impulser er, at spektret af disse signaler starter næsten fra nul frekvens. Dette gør det vanskeligt at opfylde de spektrale maskebetingelser for ulicenseret brug af UWB-signaler.
Korte radioimpulser [9] tillader fleksibel kontrol af deres spektrum. De er tog af sinusformede svingninger med en klokkeformet konvolut, beskrevet med følgende udtryk:
,hvor er den karakteristiske varighed af radioimpulsenvelope og er den centrale oscillationsfrekvens. Spektret af et sådant signal har formen
.En kort radioimpuls dannes i to trin. Først i lavfrekvensområdet ( basisbånd ) dannes en indhylningsimpuls med en varighed , som har en gaussisk form, derefter multipliceres den med et periodisk bæresignal med en frekvens . Det således opnåede signal har en spektrumbredde og en centerfrekvens . Signal base .
Bursts af korte radioimpulser [9] [10] , som i tilfældet med ultrakorte impulser, bruges til at øge signalbasen og opnå yderligere modulering og multi-bruger adgangsmuligheder. De er dannet i overensstemmelse med spredningssekvenserne, således at informationssymbolet er kodet af en burst af KRI. I dette tilfælde øges signalbasen med en faktor N, hvor N er antallet af impulser i en burst.
Pakker med korte radioimpulser giver yderligere muligheder for at organisere multiadgang i forbindelse med adskillelse af signaler fra forskellige brugergrupper efter frekvens.
Signalet dannes af harmoniske underbærebølger fordelt i frekvens med lige store intervaller [11] . Med andre ord er den samlede båndbredde optaget af signalet opdelt i underkanaler. Alle underbærere er indbyrdes ortogonale på pulsvarighedsintervallet , inden for hvilket OFDM-symbolet ( ) er placeret. For at transmittere information moduleres hver af underbærebølgerne uafhængigt ved hjælp af faseforskydningsnøglemetoder (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), således at hver underbærebølge genererer sit eget signal, som tilføjes, før det udsendes i luften, og danner et OFDM-signal. OFDM-signaler er karakteriseret ved en stor variabilitet i amplitude og som følge heraf en stor topfaktor (se figur). UWB OFDM-signalet optager et frekvensbånd på omkring 500 MHz. Basen af UWB OFDM-signalet varierer fra 1 til 10 afhængigt af transmissionshastigheden. Multiple adgang kan organiseres ved at allokere forskellige dele af det tilgængelige frekvensområde til forskellige brugere. |
Kaotiske radioimpulser er fragmenter af et kaotisk signal, der genereres direkte i det påkrævede frekvensområde [12] [13] . Dannelsen af impulser udføres enten på grund af ekstern modulation, eller på grund af intern modulation i transistorgeneratoren af kaotiske svingninger [14] [15] . Et kendetegn ved den ultrabredbånds kaotiske radioimpuls er, at dens spektrum er praktisk talt uafhængig af impulsvarigheden. Dette skyldes det faktum, at spektret af de indledende kaotiske svingninger allerede er ultrabredbånd, og udvidelsen af spektret med aftagende pulsvarighed er ubetydelig. Matematisk udtrykkes dette som følger. Den karakteristiske bredde af effektspektret af strømmen af kaotiske radioimpulser er , hvor er båndbredden af det kaotiske signal, er den karakteristiske bredde af spektret af den modulerende videoimpuls. Forudsat at varigheden af den modulerende videoimpuls opfylder forholdet , dvs. pulsen indeholder mere end flere kvasi-perioder af kaotiske svingninger, bredden af effektspektret af strømmen af kaotiske radioimpulser falder praktisk talt sammen med bredden af et kontinuerligt kaotisk signal. Grundlaget for en kaotisk radioimpuls bestemmes af produktet af det kaotiske signals båndbredde og varighed og kan variere over et bredt område ved at øge varigheden og nemt nå hundreder og tusinder, hvis det er nødvendigt. |
Ultrabredbånds chirp-impulser er pulssignaler, inde i pulsen ændres frekvensen ifølge en lineær lov, enten stigende eller faldende [16]
,
hvor er chirp-indhylningen af pulsen beskrevet af Gauss-klokken, er den initiale oscillationsfrekvens (i begyndelsen af pulsen), er frekvensjusteringshastigheden. Basen af chirp-impulsen er , den kan overstige 1, men kan ikke være stor. |
Brugen af ultrabredbåndssignaler inden for kommunikation i området 3-10 GHz er reguleret af følgende standarder:
Varganov M.E., Zinoviev Yu.S., Astanin L.Yu. og andre / red. L.T. Tuchkov. Radarkarakteristika for fly - M .: Radio og kommunikation, 1985, 236 s.