Ultra bredbåndssignaler

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 29. august 2020; checks kræver 23 redigeringer .

Ultra- bredbåndssignaler (UWB) er radiosignaler ( UHF- signaler) med en "ultra-stor" båndbredde . De bruges til ultrabredbåndsradar og trådløs ultrabredbåndsradiokommunikation .

Definition

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] . $\Delta F=(f_{øvre}-f_{nedre})$ $f_{øvre}$ ${\displaystyle f_{lower))$

I radar blev det foreslået (1985) at kalde signaler med en relativ båndbredde af frekvenser

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

[2] .

Inden for radar er en anden definition af dette udtryk blevet foreslået: ultrabredbåndssignaler er impulssignaler, der opfylder forholdet

c\tau \ll L

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] . $c\tau$ $\tau$ $c$ $L$

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.

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

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

Forordning

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.

Formation

Ultrabredbåndssignaler kan repræsenteres af ultrakorte (ultrakorte) impulser , OFDM - signaler, kaotiske radioimpulser og chirp -modulerede signaler .

Ultrakorte pulser

Formen af ultrakorte impulser [7] er beskrevet af en Gaussisk monocyklus, det vil sige den første afledte af den kendte Gaussiske fordelingskurve :

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

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: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

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 . $B=\Delta t\Delta F\ca. 1$

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 . $\Delta t$ $\Delta F\ca. 1/\Delta t$

Udbrud af ultrakorte pulser

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 radioudbrud

Korte radioimpulser [9] tillader fleksibel kontrol af deres spektrum. De er tog af sinusformede svingninger med en klokkeformet konvolut, beskrevet med følgende udtryk:

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

hvor er den karakteristiske varighed af radioimpulsenvelope og er den centrale oscillationsfrekvens. Spektret af et sådant signal har formen $\Delta t$ $f_{c}$

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

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 . $\Delta t$ $f_{c}$ $\Delta F\ca. 1/\Delta t$ $f_{c}$ $B\ca. 1$

Udbrud af korte radioimpulser

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.

Ortogonal frekvens multipleksing ( OFDM ) signaler

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. $N$ $\Delta f$ $\Delta F$ $N$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

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

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. $\Delta F\approx \Delta f+2\Delta s$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

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. $B=\Delta t\Delta F$

Chirp pulser ( chirps )

Ultrabredbånds chirp-impulser er pulssignaler, inde i pulsen ændres frekvensen ifølge en lineær lov, enten stigende eller faldende [16]

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

hvor er chirp-indhylningen af pulsen beskrevet af Gauss-klokken, er den initiale oscillationsfrekvens (i begyndelsen af pulsen), er frekvensjusteringshastigheden. $A_{0}(T)$ $f_0$ $\alfa$

Basen af chirp-impulsen er , den kan overstige 1, men kan ikke være stor. $B=\Delta t\Delta F$

Ansøgning

Ultra bredbånd
Direkte kaotiske kommunikationssystemer
Ultrabredbåndsradar
Kommunikationsnetværk på personligt niveau ( WPAN )
"Bærbare", "bærbare" netværk, Body Area Network ( BAN )
Trådløse sensornetværk

Standardisering

Brugen af ultrabredbåndssignaler inden for kommunikation i området 3-10 GHz er reguleret af følgende standarder:

802.15.3a er en de facto mislykket højhastigheds-ultrabredbåndskommunikationsstandard. Hastighederne var planlagt fra 110 Mbps ved 10 m til 480 Mbps ved 1 m. Der blev dannet to forskellige tilgange: (1) MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) foreslog brugen af 500 MHz OFDM-signaler, (2) DS- UWB Forum (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) fremmede ultrakorte pulser. Da det ikke lykkedes parterne at blive enige om holdninger, blev arbejdet med standarden indstillet. Som et resultat fortsatte hver af alliancerne med at arbejde uafhængigt. MBOA-UWB-teknologi dannede grundlaget for WirelessUSB (se artiklen om Trådløs USB-specifikation ). I 2008 blev højhastighedskommunikationsstandarderne ECMA-368 og ECMA-369 vedtaget, baseret på WiMedia UWB-platformen [17] .
802.15.4a [16] er en udvidelse af IEEE 802.15.4-standarden for trådløse sensornetværk ( WPAN ), der introducerer en ny type signaler ( UWB ) til det fysiske lag (PHY), vedtaget i slutningen af 2007. Som UWB signaler, beskriver standarden: bursts ultrakorte impulser, kaotiske radioimpulser , chirp-impulser. Overførselshastigheder op til 1 Mbps, rækkevidde op til 30 m (valgfrit 100 m).
802.15.6 er en standard for trådløse sensornetværk på eller nær den menneskelige krop (Kropsområdenetværk ) . Vedtaget i marts 2012. Kaotiske radioimpulser beskrives i standarden som UWB-signaler .

Noter

↑ intet link endnu
↑ Vagranov M. E., Zinoviev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Flyets radarrespons. - M .: Radio og kommunikation, 1985. - 320 s.
↑ Immoreev I. Ya. Ultrabredbåndsradarer : nye muligheder, usædvanlige problemer, systemfunktioner // Bulletin of MSTU. Ser. Instrumentation - 1998
↑ 1 2 US Federal Communications Commission (FCC) beslutning nr. FCC 02-48 dateret 14/02/2002 . Hentet 25. april 2012. Arkiveret fra originalen 21. marts 2006. (ubestemt)
↑ Afgørelse fra Statens Udvalg for Radiofrekvenser nr. 09-05-02 af 15. december 2009. Arkiveret 19. oktober 2013.
↑ Standardiseringsmandat fremsendt til CEN/CENELEC/ETSI for harmoniserede standarder, der dækker ultrabredbåndsudstyr. Europa-Kommissionen. TCAM-sekretariatet. Bruxelles, 19. april 2007 (link utilgængeligt) . Hentet 14. august 2012. Arkiveret fra originalen 31. oktober 2017. (ubestemt)
↑ Win MZ, Scholtz RA Impulse radio: Sådan virker det. IEEECommun. Lett. 1998. V. 2. Nr. 2. S. 36.
↑ J. McCorkley. En vejledning om ultrabredbåndsteknologi. IEEE 802.15 Working Group, indsendelse. — NY: IEEE, 2000. . Hentet 14. august 2012. Arkiveret fra originalen 1. november 2013. (ubestemt)
↑ 1 2 Kelly J. Time Domains forslag til UWB-multibånds alternativt PHY-lag til 802.15.3a. — NY: IEEE, 2003. . Hentet 14. august 2012. Arkiveret fra originalen 7. marts 2016. (ubestemt)
↑ Matt Welborn, TG4a-forslag til DS-UWB med lav rate (DS-UWB-LR). — NY: IEEE, 2005. . Hentet 15. august 2012. Arkiveret fra originalen 7. marts 2016. (ubestemt)
↑ Anuj Batra et al., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a arbejdsgruppeindsendelse. — NY: IEEE, 2003. . Hentet 15. august 2012. Arkiveret fra originalen 14. december 2013. (ubestemt)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. et al. Udsigter for skabelsen af direkte kaotiske kommunikationssystemer i radio- og mikrobølgebåndene. - Radioteknik, 2000, nr. 3, s. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. et al. Ultra-bredbånds trådløs kommunikation baseret på dynamisk kaos. Radioteknik og elektronik , 2006, bind 51, nr. 10, s. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Generering af en sekvens af kaotiske impulser under påvirkning af et periodisk signal på et dynamisk system. Breve til ZhTF , 2005, bind 31, nr. 22, s. 29.
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Dannelse af pulser i ikke-autonom kaotisk oscillator. Int. J. Bifurcation and Chaos , 2007, v. 17, nr. 10, s. en.
↑ 12 802.15.4a -2007. IEEE-standard for informationsteknologi - Telekommunikation og informationsudveksling mellem systemer - Lokal- og storbynetværk - specifikke krav Del 15.4: Trådløs Medium Access Control (MAC) og Physical Layer (PHY) Specifikationer for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPAN'er). NY: IEEE, 2007.
↑ Standard ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY og MAC Standard . Hentet 15. april 2013. Arkiveret fra originalen 3. december 2013. (ubestemt)

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.