Ultra širokopásmové signály

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 29. srpna 2020; kontroly vyžadují 23 úprav .

Ultraširokopásmové (UWB) signály jsou rádiové signály ( UHF signály) s „ultra-velkou“ šířkou pásma . Používají se pro ultraširokopásmovou radarovou a bezdrátovou ultraširokopásmovou rádiovou komunikaci .

Definice

Existuje několik definic "ultraširokopásmového připojení". V tradicích sovětského a ruského radiotechniky jsou signály s šířkou pásma větší než oktáva považovány za ultraširokopásmové, tedy signály, ve kterých je horní hranice frekvenčního pásma více než 2krát nižší než dolní hranice [1] . $\Delta F=(f_{upper}-f_{lower})$ ${\displaystyle f_{upper))$ ${\displaystyle f_{nižší))$

V radaru bylo navrženo (1985) volat signály s relativní šířkou pásma frekvencí

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2}}\geqslant 0,5

[2] .

V radaru byla navržena další definice tohoto termínu: ultraširokopásmové signály jsou impulsní signály, které splňují tento vztah

c\tau \ll L

těch. prostorová délka rádiového pulsu ( je délka signálu nebo šířka jeho autokorelační funkce, je rychlost světla) je mnohem menší než charakteristická velikost vysílací (přijímací) apertury nebo velikost objektu odrážejícího signál [ 3] . $c\tau$ $\tau$ $C$ $L$

Pro účely rádiové komunikace se podle definice Federální komunikační komise USA (FCC) (2002) navrhuje uvažovat ultraširokopásmové signály s relativní šířkou pásma alespoň 20-25 %, tzn.

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2}}\geqslant 0,2...0,25

nebo signály s absolutní šířkou pásma (v frekvenčním rozsahu 3,1 - 10,6 GHz) [4] . $\Delta F\geqslant 500{\text{ MHz))$

Nařízení

Od roku 2002 jsou v mnoha zemích světa části spektra v mikrovlnném rozsahu přiděleny pro nelicencované použití ultraširokopásmových signálů v bezdrátových rádiových komunikacích.

V USA je povoleno používat UWB signály v rozsahu 3,1…10,6 GHz [4] , přičemž výkonová spektrální hustota UWB transceiveru by neměla překročit -41,3 dBm / MHz .

V Ruské federaci je pro bezdrátovou komunikaci na UWB signálech přidělen rozsah 2,85 ... 10,6 GHz [5] . V různých částech tohoto rozsahu je výkonová spektrální hustota UWB transceiveru omezena od -65 do -45 dBm / MHz (viz obrázek). Nejvíce „volných“ úseků je 6000 ... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625 ... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150 ... 10600 MHz (-45 dBm / MHz ).

V Evropské unii je nejvýhodnější rozsah 6…8,5 GHz [6] , ve kterém je výkonová spektrální hustota transceiveru omezena na -41,3 dBm / MHz .

Nelicencované používání UWB signálů je povoleno také v Jižní Koreji, Japonsku, Číně a dalších zemích.

Formace

Ultraširokopásmové signály mohou být reprezentovány ultrakrátkými (ultrakrátkými) pulzy , OFDM signály, chaotickými rádiovými pulzy a cvrlikáním modulovaných signálů .

Ultrakrátké pulzy

Tvar ultrakrátkých pulzů [7] je popsán Gaussovým monocyklem, tedy první derivací známé Gaussovy distribuční křivky :

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

kde je trvání pulzu a jeho amplituda. Šířka spektra pulzního výkonu je nepřímo úměrná délce pulzu . Tvar výkonového spektra takového pulzu je popsán vztahem: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

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

Základ ultrakrátkého pulzu . $B=\Delta t\Delta F\cca 1$

Při použití pulzů s délkou trvání 2,0 ns až 0,1 ns je šířka pásma výkonového spektra od 500 MHz do 10 GHz. Spektrum signálu zaujímá frekvenční pásmo od 0 do . $\Delta t$ $\Delta F\cca 1/\Delta t$

Výbuchy ultrakrátkých pulzů

Ke zakódování informačního symbolu můžete použít nikoli jeden ultrakrátký puls, ale balíčky takových pulsů [8] . Při použití sady N pulsů se signálová báze zvýší Nkrát.

Při vytváření shluku se amplituda každého impulzu a jeho poloha vzhledem k nominální hodnotě doby vysílání/příjmu nastaví v souladu se sekvencí rozprostření kódu. V tomto případě je možné dosáhnout zvýšení odolnosti proti šumu a/nebo poskytnout přístup více uživatelům ve stejném frekvenčním rozsahu (kódové rozdělení kanálu mezi několik uživatelů).

Vlastností jak jednotlivých ultrakrátkých pulzů, tak shluků takových pulzů je, že spektrum těchto signálů začíná téměř od nulové frekvence. To ztěžuje splnění podmínek spektrální masky pro nelicencované použití UWB signálů.

Krátké rozhlasové dávky

Krátké rádiové impulsy [9] umožňují flexibilní řízení jejich spektra. Jsou to sledy sinusových kmitů se zvonovitým obalem, které jsou popsány následujícím výrazem:

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

kde je charakteristická doba trvání obálky rádiového impulsu a je frekvence centrálního kmitání. Spektrum takového signálu má tvar $\Delta t$ $f_{c}$

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

Krátký rádiový puls se tvoří ve dvou fázích. Nejprve se v nízkofrekvenčním rozsahu ( základní pásmo ) vytvoří obalový puls s trváním , který má gaussovský tvar, poté se vynásobí periodickým nosným signálem s frekvencí . Takto získaný signál má šířku spektra a střední frekvenci . Signální základna . $\Delta t$ $f_{c}$ $\Delta F\cca 1/\Delta t$ $f_{c}$ $B\cca 1$

Záblesky krátkých rádiových pulsů

Shluky krátkých rádiových pulsů [9] [10] , stejně jako v případě ultrakrátkých pulsů, se používají ke zvýšení signálové základny a získání dodatečné modulace a možností víceuživatelského přístupu. Jsou tvořeny v souladu s rozšiřovacími sekvencemi tak, že informační symbol je zakódován výbuchem KRI. V tomto případě se základna signálu zvýší o faktor N, kde N je počet pulzů v dávce.

Pakety krátkých rádiových pulsů poskytují další příležitosti pro organizaci vícenásobného přístupu spojeného s oddělením signálů z různých skupin uživatelů podle frekvence.

Signály ortogonálního frekvenčního multiplexování ( OFDM )

Signál je tvořen harmonickými subnosnými rozmístěnými frekvenčně ve stejných intervalech [11] . Jinými slovy, celková šířka pásma obsazená signálem je rozdělena do dílčích kanálů. Všechny dílčí nosné jsou vzájemně ortogonální na intervalu trvání pulsu , ve kterém se nachází symbol OFDM ( ). Pro přenos informací je každá z dílčích nosných modulována nezávisle pomocí metod klíčování fázovým posunem (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), takže každá dílčí nosná generuje svůj vlastní signál, který se přidá před vysíláním do éteru a vytvoří signál OFDM. $N$ $\Delta f$ $\Delta F$ $N$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

Signály OFDM se vyznačují velkou variabilitou amplitudy a v důsledku toho i velkým činitelem výkyvu (viz obrázek). Signál UWB OFDM zaujímá frekvenční pásmo asi 500 MHz. Báze signálu UWB OFDM se pohybuje od 1 do 10 v závislosti na přenosové rychlosti.

Vícenásobný přístup lze organizovat přidělením různých částí dostupného frekvenčního rozsahu různým uživatelům.

Chaotické rádiové pulsy

Chaotické rádiové pulsy jsou fragmenty chaotického signálu, který je generován přímo v požadovaném frekvenčním rozsahu [12] [13] . Vznik impulsů se provádí buď díky vnější modulaci, nebo díky vnitřní modulaci v tranzistorovém generátoru chaotických kmitů [14] [15] .

Charakteristickým rysem ultraširokopásmového chaotického rádiového pulsu je, že jeho spektrum je prakticky nezávislé na délce pulsu. Je to dáno tím, že spektrum počátečních chaotických kmitů je již ultraširokopásmové a rozšiřování spektra s klesající dobou trvání pulzu je nevýznamné.

Matematicky je to vyjádřeno následovně. Charakteristická šířka výkonového spektra toku chaotických rádiových pulsů je , kde je šířka pásma chaotického signálu, je charakteristická šířka spektra modulačního video pulsu. Za předpokladu, že doba trvání modulačního obrazového impulsu vyhovuje vztahu , tzn. puls obsahuje více než několik kvaziperiod chaotických oscilací, šířka výkonového spektra toku chaotických rádiových pulsů se prakticky shoduje s šířkou spojitého chaotického signálu. $\Delta F\approx \Delta f+2\Delta s$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

Základ chaotického rádiového pulsu je určen součinem šířky pásma chaotického signálu a trvání a může se měnit v širokém rozsahu prodlužováním doby trvání a v případě potřeby snadno dosáhnout stovek a tisíců. $B=\Delta t\Delta F$

Cvrlikání pulzů ( cvrlikání )

Ultra-širokopásmové cvrlikání pulsy jsou pulsní signály, uvnitř pulsu se frekvence mění podle lineárního zákona, a to buď rostoucí nebo klesající [16]

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

kde je cvrlikání obálky pulsu popsaného Gaussovým zvonem, je počáteční frekvence oscilace (na začátku pulsu), je rychlost ladění frekvence. $A_{0}(T)$ $f_0$ $\alpha$

Báze cvrlikání je , může přesáhnout 1, ale nesmí být velká. $B=\Delta t\Delta F$

Aplikace

Ultra širokopásmové
Přímé chaotické komunikační systémy
Ultra širokopásmový radar
Komunikační sítě na osobní úrovni ( WPAN )
"Nositelné", "nositelné" sítě, Body Area Network ( BAN )
Bezdrátové senzorové sítě

Standardizace

Použití ultraširokopásmových signálů v oblasti komunikace v rozsahu 3-10 GHz je regulováno následujícími normami:

802.15.3a je de facto neúspěšný vysokorychlostní ultraširokopásmový komunikační standard. Rychlosti byly plánovány od 110 Mbps na 10 m do 480 Mbps na 1 m. Byly vytvořeny dva různé přístupy: (1) MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) navrhlo použití 500 MHz OFDM signálů, ( 2) DS- Fórum UWB (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) propagovalo ultrakrátké pulsy. Vzhledem k tomu, že se strany nedohodly na stanoviscích, práce na standardu byly zastaveny. Díky tomu každá z aliancí nadále fungovala samostatně. Technologie MBOA-UWB tvořila základ WirelessUSB (viz článek specifikace Wireless USB ). V roce 2008 byly přijaty vysokorychlostní komunikační standardy ECMA-368 a ECMA-369, založené na platformě WiMedia UWB [17] .
802.15.4a [16] je rozšířením standardu IEEE 802.15.4 pro bezdrátové senzorové sítě ( WPAN ), zavádí nový typ signálů ( UWB ) pro fyzickou vrstvu (PHY), přijatý na konci roku 2007. Jako UWB signály, norma popisuje: shluky ultrakrátkých pulzů, chaotické rádiové pulzy , cvrlikání pulzy. Přenosové rychlosti až 1 Mbps, dosah až 30 m (volitelně 100 m).
802.15.6 je standard pro bezdrátové senzorové sítě na lidském těle nebo v jeho blízkosti ( Body area network ). Přijato v březnu 2012. Chaotické rádiové pulsy jsou ve standardu popsány jako signály UWB .

Poznámky

↑ zatím žádný odkaz
↑ Vagranov M. E., Zinoviev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Radarová odezva letadel. - M .: Rozhlas a komunikace, 1985. - 320 s.
↑ Immoreev I. Ya. Ultraširokopásmové radary: nové příležitosti, neobvyklé problémy, systémové vlastnosti // Bulletin MSTU. Ser. Instrumentace - 1998
↑ 1 2 Rozhodnutí Federální komunikační komise USA (FCC) č. FCC 02-48 ze dne 14. 2. 2002 . Získáno 25. dubna 2012. Archivováno z originálu 21. března 2006. (neurčitý)
↑ Rozhodnutí Státního výboru pro rádiové frekvence č. 09-05-02 ze dne 15. prosince 2009. Archivováno 19. října 2013.
↑ Standardizační mandát předán CEN/CENELEC/ETSI pro harmonizované normy pokrývající ultraširokopásmová zařízení. Evropská komise. Sekretariát TCAM. Brusel, 19. dubna 2007 (odkaz není k dispozici) . Získáno 14. srpna 2012. Archivováno z originálu 31. října 2017. (neurčitý)
↑ Win MZ, Scholtz RA Impulse radio: Jak to funguje. IEEECommun. Lett. 1998. V. 2. č. 2. S. 36.
↑ J. McCorkley. Výukový program o ultra širokopásmové technologii. IEEE 802.15 Working Group, předložení. — NY: IEEE, 2000. . Získáno 14. srpna 2012. Archivováno z originálu 1. listopadu 2013. (neurčitý)
↑ 1 2 Návrh Kelly J. Time Domain na UWB vícepásmovou alternativní PHY vrstvu pro 802.15.3a. — NY: IEEE, 2003. . Získáno 14. srpna 2012. Archivováno z originálu 7. března 2016. (neurčitý)
↑ Matt Welborn, TG4a Návrh na nízkou míru DS-UWB (DS-UWB-LR). — NY: IEEE, 2005. . Získáno 15. srpna 2012. Archivováno z originálu 7. března 2016. (neurčitý)
↑ Anuj Batra et al., Návrh vícepásmové OFDM fyzické vrstvy. Odeslání pracovní skupiny IEEE 802.15.3a. — NY: IEEE, 2003. . Získáno 15. srpna 2012. Archivováno z originálu 14. prosince 2013. (neurčitý)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. et al. Vyhlídky na vytvoření přímých chaotických komunikačních systémů v rádiových a mikrovlnných pásmech. - Radiotechnika, 2000, č. 3, s. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. a kol. Ultraširokopásmová bezdrátová komunikace založená na dynamickém chaosu. Radiotechnika a elektronika , 2006, vol. 51, č. 10, s. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Generování sekvence chaotických pulzů pod vlivem periodického signálu na dynamický systém. Letters to ZhTF , 2005, vol. 31, č. 22, str. 29.
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Forming pulses in non-autonomous chaotic oscillator. Int. J. Bifurcation and Chaos , 2007, v. 17, č. 10, s. jeden.
↑ 12 802.15.4a -2007. Standard IEEE pro informační technologie - Telekomunikace a výměna informací mezi systémy - Místní a metropolitní sítě - specifický požadavek Část 15.4: Specifikace bezdrátového řízení středního přístupu (MAC) a fyzické vrstvy (PHY) pro nízkorychlostní bezdrátové osobní sítě (WPAN). NY: IEEE, 2007.
↑ Standard ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY a MAC standard . Získáno 15. dubna 2013. Archivováno z originálu 3. prosince 2013. (neurčitý)

Varganov M.E., Zinoviev Yu.S., Astanin L.Yu. a další / ed. L.T. Tučkov. Radarové charakteristiky letadel - M .: Radio and communication, 1985, 236 s