UWB ультра Широкополосная Антенна

UWB Технические характеристики

(1) Высокая скорость передачи и большая ВМЕСТИТЕЛЬНОСТЬ

Согласно формуле емкости канала Шеннона, верхний предел скорости передачи без ошибок системы в аддитивном белом гаусском шуме (AWGN) канал:

C = B×log2 (1 + SNR)

(1)

Где B (единица: Гц)-это полоса пропускания канала, а SNR-отношение сигнал-шум. В системе UWB полоса пропускания сигнала B составляет от 500 МГц до 7,5 ГГц. Поэтому, даже если соотношение сигнал/шум SNR низкое, система UWB может достичь скорости передачи от нескольких сот мегагерц до 1 ГБ/сек. на коротком расстоянии. Например, если вы используете полосу пропускания 7 ГГц, даже с соотношением сигнал/шум до-10 дБ, то фактическая емкость канала может достигать 1 ГБ/сек.. Поэтому технология UWB очень подходит для использования на коротких дистанциях с высокой скоростью передачи данных (например, высокоскоростной WPAN), что может значительно улучшить космическую емкость. Исследования показывают, что космическая емкость WPAN на основе UWB на один-два порядка выше, чем текущий стандарт WLAN IEEE 802.11.a.

(2) подходит для связи на короткие расстояния

Согласно правилам FCC, излучаемая мощность системы UWB очень ограничена, а общая Излучаемая мощность в диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц составляет всего 0,55 МВт, что намного ниже, чем у обычной узкополосной системы. По мере увеличения расстояния передачи мощность сигнала будет продолжать снижаться. Поэтому полученное отношение сигнал-шум может быть выражено как функция расстояния передачи SNRr (d). Согласно формуле Шеннона, Емкость канала может быть выражена как функция расстояния.

C (d) = B×log2 [1 + SNRr (d)] (2)

Кроме того, сверхширокополосные сигналы имеют чрезвычайно богатый Частотный компонент. Хорошо известно, что Беспроводные каналы имеют различные характеристики выцветания в различных частотных диапазонах. Так как выцветание высокочастотного сигнала происходит очень быстро по мере увеличения расстояния передачи, это вызывает искажение сигнала UWB, тем самым сильно влияет на производительность системы. Исследования показывают, что когда расстояние между трансиверами составляет менее 10 м, емкость канала системы UWB выше, чем у системы WLAN диапазона 5 ГГц. Когда расстояние между трансиверами превышает 12 м, преимущество системы UWB в емкости канала больше не будет. Поэтому система UWB особенно подходит для связи на коротком расстоянии.

(3) хорошее соналичие и конфиденциальность

Из-за чрезвычайно низкой спектральной плотности излучения UWB системы (менее-41,3 дБм/МГц), для традиционных узкополосных систем спектральная плотность сигналов UWB даже ниже уровня фонового шума. Помехи UWB сигналов для узкополосных систем можно расценивать как широкополосный белый. Уровень шума. Таким образом, системы UWB хорошо сосуществуют с традиционными узкополосными системами, что очень выгодно для улучшения использования все более узких беспроводных спектра. В то же время, чрезвычайно низкая спектральная плотность излучения делает сигнал UWB сильно скрытым и трудно перехлестать, что очень полезно для улучшения конфиденциальности связи.

(4) высокое разрешение и высокая точность позиционирования

Так как сигнал UWB использует узкий Пульс с очень короткой длительностью, его время и пространственное разрешение очень сильны. Поэтому Многоточечное разрешение сигнала UWB чрезвычайно высокое. Чрезвычайно высокое разрешение многоточечного канала дает сигналы UWB высокую точность диапазона и возможности позиционирования. Для систем связи многоканальное разрешение сигналов UWB должно быть проверено на диерическом уровне. Выбор времени и частотная селективность беспроводного канала являются основными факторами, которые ограничивают производительность беспроводной системы связи. В узкополосных системах неразличимые Многоточечные пути могут привести к выцветанию, в то время как сигналы UWB могут разделять их и сочетать их с использованием методов приема различных видов. Поэтому система UWB обладает сильной способностью к выцветанию. Тем не менее, чрезвычайно высокая многоточечная Разрешающая способность сигнала UWB также приводит к сильному рассеиванию во времени (селективное выцветание частоты) энергии сигнала, и приемник должен улавливать достаточную энергию сигнала, нанося урон сложности (увеличивая количество разнесенных сигналов). Это вызовет большую проблему для конструкции приемника. В фактической системе UWB, пропускная способность сигнала и сложности приемника должны быть повреждены.

Идеальное соотношение цена/производительность.

(5) Малый размер и низкое энергопотребление

Традиционная технология UWB не требует синусоидального носителя, и данные модулируются на наносекундном или суб-наносекундном узком пульсе. Приемник использует коррелатор для прямого обнаружения сигнала. Трансивер не требует сложных схем модуляции/Демодуляции несущей частоты и фильтров. Поэтому сложности системы могут быть значительно снижены, а объем трансивера и энергопотребление могут быть уменьшены. Новое определение UWB FCC в определенной степени увеличивает трудность бесконтрольного формирования пульса. Однако с разработкой полупроводниковой технологии и появлением новой технологии импульсного поколения система UWB по-прежнему наследует небольшие размеры и низкое энергопотребление традиционного UWB. Особенности.

3 UWB технология формирования импульсов

Любая цифровая система связи должна нести информацию с сигналом, который хорошо сочетается с каналом. Для систем линейной модуляции модулированный сигнал может быть равномерно представлен как:

S (t) = & sum; Ing (t-T) (3)

Где в является последовательностью дискретных символов данных, несущих информацию; T-Длительность символов данных;

G (t)-Форма волны, формирующая область времени. Диапазон рабочих частот, пропускная способность сигнала, спектральная плотность излучения, наружное излучение, производительность передачи, эффективность осуществления, и т. Д. Системы связи все зависит от конструкции g (t).

Для систем связи UWB полоса пропускания сигнала g (t) должна быть больше 500 МГц, а энергия сигнала должна быть сосредоточена в диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц. Ранние системы UWB использовали наностексные/суб-Наносекундные безкаретные гаусские одноцикльные импульсы с спектром сигнала, концентрированным ниже 2 ГГц. Переопределение FCC UWB и распределение спектральных ресурсов выдвигают новые требования к формирования сигнала, и схема формирования сигнала должна быть скорректирована. В последние годы, многие эффективные методы, такие как несущая модуляция на основе формовочных методов, орфогональный пульс-формирование, эллипсоидальная волна (PSWF) ортопедический Пульс формирования.

3,1 гаусский однотактный импульсный

Гауссовские одноцикльные импульсы, которые являются производными гауссовских импульсов, являются наиболее репрезентативными бескаретными импульсами. Каждый порядок импульсной формы волны может быть получен путем последовательного получения от гауссовской первой производной.

По мере увеличения порядка импульсного сигнала количество нулевых пересечений постепенно увеличивается, и Центральная частота сигнала движется к высокой частоте, но пропускная способность сигнала не меняется значительно, и относительная пропускная способность постепенно уменьшается. Ранние системы UWB использовали импульсы 1-го и 2-го порядка, и компоненты частоты сигнала продолжались от постоянного тока до 2 ГГц. В соответствии с новым определением UWB FCC, субнаносекундный Пульс 4-го порядка или выше должен использоваться для удовлетворения требований к спектру излучения. На рис. 3 показан типичный одноциклический Пульс 2 ns Gaussian.

3,2 технология модуляции несущей

В основном, требования UWB могут быть выполнены при условии, что полоса пропускания сигнала-10 дБ превышает 500 МГц. Таким образом, обычные схемы формирования сигналов для систем связи, оборудованных перевозчиком, могут быть портированы в UWB-системы. В это время конструкция сигнала UWB преобразуется в низкочастотный импульсный дизайн, и спектр сигнала может гибко перемещаться по частотной оси с помощью несущей модуляции.

Образный Пульс с носителем может быть выражен как:

W (t) = p (t) cos (2 & pi; fct) (0≤t ≤Tp) (4)

Где p (t)-базовый Пульс длительности Tp; fc-несущая частота, т. Е. Частота центра сигнала. Если спектр основного импульса p (t) равен P (f), то спектр конечного форменного импульса равен:

Можно увидеть, что спектр фасонного импульса зависит от основного импульса p (t), и требования к конструкции UWB могут быть удовлетворены, если полоса пропускания-10 дБ p (t) больше 250 МГц. Регулируя несущую частоту fc, спектр сигнала может быть в диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц.

Гибкое движение по периметру. В сочетании с технологией частотного скачка (FH) можно удобно сконструировать систему многократного доступа к частоте скачка (FHMA). Этот метод формирования импульсов используется во многих стандартных предложениях IEEE 802.15.3a. На рис. 4 показан типичный несущий-исправленный косинус-Пульс с центральной частотой 3,35 ГГц и пропускной способностью a-10 дБ 525 МГц.

3,3 хермите Ортогональный импульс

Гермитовые импульсы-это класс ортогональных методов формирования импульсов, которые были впервые предложены для высокоскоростных систем связи UWB. В сочетании с многовекторной импульсной модуляцией может эффективно увеличить скорость передачи системы. Этот тип импульсной формы волны получен из гермита полинома. Метод формирования импульса отличается тем, что энергия концентрируется на низкой частоте, а формы сигналов соответствующих заказов имеют большую разницу, и спектр переноса несущей требуется, чтобы удовлетворить требования FCC.

3,4 pswf quadrature пульс

PSWF pulse-это аналогичный тип сигнала с ограничением по времени, который очень хорошо влияет на анализ сигнала с ограничением диапазона.

По сравнению с гермитовыми импульсами, PSWF импульсы могут быть спроектированы непосредственно к целевой частотной полосе и требованиям к полосе пропускания без необходимости сложного несущего модуляции для спектрального переключения. Таким образом, PSWF pulse относится к безкаретной формовочной технике, которая выгодна для облегчения сложности трансивера.

4 UWB Модуляция и технология множественного доступа

Модуляция относится к способу передачи информации сигналами. Он не только определяет действительность и надежность системы связи, но и влияет на спектральную структуру сигнала и на сложности приемника. В случае, если технология многократного доступа позволяет решить проблему многократного доступа к каналам общего доступа, разумная схема многократного доступа может значительно увеличить емкость нескольких пользователей, уменьшая помехи между пользователем. Схемы модуляции, используемые в UWB системах, могут быть разделены на две широкие категории: Модуляция на основе ультра-широкополосных импульсов и ортогональная многонесущая модуляция на основе OFDM. Множественные технологии доступа включают в себя: Множественный доступ по времени, Множественный доступ по частоте, Множественный доступ к прямым разделениям кода и Множественный доступ по разделению длины волны. В конструкции системы режим модуляции и режим множественного доступа можно разумно комбинировать.

4.1UWB технология модуляции

(1) импульсная модуляция положения

Импульсная позиционная модуляция (PPM)-Схема Модуляции, которая использует импульсные позиции для передачи информации. В зависимости от количества дискретных состояний символов данных, он может быть разделен на бинарный PPM (2PPM) и многоарный PPM (MPPM). В этом режиме модуляции есть две или м позиции, в которых может возникнуть пульс в течение одного периода повторения импульса, и позиция импульса соответствует состоянию символа один к одному. В соответствии с соотношением между расстоянием между прилегающими позициями импульса и шириной импульса, он может быть разделен на частично перекрывающиеся PPM и ортогональные PPM (OPPM). В частичном перекрытии PPM, для обеспечения надежности передачи системы, прилегающие позиции импульса обычно выбираются как отрицательные пиковые точки функции автокорреляции импульса, тем самым увеличивая эвклидовое расстояние прилегающих символов. В OPPM положение импульса обычно определяется с интервалом ширины импульса. Приемник использует коррелатор для выполнения когерентного обнаружения в соответствующем месте. С учетом сложности и ограничения мощности UWB системы, на самом деле, обычно используется метод модуляции 2PPM или 2OPPM.

Преимущество PPM в том, что он только должен контролировать положение импульса в соответствии с символом данных, и не нужно контролировать амплитуду и полярность импульса, так что Модуляция и Демодуляция могут быть осуществлены с более низкой сложностью. Таким образом, PPM является широко используемым методом модуляции в раннего UWB систем. Однако, поскольку сигнал PPM однополярный, часто существуют дискретные спектральные линии с более высокими амплитудами в спектре излучения. Если эти линии не будут подавлены, будет трудно удовлетворить требования FCC К спектру излучения.

(2) амплитудная модуляция импульса

Амплитудная Модуляция импульса (PAM)-это число

Один из наиболее часто используемых методов модуляции для систем связи слов. В UWB системах многоярусная PAM (MPAM) не должна использоваться в связи со сложностью и энергоэффективностью. Существует два способа использования PAM, обычно используемых в UWB системах: On-Off Keying (OOK) и Binary Phase Shift Keying (BPSK). Первый может использовать некогерентное Обнаружение для уменьшения сложности приемника, в то время как второй может использовать когерентное Обнаружение для обеспечения большей надежности передачи.

По сравнению с 2PPM, BPSK может получить более высокую надежность передачи при той же мощности излучения, и нет дискретного спектра в спектре излучения.

(3) Модуляция формы волны

Модуляция формы волны (PWSK)-Схема Модуляции, предложенная в сочетании с многоортогональными волнами, такими как гермитовые импульсы. В этом режиме модуляции, M взаимно ортогональные одинаковые формы импульса энергии используются для передачи информации о данных, и каждая форма импульсного сигнала Соответствует символому М-арных данных. На приемном конце для приема сигнала используются параллельные Корреляторы M, а для завершения восстановления данных используется Обнаружение максимальной точности. Так как различные импульсные энергии равны, эффективность передачи может быть улучшена без увеличения мощности излучения. Чехол одинаковой ширины импульса обеспечивает более высокую скорость передачи символа, чем MPPM. При той же скорости символа его энергоэффективность и надежность выше, чем MPAM. Так как этот метод модуляции требует большего количества формирующих фильтров и коррелаторов, эффективность выполнения выше. Таким образом, он редки используется в практических системах и в настоящее время ограничен теорическими исследованиями.