Ultralaajakaistaiset signaalit

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 29. elokuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 23 muokkausta .

Ultralaajakaistaiset (UWB) signaalit ovat radiosignaaleja ( UHF -signaaleja), joiden kaistanleveys on "erittäin suuri" . Niitä käytetään ultralaajakaistaiseen tutka- ja langattomaan ultralaajakaistaiseen radioviestintään .

Määritelmä

"Ultralaajakaista" on useita määritelmiä. Neuvostoliiton ja venäläisen radiotekniikan perinteissä signaaleja, joiden kaistanleveys on yli oktaavin, pidetään ultralaajakaistaisina, eli signaaleina, joissa taajuuskaistan yläraja on yli 2 kertaa alaraja [1] . $\Delta F=(f_{ylempi}-f_{alempi})$ ${\displaystyle f_{upper))$ ${\displaystyle f_{alempi))$

Tutkassa ehdotettiin (1985) kutsua signaaleja suhteellisella taajuuksien kaistanleveydellä

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

[2] .

Tutkassa tälle termille on ehdotettu toista määritelmää: ultralaajakaistaiset signaalit ovat impulssisignaaleja, jotka tyydyttävät suhteen.

c\tau \ll L

nuo. radiopulssin spatiaalinen pituus ( on signaalin kesto tai sen autokorrelaatiofunktion leveys, on valon nopeus) on paljon pienempi kuin lähettävän (vastaanottavan) aukon ominaiskoko tai signaalia heijastavan kohteen koko [ 3] . $c\tau$ $\tau$ $c$ $L$

Radioviestinnässä US Federal Communications Commissionin (FCC) (2002) määritelmän mukaan ehdotetaan, että otettaisiin huomioon ultralaajakaistaiset signaalit, joiden suhteellinen kaistanleveys on vähintään 20-25 %.

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

tai signaaleja, joiden kaistanleveys on absoluuttinen (taajuusalueella 3,1 - 10,6 GHz) [4] . $\Delta F\geqslant 500{\text{ MHz))$

Asetus

Vuodesta 2002 lähtien monissa maailman maissa mikroaaltoalueen spektrin osia on varattu ultralaajakaistaisten signaalien luvattomaan käyttöön langattomassa radioviestinnässä.

Yhdysvalloissa UWB-signaalien käyttö on sallittua 3,1…10,6 GHz [4] , kun taas UWB-lähetin-vastaanottimen tehospektritiheys ei saa ylittää arvoa -41,3 dBm / Mhz .

Venäjän federaatiossa UWB-signaalien langattomalle tiedonsiirrolle on varattu 2,85 ... 10,6 GHz:n taajuus [5] . Tämän alueen eri osissa UWB-lähetin-vastaanottimen tehospektritiheys on rajoitettu -65 - -45 dBm / MHz (katso kuva). Useimmat "vapaat" osat ovat 6000 ... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625 ... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150 ... 10 600 MHz (-45 dBm / MHz ).

Euroopan unionissa edullisin taajuusalue on 6…8,5 GHz [6] , jossa lähetin-vastaanottimen tehospektritiheys on rajoitettu -41,3 dBm / Mhz:iin .

UWB-signaalien luvaton käyttö on sallittu myös Etelä-Koreassa, Japanissa, Kiinassa ja muissa maissa.

Muodostaminen

Ultralaajakaistaiset signaalit voidaan edustaa ultralyhyillä (ultralyhyillä) pulsseilla , OFDM - signaaleilla, kaoottisilla radiopulsseilla ja chirp -moduloiduilla signaaleilla .

Ultralyhyet pulssit

Ultralyhyiden pulssien [7] muotoa kuvaa Gaussin yksisykli , eli tunnetun Gaussin jakautumiskäyrän ensimmäinen derivaatta :

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

missä on pulssin kesto ja sen amplitudi. Pulssitehospektrin leveys on kääntäen verrannollinen pulssin kestoon . Tällaisen pulssin tehospektrin muotoa kuvaa suhde: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

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

Ultralyhyen pulssin perusta . $B=\Delta t\Delta F\noin 1$

Käytettäessä pulsseja, joiden kesto on 2,0 ns - 0,1 ns, tehospektrin kaistanleveys on vastaavasti 500 MHz - 10 GHz. Signaalispektri kattaa taajuuskaistan 0 - . $\Delta t$ $\Delta F\noin 1/\Delta t$

Ultralyhyiden pulssien purskeet

Tietosymbolin koodaamiseen ei voi käyttää yhtä ultralyhyttä pulssia, vaan tällaisten pulssien paketteja [8] . Käytettäessä N pulssin pakettia signaalikanta kasvaa N kertaa.

Pursketta muodostettaessa asetetaan kunkin pulssin amplitudi ja sen sijainti suhteessa lähetys/vastaanottoajan nimellisarvoon koodin hajautussekvenssin mukaisesti. Tässä tapauksessa on mahdollista saavuttaa kohinansietokyvyn kasvu ja/tai tarjota useiden käyttäjien pääsy samalla taajuusalueella (kanavan koodijako useiden käyttäjien kesken).

Sekä yksittäisten ultralyhyiden pulssien että tällaisten pulssien purskeiden ominaisuus on, että näiden signaalien spektri alkaa melkein nollataajuudesta. Tämä vaikeuttaa UWB-signaalien lisensoimattoman käytön spektrimaskiehtojen täyttämistä.

Lyhyet radiopurskeet

Lyhyet radiopulssit [9] mahdollistavat niiden spektrin joustavan ohjauksen. Ne ovat sinimuotoisia värähtelyjä, joissa on kellomainen verhokäyrä, joita kuvataan seuraavalla lausekkeella:

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

missä on radiopulssin verhokäyrän ominaiskesto ja keskusvärähtelytaajuus. Tällaisen signaalin spektrillä on muoto $\Delta t$ $f_{c}$

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

Lyhyt radiopulssi muodostuu kahdessa vaiheessa. Ensin matalataajuusalueella ( kantataajuus ) muodostetaan verhokäyräpulssi, jonka kesto on Gaussin muotoinen, sitten se kerrotaan jaksollisella kantoaaltosignaalilla, jonka taajuus on . Näin saadulla signaalilla on spektrin leveys ja keskitaajuus . Signaalin perusta . $\Delta t$ $f_{c}$ $\Delta F\noin 1/\Delta t$ $f_{c}$ $B\noin 1$

Lyhyiden radiopulssien purskeet

Lyhyiden radiopulssien purskeita [9] [10] käytetään, kuten ultralyhyiden pulssien tapauksessa, lisäämään signaalikantaa ja aikaansaamaan lisämodulaatio- ja monen käyttäjän pääsymahdollisuuksia. Ne muodostetaan hajautussekvenssien mukaisesti siten, että informaatiosymboli on koodattu KRI-purskeella. Tässä tapauksessa signaalikanta kasvaa kertoimella N, missä N on pulssien lukumäärä purskeessa.

Lyhyiden radiopulssien paketit tarjoavat lisämahdollisuuksia monipääsyn järjestämiseen, joka liittyy eri käyttäjäryhmien signaalien erottamiseen taajuuden mukaan.

Ortogonaalisen taajuuden multipleksointi ( OFDM ) signaalit

Signaalin muodostavat harmoniset apukantoaallot, jotka on sijoitettu taajuuden välein tasavälein [11] . Toisin sanoen signaalin koko kaistanleveys jaetaan alikanaviin. Kaikki apukantoaallot ovat keskenään ortogonaalisia pulssin kestovälillä , jonka sisällä OFDM-symboli ( ) sijaitsee. Tiedon lähettämiseksi jokainen apukantoaalto moduloidaan itsenäisesti vaihesiirtoavainnusmenetelmillä (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), jolloin jokainen apukantoaalto generoi oman signaalinsa, joka lisätään ennen lähetystä, jolloin muodostuu. OFDM-signaali. $N$ $\Delta f$ $\Delta F$ $N$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

OFDM-signaaleille on ominaista suuri amplitudivaihtelu ja sen seurauksena suuri huippukerroin (katso kuva). UWB OFDM -signaali varaa noin 500 MHz:n taajuuskaistan. UWB OFDM -signaalin kanta vaihtelee 1 - 10 lähetysnopeuden mukaan.

Useita käyttöoikeuksia voidaan järjestää allokoimalla käytettävissä olevan taajuusalueen eri osia eri käyttäjille.

Kaoottiset radiopulssit

Kaoottiset radiopulssit ovat katkelmia kaoottisesta signaalista, joka generoidaan suoraan vaaditulla taajuusalueella [12] [13] . Pulssien muodostus tapahtuu joko ulkoisen modulaation tai kaoottisten värähtelyjen transistorigeneraattorin sisäisen modulaation vuoksi [14] [15] .

Ultralaajakaistaisen kaoottisen radiopulssin ominaisuus on, että sen spektri on käytännössä riippumaton pulssin kestosta. Tämä johtuu siitä, että kaoottisten alkuvärähtelyjen spektri on jo ultralaajakaistainen, ja spektrin laajeneminen pulssin keston lyhentyessä on merkityksetöntä.

Matemaattisesti tämä ilmaistaan seuraavasti. Kaoottisten radiopulssien virtauksen tehospektrin ominaisleveys on , missä on kaoottisen signaalin kaistanleveys, on moduloivan videopulssin spektrin ominaisleveys. Edellyttäen, että moduloivan videopulssin kesto tyydyttää suhteen , ts. pulssi sisältää enemmän kuin useita kvasijaksoja kaoottisia värähtelyjä, kaoottisten radiopulssien virtauksen tehospektrin leveys on käytännössä sama kuin jatkuvan kaoottisen signaalin leveys. $\Delta F\approx \Delta f+2\Delta s$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

Kaoottisen radiopulssin perusta määräytyy kaoottisen signaalin kaistanleveyden ja keston tulon perusteella ja se voi vaihdella laajalla alueella kestoa pidentämällä, saavuttaen tarvittaessa helposti satoja ja tuhansia. $B=\Delta t\Delta F$

Chirp pulses ( chirps )

Ultralaajakaistaiset chirp-pulssit ovat pulssisignaaleja, pulssin sisällä taajuus muuttuu lineaarisen lain mukaan joko kasvaen tai pienentyen [16]

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

missä on Gauss-kellon kuvaaman pulssin piippausverhokäyrä, on alkuvärähtelytaajuus (pulssin alussa), on taajuuden viritysnopeus. $A_{0}(T)$ $f_0$ $\alpha$

Sirkutuspulssin perusta on , se voi ylittää 1, mutta ei voi olla suuri. $B=\Delta t\Delta F$

Sovellus

Ultralaajakaista
Suorat kaoottiset viestintäjärjestelmät
Ultralaajakaistainen tutka
Henkilökohtaiset viestintäverkot ( WPAN )
"Wearable", "wearable" verkot, Body Area Network ( BAN )
Langattomat anturiverkot

Standardointi

Ultralaajakaistaisten signaalien käyttöä viestinnän alalla 3-10 GHz sääntelevät seuraavat standardit:

802.15.3a on tosiasiassa epäonnistunut nopean ultralaajakaistaisen tiedonsiirtostandardi. Nopeuksiksi suunniteltiin 110 Mbps 10 m etäisyydellä 480 Mbps 1 m. Muodosteltiin kaksi erilaista lähestymistapaa: (1) MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) ehdotti 500 MHz OFDM-signaalien käyttöä, (2) DS- UWB Forum (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) suosi ultralyhyitä pulsseja. Koska osapuolet eivät päässeet yhteisymmärrykseen kannoista, standardin valmistelu keskeytettiin. Tämän seurauksena kukin liittouma jatkoi työtään itsenäisesti. MBOA-UWB-tekniikka muodosti WirelessUSB:n perustan (katso Wireless USB -spesifikaatioartikkeli ). Vuonna 2008 otettiin käyttöön nopeat tiedonsiirtostandardit ECMA-368 ja ECMA-369, jotka perustuvat WiMedia UWB -alustaan [17] .
802.15.4a [16] on IEEE 802.15.4 -standardin laajennus langattomille anturiverkoille ( WPAN ), joka ottaa käyttöön uudentyyppiset signaalit ( UWB ) fyysiselle kerrokselle (PHY), joka otettiin käyttöön vuoden 2007 lopussa. UWB:nä signaalit, standardi kuvaa: purskeet ultralyhyitä pulsseja, kaoottisia radiopulsseja , chirp pulsseja. Siirtonopeus jopa 1 Mbps, kantama jopa 30 m (valinnainen 100 m).
802.15.6 on standardi langattomille anturiverkoille ihmiskehossa tai sen lähellä ( Body area network ). Hyväksytty maaliskuussa 2012. Kaoottiset radiopulssit kuvataan standardissa UWB-signaaleina .

Muistiinpanot

↑ ei vielä linkkiä
↑ Vagranov M. E., Zinovjev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Lentokoneen tutkavaste. - M .: Radio ja viestintä, 1985. - 320 s.
↑ Immoreev I. Ya. Ultra-laajakaistatutkat: uusia mahdollisuuksia, epätavallisia ongelmia, järjestelmän ominaisuuksia // Bulletin of MSTU. Ser. Instrumentointi - 1998
↑ 1 2 Yhdysvaltain liittovaltion viestintäkomission (FCC) päätös nro FCC 02-48, 14.2.2002 . Haettu 25. huhtikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 21. maaliskuuta 2006. (määrätön)
↑ Valtion radiotaajuuskomitean päätös nro 09-05-02, 15. joulukuuta 2009. Arkistoitu 19. lokakuuta 2013.
↑ Standardointitoimeksianto toimitettiin CEN:lle/CENELEC:lle/ETSI:lle ultralaajakaistalaitteita koskevien yhdenmukaistettujen standardien saamiseksi. Euroopan komissio. TCAM:n sihteeristö. Bryssel 19. huhtikuuta 2007 (linkki ei saatavilla) . Haettu 14. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 31. lokakuuta 2017. (määrätön)
↑ Win MZ, Scholtz RA Impulse radio: Kuinka se toimii. IEEEcommun. Lett. 1998. V. 2. Nro 2. S. 36.
↑ J. McCorkley. Ultralaajakaistatekniikan opetusohjelma. IEEE 802.15 -työryhmä, lähetys. – NY: IEEE, 2000 . Haettu 14. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 1. marraskuuta 2013. (määrätön)
↑ 1 2 Kelly J. Time Domainin ehdotus UWB:n monikaistaiseksi vaihtoehtoiseksi PHY-kerrokseksi 802.15.3a:lle. – NY: IEEE, 2003 . Haettu 14. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 7. maaliskuuta 2016. (määrätön)
↑ Matt Welborn, TG4a, ehdotus matalan nopeuden DS-UWB:ksi (DS-UWB-LR). – NY: IEEE, 2005 . Haettu 15. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 7. maaliskuuta 2016. (määrätön)
↑ Anuj Batra et ai., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a -työryhmän ehdotus. – NY: IEEE, 2003 . Haettu 15. elokuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 14. joulukuuta 2013. (määrätön)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. et al. Näkymät suorien kaoottisten viestintäjärjestelmien luomiseksi radio- ja mikroaaltouunikaistoille. - Radiotekniikka, 2000, nro 3, s. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. et al. Ultra-laajakaistainen langaton viestintä, joka perustuu dynaamiseen kaaokseen. Radiotekniikka ja elektroniikka , 2006, osa 51, nro 10, s. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Kaoottisten pulssien sarjan luominen jaksollisen signaalin vaikutuksesta dynaamiseen järjestelmään. Kirjeet ZhTF :lle , 2005, osa 31, nro 22, s. 29.
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Pulssien muodostaminen ei-autonomisessa kaoottisessa oskillaattorissa. Int. J. Bifurcation and Chaos , 2007, v. 17, nro 10, s. yksi.
↑ 12 802.15.4a -2007. Tietotekniikan IEEE-standardi – Tietoliikenne ja tiedonvaihto järjestelmien välillä – Paikallis- ja suurkaupunkiverkot – erityinen vaatimus Osa 15.4: Langattomien langattomien henkilökohtaisten verkkojen (WPAN) (Wireless Medium Access Control, MAC) ja fyysisen kerroksen (PHY) määritykset. NY: IEEE, 2007.
↑ Vakio ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY ja MAC Standard . Haettu 15. huhtikuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 3. joulukuuta 2013. (määrätön)

Varganov M.E., Zinovjev Yu.S., Astanin L.Yu. ja muut / toim. L.T. Tuchkov. Lentokoneiden tutkaominaisuudet - M .: Radio ja viestintä, 1985, 236 s