Ultraszéles sávú jelek

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. augusztus 29-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 23 szerkesztést igényelnek .

Az ultraszéles sávú (UWB) jelek „ ultra nagy” sávszélességű rádiójelek ( UHF jelek) . Ultraszéles sávú radar és vezeték nélküli ultraszéles sávú rádiókommunikációhoz használják őket .

Definíció

Az „ultraszéles sáv” kifejezésnek számos meghatározása létezik. A szovjet és az orosz rádiótechnika hagyományai szerint az oktávnál nagyobb sávszélességű jeleket ultraszéles sávnak tekintik, vagyis azokat a jeleket, amelyekben a frekvenciasáv felső határa több mint kétszerese az alsó határnak [1] . $\Delta F=(f_{felső}-f_{alsó})$ ${\displaystyle f_{felső))$ ${\displaystyle f_{alsó))$

A radarban azt javasolták (1985), hogy a jeleket relatív frekvenciasávszélességgel hívják meg.

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

[2] .

A radarban ennek a kifejezésnek egy másik definícióját javasolták: az ultraszéles sávú jelek olyan impulzusjelek, amelyek kielégítik az összefüggést.

c\tau \ll L

azok. a rádióimpulzus térbeli hossza ( a jel időtartama vagy autokorrelációs függvényének szélessége, a fény sebessége) jóval kisebb, mint a kibocsátó (vevő) apertúra jellemző mérete vagy a jelet visszaverő tárgy mérete [ 3] . $c\tau$ $\tau$ $c$ $L$

A rádiókommunikáció szempontjából az Egyesült Államok Szövetségi Kommunikációs Bizottsága (FCC) (2002) meghatározása szerint javasolt a legalább 20-25%-os relatív sávszélességű ultraszéles sávú jelek figyelembevétele.

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

vagy abszolút sávszélességű jelek (3,1-10,6 GHz frekvenciatartományban) [4] . $\Delta F\geqslant 500{\text{ MHz))$

rendelet

2002 óta a világ számos országában a mikrohullámú tartományban lévő spektrum szakaszokat az ultraszéles sávú jelek engedély nélküli felhasználására osztják ki a vezeték nélküli rádiókommunikációban.

Az USA-ban az UWB jelek használata a 3,1…10,6 GHz tartományban engedélyezett [4] , míg az UWB adó-vevő teljesítményspektrális sűrűsége nem haladhatja meg a –41,3 dBm / MHz -t .

Az Orosz Föderációban 2,85 ... 10,6 GHz-es tartományt jelöltek ki az UWB jelek vezeték nélküli kommunikációjára [5] . Ennek a tartománynak a különböző részein az UWB adó-vevő teljesítményspektrális sűrűsége -65 és -45 dBm / MHz között van korlátozva (lásd az ábrát). A legtöbb „szabad” szakasz a 6000 ... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625 ... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150 ... 10600 MHz (-45 dBm / MHz ).

Az Európai Unióban a legelőnyösebb tartomány a 6…8,5 GHz [6] , amelyben az adó-vevő teljesítményspektrális sűrűsége –41,3 dBm / MHz -re van korlátozva .

Az UWB-jelek engedély nélküli használata Dél-Koreában, Japánban, Kínában és más országokban is megengedett.

Formáció

Az ultraszéles sávú jeleket ultrarövid (ultrarövid) impulzusok , OFDM jelek, kaotikus rádióimpulzusok és csipogás modulált jelek képviselhetik .

Ultrarövid impulzusok

Az ultrarövid impulzusok alakját [7] egy Gauss -monociklus írja le , vagyis az ismert Gauss-eloszlási görbe első deriváltja :

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

ahol az impulzus időtartama és az amplitúdója. Az impulzusteljesítmény-spektrum szélessége fordítottan arányos az impulzus időtartamával . Egy ilyen impulzus teljesítményspektrumának alakját a következő összefüggés írja le: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

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

Az ultrarövid impulzus alapja . $B=\Delta t\Delta F\approx 1$

2,0 ns és 0,1 ns közötti időtartamú impulzusok használatakor a teljesítményspektrum sávszélessége 500 MHz és 10 GHz között van. A jel spektruma a 0-tól ig terjedő frekvenciasávot foglalja el . $\Delta t$ $\Delta F\approx 1/\Delta t$

Ultrarövid impulzusok kitörései

Egy információs szimbólum kódolásához nem egy ultrarövid impulzust használhat, hanem ilyen impulzuscsomagokat [8] . N impulzuscsomag használata esetén a jelbázis N-szeresére nő.

Burst képzéskor minden impulzus amplitúdója és pozíciója az emissziós/vételi idő névleges értékéhez viszonyítva a kódszórási sorrendnek megfelelően kerül beállításra. Ebben az esetben lehetséges a zajtűrés növelése és/vagy több felhasználó hozzáférés biztosítása ugyanazon frekvencia tartományban (a csatorna kódosztása több felhasználó között).

Mind az egyes ultrarövid impulzusok, mind az ilyen impulzusok sorozatának sajátossága, hogy ezeknek a jeleknek a spektruma csaknem a nulla frekvenciáról indul. Ez megnehezíti az UWB jelek engedély nélküli használatára vonatkozó spektrális maszk feltételeinek teljesítését.

Rövid rádiósorozatok

A rövid rádióimpulzusok [9] spektrumuk rugalmas szabályozását teszik lehetővé. Ezek harang alakú burokkal rendelkező szinuszos oszcillációk sorozatai, amelyeket a következő kifejezés ír le:

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

ahol a rádióimpulzus burkológörbe jellemző időtartama és a központi oszcillációs frekvencia. Az ilyen jelek spektruma olyan formában van $\Delta t$ $f_{c}$

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

A rövid rádióimpulzus két szakaszban jön létre. Először az alacsony frekvenciájú tartományban ( alapsáv ) képződik egy időtartamú burkológörbe impulzus , amelynek Gauss-alakja van, majd ezt megszorozzuk egy frekvenciájú periodikus vivőjellel . Az így kapott jelnek spektrumszélessége és középfrekvenciája van . Jelzőbázis . $\Delta t$ $f_{c}$ $\Delta F\approx 1/\Delta t$ $f_{c}$ $B\approx 1$

Rövid rádióimpulzusok sorozatai

A rövid rádióimpulzusok sorozatait [9] [10] , akárcsak az ultrarövid impulzusok esetében, a jelbázis növelésére, valamint további modulációs és többfelhasználós hozzáférési lehetőségek elérésére használják. A szétterítési szekvenciáknak megfelelően vannak kialakítva úgy, hogy az információs szimbólumot egy KRI burst kódolja. Ebben az esetben a jelbázis N-szeresével növekszik, ahol N az impulzusok száma egy sorozatban.

A rövid rádióimpulzus-csomagok további lehetőségeket biztosítanak a többszörös hozzáférés megszervezésére, amely a különböző felhasználói csoportoktól érkező jelek frekvencia szerinti elválasztásához kapcsolódik.

Ortogonális frekvencia multiplexelés ( OFDM ) jelek

A jelet a frekvenciában egyenlő időközönként elhelyezett harmonikus segédvivők alkotják [11] . Más szavakkal, a jel által elfoglalt teljes sávszélességet alcsatornákra osztják . Az összes alvivő egymásra merőleges az impulzusidőtartam intervallumán , amelyen belül az OFDM szimbólum ( ) található. Az információ továbbításához az egyes alvivőket egymástól függetlenül modulálják fáziseltolásos kulcsozási módszerekkel (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), így minden alvivő saját jelet generál, amelyet az éterben történő sugárzás előtt hozzáadnak. OFDM jel. $N$ $\Delta f$ $\Delta F$ $N$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

Az OFDM jeleket az amplitúdó nagy változékonysága és ennek eredményeként a nagy csúcstényező jellemzi (lásd az ábrát). Az UWB OFDM jel körülbelül 500 MHz-es frekvenciasávot foglal el. Az UWB OFDM jel alapja az átviteli sebességtől függően 1 és 10 között változik.

Több hozzáférés is megszervezhető úgy, hogy a rendelkezésre álló frekvenciatartomány különböző részeit különböző felhasználókhoz rendelik.

Kaotikus rádióimpulzusok

A kaotikus rádióimpulzusok egy kaotikus jel töredékei, amelyek közvetlenül a kívánt frekvenciatartományban keletkeznek [12] [13] . Az impulzusok képzése vagy külső moduláció, vagy a kaotikus rezgések tranzisztorgenerátorának belső modulációja miatt történik [14] [15] .

Az ultraszéles sávú kaotikus rádióimpulzus jellemzője, hogy spektruma gyakorlatilag független az impulzus időtartamától. Ennek oka, hogy a kezdeti kaotikus rezgések spektruma már ultraszéles sávú, és a spektrum kiszélesedése az impulzus időtartamának csökkenésével jelentéktelen.

Matematikailag ezt a következőképpen fejezzük ki. A kaotikus rádióimpulzusok áramlásának teljesítményspektrumának jellemző szélessége , ahol a kaotikus jel sávszélessége, a moduláló videoimpulzus spektrumának jellemző szélessége. Feltéve, hogy a moduláló videoimpulzus időtartama kielégíti az összefüggést , pl. az impulzus több kvázi periódusnyi kaotikus rezgést tartalmaz, a kaotikus rádióimpulzusok áramlásának teljesítményspektrumának szélessége gyakorlatilag egybeesik a folyamatos kaotikus jel szélességével. $\Delta F\approx \Delta f+2\Delta s$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

A kaotikus rádióimpulzus alapját a kaotikus jel sávszélességének és időtartamának szorzata határozza meg, és az időtartam növelésével széles tartományban változhat, szükség esetén könnyen elérheti a százakat és ezreket. $B=\Delta t\Delta F$

Chirp impulzusok ( csipog )

Az ultraszéles sávú csipogó impulzusok impulzusjelek, az impulzuson belül a frekvencia egy lineáris törvény szerint változik, vagy nő, vagy csökken [16]

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

ahol a Gauss harang által leírt impulzus csipogás burkológörbéje, a kezdeti rezgési frekvencia (az impulzus elején), a frekvencia hangolási sebessége. $A_{0}(T)$ $f_0$ $\alpha$

A csipogó impulzus alapja , meghaladhatja az 1-et, de nem lehet nagy. $B=\Delta t\Delta F$

Alkalmazás

Ultra szélessávú
Közvetlen kaotikus kommunikációs rendszerek
Ultraszéles sávú radar
Személyes szintű kommunikációs hálózatok ( WPAN )
"Wearable", "wearable" hálózatok, Body Area Network ( BAN )
Vezeték nélküli szenzorhálózatok

Szabványosítás

Az ultraszéles sávú jelek használatát a kommunikáció területén a 3-10 GHz-es tartományban a következő szabványok szabályozzák:

A 802.15.3a de facto meghibásodott, nagy sebességű ultraszéles sávú kommunikációs szabvány. A sebességet 10 méteren 110 Mbps-tól 1 méteren 480 Mbps-ig tervezték Két különböző megközelítést alakítottak ki: (1) az MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) 500 MHz-es OFDM jelek használatát javasolta, (2) DS- Az UWB Forum (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) támogatta az ultrarövid impulzusokat. Mivel a feleknek nem sikerült megegyezniük az álláspontokról, a szabvány kidolgozása megszűnt. Ennek eredményeként a szövetségek mindegyike önállóan folytatta a munkát. Az MBOA-UWB technológia képezte a WirelessUSB alapját (lásd a Wireless USB specifikációról szóló cikket ). 2008-ban elfogadták az ECMA-368 és ECMA-369 nagy sebességű kommunikációs szabványokat, amelyek a WiMedia UWB platformon alapulnak [17] .
A 802.15.4a [16] az IEEE 802.15.4 vezeték nélküli szenzorhálózatokra ( WPAN ) vonatkozó szabvány kiterjesztése, amely új jeltípust ( UWB ) vezet be a fizikai réteg (PHY) számára, amelyet 2007 végén fogadtak el. UWB néven jeleket, a szabvány a következőket írja le: ultrarövid impulzusok, kaotikus rádióimpulzusok , csipogó impulzusok. Átviteli sebesség akár 1 Mbps, hatótávolság akár 30 m (opcionális 100 m).
A 802.15.6 az emberi testen vagy annak közelében lévő vezeték nélküli szenzorhálózatok szabványa ( Body area network ). 2012 márciusában fogadták el. A kaotikus rádióimpulzusokat a szabvány UWB jelként írja le .

Jegyzetek

↑ még nincs link
↑ Vagranov M. E., Zinovjev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Repülőgép radarreakciója. - M .: Rádió és kommunikáció, 1985. - 320 p.
↑ Immoreev I. Ya. Ultra-széles sávú radarok: új lehetőségek, szokatlan problémák, rendszerjellemzők // Bulletin of MSTU. Ser. Hangszerelés - 1998
↑ 1 2 Az Egyesült Államok Szövetségi Kommunikációs Bizottságának (FCC) 2002.02.14-i FCC 02-48 számú határozata . Letöltve: 2012. április 25. Az eredetiből archiválva : 2006. március 21.. (határozatlan)
↑ A Rádiófrekvenciák Állami Bizottságának 2009. december 15-i 09-05-02 számú határozata archiválva : 2013. október 19.
↑ Szabványosítási megbízás továbbítva a CEN/CENELEC/ETSI részére az ultraszéles sávú berendezésekre vonatkozó harmonizált szabványok tekintetében. Európai Bizottság. TCAM Titkárság. Brüsszel, 2007. április 19. (a link nem érhető el) . Letöltve: 2012. augusztus 14. Az eredetiből archiválva : 2017. október 31.. (határozatlan)
↑ Win MZ, Scholtz RA Impulse rádió: Hogyan működik. IEEECommun. Lett. 1998. V. 2. No. 2. P. 36.
↑ J. McCorkley. Oktatóanyag az ultraszéles sávú technológiáról. IEEE 802.15 munkacsoport, benyújtás. – NY: IEEE, 2000 . Letöltve: 2012. augusztus 14. Az eredetiből archiválva : 2013. november 1.. (határozatlan)
↑ 1 2 Kelly J. Time Domain javaslata UWB többsávos alternatív PHY rétegre a 802.15.3a-hoz. – NY: IEEE, 2003 . Letöltve: 2012. augusztus 14. Az eredetiből archiválva : 2016. március 7.. (határozatlan)
↑ Matt Welborn, TG4a javaslat alacsony sebességű DS-UWB-re (DS-UWB-LR). – NY: IEEE, 2005 . Letöltve: 2012. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2016. március 7.. (határozatlan)
↑ Anuj Batra et al., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a munkacsoport benyújtása. – NY: IEEE, 2003 . Letöltve: 2012. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2013. december 14.. (határozatlan)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. és munkatársai: Közvetlen kaotikus kommunikációs rendszerek létrehozásának kilátásai a rádió- és mikrohullámú sávokban. - Rádiótechnika, 2000, 3. sz., p. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. et al. Ultra-széles sávú vezeték nélküli kommunikáció dinamikus káosz alapján. Rádiótechnika és elektronika , 2006, 51. évf., 10. sz., p. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Kaotikus impulzusok sorozatának generálása periodikus jel hatására dinamikus rendszeren. Levelek ZhTF -hez , 2005, 31. évf., 22. sz. 29.
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Impulzusok formálása nem autonóm kaotikus oszcillátorban. Int. J. Bifurcation and Chaos , 2007, v. 17. szám, 10. o. egy.
↑ 12 802.15.4a -2007. IEEE információtechnológiai szabvány – Távközlés és információcsere rendszerek között – Helyi és nagyvárosi hálózatok – specifikus követelmény 15.4. rész: Vezeték nélküli közepes hozzáférés-vezérlés (MAC) és fizikai réteg (PHY) előírásai alacsony sebességű vezeték nélküli személyi hálózatokhoz (WPAN). NY: IEEE, 2007.
↑ Szabványos ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY és MAC szabvány . Letöltve: 2013. április 15. Az eredetiből archiválva : 2013. december 3.. (határozatlan)

Varganov M.E., Zinovjev Yu.S., Astanin L.Yu. és mások / szerk. L.T. Tucskov. Repülőgépek radarjellemzői - M .: Rádió és kommunikáció, 1985, 236 s

Lásd még

Ultra szélessávú
Közvetlen kaotikus kommunikációs rendszerek
Vezeték nélküli szenzorhálózatok