تردد العمل: 3-10G
قوة الإرسال: 5 واط
موجة الجهد الدائمة: أقل من 2.5
الكسب: 2.5
الخصائص التقنية لـ UWB:(1) معدل نقل عالي وسعة مساحة كبيرة
بالنسبة إلى صيغة سعة قناة شانون ، فإن الحد الأعلى لمعدل الإرسال الخالي من الأخطاء للنظام في قناة الضوضاء الغاوسية البيضاء المضافة (AWGN) هو:
C = B × log2 (1 + SNR)
حيث B (الوحدة: Hz) هي عرض نطاق القناة و SNR هي الإشارة إلى نسبة الضوضاء. في نظام UWB ، يصل عرض النطاق الترددي للإشارة B إلى 500 ميجاهرتز إلى 7.5 جيجاهرتز. لذلك ، حتى إذا كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء SNR منخفضة ، يمكن لنظام UWB أن يحقق معدل إرسال يبلغ عدة مئات من ميغا هرتز إلى 1 جيجابت / ثانية على مسافة قصيرة. على سبيل المثال ، إذا كنت تستخدم عرض نطاق ترددي يبلغ 7 جيجاهرتز ، حتى مع وجود نسبة إشارة إلى ضوضاء منخفضة تصل إلى -10 ديسيبل ، يمكن أن تصل سعة القناة النظرية إلى 1 جيجابت / ثانية. لذلك ، تعد تقنية UWB مناسبة جدًا لتطبيقات الإرسال عالي السرعة لمسافات قصيرة (مثل WPAN عالي السرعة) ، والتي يمكنها تحسين السعة الفضائية بشكل كبير. أظهرت الدراسات النظرية أن السعة الفضائية لشبكات WPAN المستندة إلى UWB أعلى من معيار WLAN الحالي IEEE 802.11.a.
(2) مناسبة للاتصال لمسافات قصيرة
وفقًا للوائح لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) ، فإن القدرة المشعة لنظام UWB محدودة للغاية ، وإجمالي الطاقة المشعة في النطاق 3.1 جيجا هرتز إلى 10.6 جيجا هرتز هو 0.55 ميجاوات فقط ، وهو أقل بكثير من نظام النطاق الضيق التقليدي. مع زيادة مسافة الإرسال ، ستستمر قوة الإشارة في الانحلال. لذلك ، يمكن التعبير عن الإشارة المستقبلة إلى نسبة الضوضاء كدالة لمسافة الإرسال SNRr (d). بالنسبة إلى صيغة شانون ، يمكن التعبير عن سعة القناة كدالة للمسافة.
C (d) = B × log2 [1 + SNRr (d)] (2)
بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي إشارات النطاق العريض للغاية على مكون تردد غني للغاية. من المعروف أن القنوات اللاسلكية تظهر خصائص خبو مختلفة في نطاقات تردد مختلفة. نظرًا لأن خبو الإشارة عالي التردد سريع للغاية مع زيادة مسافة الإرسال ، فإن هذا يتسبب في تشويه إشارة UWB ، مما يؤثر بشكل خطير على أداء النظام. تظهر الأبحاث أنه عندما تكون المسافة بين أجهزة الإرسال والاستقبال أقل من 10 أمتار ، تكون سعة القناة لنظام UWB أعلى من سعة نظام WLAN بنطاق 5 جيجاهرتز. عندما تتجاوز المسافة بين أجهزة الإرسال والاستقبال 12 مترًا ، لن تكون ميزة نظام UWB في سعة القناة موجودة. لذلك ، فإن نظام UWB مناسب بشكل خاص للاتصالات قصيرة المدى.
(3) التعايش الجيد والسرية
بسبب الكثافة الطيفية للإشعاع المنخفضة للغاية لنظام UWB (أقل من -41.3dBm / MHz) ، بالنسبة للأنظمة التقليدية ضيقة النطاق ، تكون الكثافة الطيفية لإشارة UWB أقل حتى من مستوى ضوضاء الخلفية. يمكن اعتبار تداخل إشارة UWB في النظام ضيق النطاق أبيض النطاق العريض. ضوضاء. لذلك ، تتمتع أنظمة UWB بتعايش جيد مع أنظمة النطاق الضيق التقليدية ، وهو أمر مفيد للغاية لتحسين استخدام موارد الطيف اللاسلكي المتزايدة ضيقًا. في الوقت نفسه ، تجعل الكثافة الطيفية للإشعاع المنخفضة للغاية إشارة UWB مخفية للغاية ويصعب اعتراضها ، وهو أمر مفيد للغاية لتحسين سرية الاتصالات.
(4) دقة متعددة المسارات ودقة عالية في تحديد المواقع
نظرًا لأن إشارة UWB تستخدم نبضة ضيقة ذات مدة قصيرة جدًا ، فإن وقتها ودقتها المكانية قويان للغاية. لذلك ، فإن استبانة المسارات المتعددة لإشارة UWB عالية للغاية. يمنح الاستبانة العالية للغاية للمسيرات المتعددة قدرة النطاق وتحديد المواقع عالية الدقة لإشارة UWB. بالنسبة لأنظمة الاتصالات ، يجب تحليل استبانة المسارات المتعددة لإشارات UWB ديالكتيكيًا. تعد انتقائية الوقت وانتقائية التردد للقناة اللاسلكية من العوامل الرئيسية التي تقيد أداء نظام الاتصال اللاسلكي. في الأنظمة ضيقة النطاق ، تتسبب المسارات المتعددة التي يتعذر تمييزها في الخبو ، بينما يمكن لإشارات UWB فصلها والجمع بينها باستخدام تقنيات استقبال متنوعة. لذلك ، يتمتع نظام UWB بقدرة قوية على مقاومة الخبو. ومع ذلك ، فإن الاستبانة العالية للغاية للمسيرات المتعددة لإشارة UWB تؤدي أيضًا إلى تشتت شديد للوقت (الخبو الانتقائي للتردد) لطاقة الإشارة ، ويجب على المستقبل التقاط طاقة إشارة كافية بالتضحية بالتعقيد (زيادة رقم التنوع). سيشكل هذا تحديًا خطيرًا لتصميم جهاز الاستقبال. في التصميم الفعلي لنظام UWB ، يجب المساومة على عرض نطاق الإشارة وتعقيد المستقبِل للحصول على أداء التكلفة المثالي.
(5) حجم صغير واستهلاك منخفض للطاقة
لا تتطلب تقنية UWB التقليدية حاملة جيبية ، ويتم تعديل البيانات للإرسال على نبضة ضيقة النطاق الأساسي نانوثانية أو أقل من النانو ثانية. يستخدم جهاز الاستقبال أداة الربط لإجراء الكشف عن الإشارة مباشرة. لا يتطلب جهاز الإرسال والاستقبال دارات ومرشحات لتشكيل / إزالة التشكيل لتردد الموجة الحاملة المعقدة. لذلك ، يمكن تقليل تعقيد النظام بشكل كبير ، ويمكن تقليل حجم جهاز الإرسال والاستقبال واستهلاك الطاقة. يزيد التعريف الجديد لـ UWB من قبل لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) من صعوبة تشكيل النبضات غير الحاملة إلى حد معين. ومع ذلك ، مع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات وظهور تكنولوجيا توليد النبضات الجديدة ، لا يزال نظام UWB يرث الحجم الصغير والاستهلاك المنخفض للطاقة لميزات UWB التقليدية.
تكنولوجيا تشكيل النبض UWB:
يجب أن يستخدم أي نظام اتصال رقمي إشارة تتوافق جيدًا مع القناة لنقل المعلومات. بالنسبة لأنظمة التشكيل الخطي ، يمكن تمثيل الإشارات المشكلة بشكل موحد على النحو التالي:
s (t) = Ing (t -T) (3)
حيث يوجد تسلسل من رموز البيانات المنفصلة التي تحمل المعلومات ؛ T هي مدة رموز البيانات ؛
g (t) هو شكل موجة لتشكيل مجال زمني. يعتمد نطاق تردد التشغيل وعرض نطاق الإشارة والكثافة الطيفية للإشعاع والإشعاع خارج النطاق وأداء الإرسال وتعقيد التنفيذ وعوامل أخرى لنظام الاتصالات على تصميم g (t).
بالنسبة لأنظمة اتصالات UWB ، يجب أن يكون عرض نطاق الإشارة المشكلة g (t) أكبر من 500 ميجاهرتز ويجب أن تتركز طاقة الإشارة في النطاق 3.1 جيجاهرتز إلى 10.6 جيجاهرتز. استخدمت أنظمة UWB المبكرة نبضات نانو ثانية / دون نانوثانية أحادية الدورة غير حاملة مع طيف إشارة يتركز أقل من 2 جيجاهرتز. تضع إعادة تعريف لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) لـ UWB وتخصيص موارد الطيف متطلبات جديدة لتشكيل الإشارة ، ويجب تعديل مخطط تشكيل الإشارة. في السنوات الأخيرة ، ظهرت العديد من الطرق الفعالة ، مثل تقنيات التشكيل القائمة على تعديل الناقل ، وتشكيل النبض المتعامد الناسك ، وتشكيل النبض المتعامد (PSWF).
نبضة جاوس أحادية الدورة:
النبضات الغوسية أحادية الدورة ، أي مشتقات النبضات الغوسية ، هي النبضات غير الحاملة الأكثر تمثيلاً. يمكن الحصول على كل شكل موجة نبضية مرتبة عن طريق الاشتقاق المتتالي من المشتق الأول الغاوسي.
مع زيادة ترتيب إشارة النبض ، يزداد عدد نقاط العبور الصفرية تدريجياً ، ويتحرك التردد المركزي للإشارة نحو التردد العالي ، لكن عرض النطاق الترددي للإشارة لا يتغير بشكل كبير ، وينخفض النطاق الترددي النسبي تدريجياً. استخدمت أنظمة UWB المبكرة نبضات من الدرجة الأولى والثانية ، واستمرت مكونات تردد الإشارة من DC إلى 2 GHz. وفقًا لتعريف لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) الجديد لـ UWB ، يجب استخدام نبضات أقل من نانوثانية من الرتبة 4 أو أعلى لتلبية متطلبات الطيف الإشعاعي. يوضح الشكل 3 نبضة غاوسية أحادية الدورة نموذجية تبلغ 2 نانوثانية.
تكنولوجيا تشكيل تعديل الناقل:
من حيث المبدأ ، يمكن تلبية متطلبات UWB طالما أن عرض نطاق الإشارة -10 ديسيبل أكبر من 500 ميجا هرتز. لذلك ، يمكن تحويل مخططات تشكيل الإشارات التقليدية لأنظمة الاتصالات المجهزة بموجات حاملة إلى أنظمة UWB. في هذا الوقت ، يتم تحويل تصميم إشارة UWB إلى تصميم نبضي منخفض التمرير ، ويمكن تحريك طيف الإشارة بمرونة على محور التردد عن طريق تعديل الموجة الحاملة.
يمكن التعبير عن نبضة مشكلة مع ناقل على النحو التالي:
w (t) = p (t) cos (2πfct) (0≤t ≤Tp) (4)
حيث p (t) هي نبض النطاق الأساسي لمدة Tp ؛ fc هو تردد الموجة الحاملة ، أي تردد مركز الإشارة. إذا كان طيف نبضة النطاق الأساسي p (t) هو P (f) ، يكون طيف النبضة النهائية الشكل:
يمكن ملاحظة أن طيف النبضة الشكلية يعتمد على نبضة النطاق الأساسي p (t) ، ويمكن تلبية متطلبات تصميم UWB طالما أن عرض النطاق الترددي -10 dB لـ p (t) أكبر من 250 MHz. من خلال ضبط تردد الموجة الحاملة fc ، يمكن نقل طيف الإشارة بمرونة في النطاق من 3.1 جيجاهرتز إلى 10.6 جيجاهرتز. إذا تم دمجها مع تقنية قفز التردد (FH) ، فيمكن بناء نظام الوصول المتعدد لقفز التردد (FHMA) بشكل ملائم. تُستخدم تقنية تشكيل النبض في العديد من مقترحات معيار IEEE 802.15.3a. يوضح الشكل 4 نبضة جيب تمام مصححة بواسطة الموجة الحاملة مع تردد مركزي يبلغ 3.35 جيجاهرتز وعرض نطاق أ -10 ديسيبل يبلغ 525 ميجاهرتز.
نبض متعامد هيرمايت:
نبضات هيرمايت هي فئة من طرق تشكيل النبضة المتعامدة التي تم اقتراحها لأول مرة لأنظمة اتصالات UWB عالية السرعة. يمكن أن يؤدي الجمع بين تعديل النبضات المتعددة إلى زيادة معدل نقل النظام بشكل فعال. هذا النوع من شكل الموجة النبضية مشتق من متعدد الحدود هيرمايت. تتميز طريقة تشكيل النبضة بأن الطاقة تتركز على التردد المنخفض ، وأن أشكال الموجة لأشكال الموجة للأوامر المعنية مختلفة اختلافًا كبيرًا ، ويمكن تلبية متطلبات لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) باستخدام الموجة الحاملة لتحويل الطيف.
نبض تربيع PSWF:
نبضة PSWF هي نوع مشابه من إشارة "حد النطاق الزمني" ، والتي لها تأثير جيد للغاية في تحليل الإشارة محدودة النطاق.
بالمقارنة مع نبضات Hermite ، يمكن تصميم نبضات PSWF مباشرة لنطاق التردد المستهدف ومتطلبات عرض النطاق دون الحاجة إلى تشكيل معقد للحامل من أجل التحول الطيفي. لذلك ، تنتمي نبضة PSWF إلى تقنية التشكيل غير الحاملة ، والتي تعد مفيدة لتبسيط تعقيد جهاز الإرسال والاستقبال.
تعديل UWB وتكنولوجيا الوصول المتعدد:
تشير طريقة التشكيل إلى الطريقة التي تنقل بها الإشارة المعلومات. فهي لا تحدد صلاحية وموثوقية نظام الاتصالات فحسب ، بل تؤثر أيضًا على بنية الطيف وتعقيد مستقبل الإشارة. بالنسبة للمشكلة المتمثلة في أن تقنية الوصول المتعدد تحل مشكلة مشاركة العديد من المستخدمين في القنوات ، يمكن لنظام الوصول المتعدد المعقول أن يحسن بشكل كبير قدرة المستخدمين المتعددين مع تقليل التداخل بين المستخدمين. يمكن تقسيم مخططات التشكيل المستخدمة في أنظمة UWB إلى فئتين عريضتين: التشكيل القائم على نبضات النطاق العريض للغاية ، والتشكيل المتعامد متعدد الموجات الحاملة القائم على OFDM. تشمل تقنيات الوصول المتعددة: الوصول المتعدد عبر التنقل عبر الوقت ، والوصول المتعدد لقفز التردد ، والوصول المتعدد لتقسيم كود الانتشار المباشر ، والوصول المتعدد بتقسيم الطول الموجي. في تصميم النظام ، يمكن الجمع بين وضع التعديل وأسلوب الوصول المتعدد بشكل معقول.
تكنولوجيا تعديل UWB:
(1) تعديل موضع النبض
تعديل موضع النبض (PPM) هو مخطط تعديل يستخدم مواضع النبض لنقل معلومات البيانات. وفقًا لعدد حالات رمز البيانات المنفصلة المستخدمة ، يمكن تقسيمها إلى ثنائي PPM (2PPM) و PPM متعدد الآنية (MPPM). في وضع التشكيل هذا ، هناك موضعان أو موضع M حيث يمكن أن تحدث النبضات في فترة تكرار النبضة الواحدة ، وتكون مواضع النبضة في تناظر واحد إلى واحد مع حالات الرمز. وفقًا للعلاقة بين المسافة بين مواضع النبض المتجاورة وعرض النبضة ، يمكن تقسيمها إلى PPM متداخلة جزئيًا و PPM متعامد (OPPM). في PPM المتداخل جزئيًا ، من أجل ضمان موثوقية إرسال النظام ، عادةً ما يتم تحديد نقاط النبض السالبة لوظيفة الارتباط التلقائي للنبض لتكون متجاورة مع بعضها البعض ، وبالتالي تعظيم المسافة الإقليدية للرموز المجاورة. في OPPM ، يتم تحديد موضع النبض عادة على فترات من عرض النبضة. يستخدم المستقبِل الرابط لإجراء كشف متماسك في الموقع المقابل. نظرًا لتعقيد نظام UWB ومحدودية طاقته ، في التطبيقات العملية ، تكون طريقة التشكيل الشائعة الاستخدام هي 2PPM أو 2OPPM.
تتمثل ميزة PPM في أنها تحتاج فقط إلى التحكم في موضع النبضة وفقًا لرمز البيانات ، ولا تحتاج إلى التحكم في سعة النبضة والقطبية ، بحيث يمكن تحقيق التعديل وإزالة التشكيل بتعقيد أقل. لذلك ، فإن PPM هي طريقة تشكيل مستخدمة على نطاق واسع في أنظمة UWB المبكرة. ومع ذلك ، نظرًا لأن إشارة PPM أحادية القطب ، فغالبًا ما توجد خطوط طيفية منفصلة ذات اتساع أعلى في طيف الإشعاع. إذا لم يتم قمع هذه الخطوط ، فسيكون من الصعب تلبية متطلبات لجنة الاتصالات الفيدرالية للطيف الإشعاعي.
(2) تعديل سعة النبض
يعد تعديل سعة النبضة (PAM) أحد أكثر طرق التعديل شيوعًا لأنظمة الاتصالات الرقمية. في أنظمة UWB ، لا ينبغي استخدام PAM متعدد الأذنين (MPAM) لتعقيد التنفيذ وكفاءة الطاقة. هناك طريقتان لاستخدام PAM بشكل شائع في أنظمة UWB: On-Off Keying (OOK) و Binary Phase Shift Keying (BPSK). الأول يمكن أن يقلل من تعقيد المستقبل باستخدام الكشف غير المتماسك ، بينما يمكن للأخير أن يضمن بشكل أفضل موثوقية الإرسال باستخدام الكشف المتماسك.
بالمقارنة مع 2PPM ، يمكن لـ BPSK الحصول على موثوقية إرسال أعلى تحت نفس طاقة الإشعاع ، ولا يوجد طيف منفصل في طيف الإشعاع.
(3) تعديل شكل الموجة
تعديل شكل الموجة (PWSK) هو مخطط تعديل مقترح بالاقتران مع أشكال موجة متعددة متعامدة مثل نبضات هيرميت. في وضع التعديل هذا ، تُستخدم أشكال موجة نبضية متساوية متعامدة بشكل متبادل لنقل معلومات البيانات ، ويتوافق كل شكل موجة نبضة مع رمز بيانات M-ary واحد. في الطرف المستقبِل ، تُستخدم عوامل الارتباط المتوازية M لاستقبال الإشارة ، ويستخدم الكشف عن الاحتمالية القصوى لإكمال استعادة البيانات. نظرًا لأن طاقات النبضات المختلفة متساوية ، يمكن تحسين كفاءة الإرسال دون زيادة طاقة الإشعاع. في حالة نفس عرض النبضة ، يمكن تحقيق معدل إرسال رمز أعلى من MPPM. وبنفس معدل الرموز ، تكون كفاءة الطاقة وموثوقيتها أعلى من MPAM. نظرًا لأن طريقة التعديل هذه تتطلب المزيد من عوامل التصفية والتشكيل ، فإن تعقيد التنفيذ يكون أعلى. لذلك ، نادرًا ما يتم استخدامه في الأنظمة العملية ويقتصر حاليًا على البحث النظري.