Fréquence de travail : 3-10G
Puissance d'émission : 5W
Onde stationnaire de tension : moins de 2,5
Gain : 2,5
Caractéristiques techniques de l'UWB :(1) Taux de transmission élevé et grande capacité spatiale
Pour la formule de capacité de canal de Shannon, la limite supérieure du taux de transmission sans erreur du système dans un canal de bruit blanc gaussien additif (AWGN) est :
C=B×log2(1+SNR)
Où B (unité : Hz) est la bande passante du canal et SNR est le rapport signal sur bruit. Dans le système UWB, la bande passante du signal B est aussi élevée que 500 MHz à 7,5 GHz. Ainsi, même si le rapport signal sur bruit SNR est faible, le système UWB peut atteindre un débit de transmission de plusieurs centaines de mégahertz à 1 Gb/s sur une courte distance. Par exemple, si vous utilisez une bande passante de 7 GHz, même avec un rapport signal sur bruit aussi faible que -10 dB, la capacité théorique du canal peut atteindre 1 Gb/s. Par conséquent, la technologie UWB est très appropriée pour les applications de transmission à grande vitesse à courte distance (telles que le WPAN à grande vitesse), ce qui peut considérablement améliorer la capacité spatiale. Des études théoriques ont montré que la capacité spatiale des WPAN basés sur UWB est supérieure d'un à deux ordres de grandeur à la norme WLAN actuelle IEEE 802.11.a.
(2) Convient pour la communication à courte distance
Selon les réglementations FCC, la puissance rayonnée du système UWB est très limitée et la puissance rayonnée totale dans la bande 3,1 GHz à 10,6 GHz n'est que de 0,55 mW, ce qui est bien inférieur au système traditionnel à bande étroite. Au fur et à mesure que la distance de transmission augmente, la puissance du signal continue de diminuer. Par conséquent, le rapport signal sur bruit reçu peut être exprimé en fonction de la distance de transmission SNRr (d). Pour la formule de Shannon, la capacité du canal peut être exprimée en fonction de la distance.
C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)
De plus, les signaux ultra-large bande ont une composante fréquentielle extrêmement riche. Il est bien connu que les canaux sans fil présentent différentes caractéristiques d'évanouissement dans différentes bandes de fréquences. Étant donné que l'évanouissement du signal haute fréquence est extrêmement rapide à mesure que la distance de transmission augmente, cela provoque une distorsion du signal UWB, affectant ainsi sérieusement les performances du système. La recherche montre que lorsque la distance entre les émetteurs-récepteurs est inférieure à 10 m, la capacité de canal du système UWB est supérieure à celle du système WLAN avec une bande de 5 GHz. Lorsque la distance entre les émetteurs-récepteurs dépasse 12 m, l'avantage du système UWB en termes de capacité de canal n'existe plus. Par conséquent, le système UWB est particulièrement adapté à la communication à courte portée.
(3) Bonne coexistence et confidentialité
En raison de la densité spectrale de rayonnement extrêmement faible du système UWB (moins de -41,3 dBm/MHz), pour les systèmes traditionnels à bande étroite, la densité spectrale du signal UWB est même inférieure au niveau de bruit de fond. L'interférence du signal UWB avec le système à bande étroite peut être considérée comme blanche à large bande. bruit. Par conséquent, les systèmes UWB ont une bonne coexistence avec les systèmes traditionnels à bande étroite, ce qui est très bénéfique pour améliorer l'utilisation des ressources spectrales sans fil de plus en plus restreintes. Dans le même temps, la densité spectrale de rayonnement extrêmement faible rend le signal UWB très dissimulé et difficile à intercepter, ce qui est très bénéfique pour améliorer la confidentialité des communications.
(4) Forte résolution multi-trajets et haute précision de positionnement
Comme le signal UWB utilise une impulsion étroite de très courte durée, sa résolution temporelle et spatiale sont très fortes. Par conséquent, la résolution par trajets multiples du signal UWB est extrêmement élevée. La résolution par trajets multiples extrêmement élevée donne au signal UWB des capacités de télémétrie et de positionnement de haute précision. Pour les systèmes de communication, la résolution multi-trajets des signaux UWB doit être analysée de manière dialectique. La sélectivité temporelle et la sélectivité en fréquence du canal sans fil sont des facteurs clés qui limitent les performances du système de communication sans fil. Dans les systèmes à bande étroite, les trajets multiples indiscernables provoqueront un évanouissement, tandis que les signaux UWB peuvent les séparer et les combiner à l'aide de techniques de réception en diversité. Par conséquent, le système UWB a une forte capacité anti-évanouissement. Cependant, la résolution multivoies extrêmement élevée du signal UWB entraîne également une forte dispersion temporelle (évanouissement sélectif en fréquence) de l'énergie du signal, et le récepteur doit capturer une énergie de signal suffisante en sacrifiant la complexité (en augmentant le nombre de diversité). Cela posera un sérieux défi à la conception du récepteur. Dans la conception réelle du système UWB, la bande passante du signal et la complexité du récepteur doivent être compromises pour obtenir les performances de coût idéales.
(5) Petite taille et faible consommation d'énergie
La technologie UWB traditionnelle ne nécessite pas de porteuse sinusoïdale et les données sont modulées pour transmettre sur une impulsion étroite en bande de base nanoseconde ou inférieure à la nanoseconde. Le récepteur utilise le corrélateur pour effectuer directement la détection du signal. L'émetteur-récepteur ne nécessite pas de circuits et de filtres de modulation/démodulation de fréquence porteuse complexes. Par conséquent, la complexité du système peut être considérablement réduite, et le volume et la consommation d'énergie de l'émetteur-récepteur peuvent être réduits. La nouvelle définition de UWB par la FCC augmente dans une certaine mesure la difficulté de mise en forme des impulsions sans porteuse. Cependant, avec le développement de la technologie des semi-conducteurs et l'émergence d'une nouvelle technologie de génération d'impulsions, le système UWB hérite toujours de la petite taille et de la faible consommation d'énergie des fonctionnalités UWB traditionnelles.
Technologie de formation d'impulsions UWB :
Tout système de communication numérique doit utiliser un signal bien adapté au canal pour transporter les informations. Pour les systèmes de modulation linéaire, les signaux modulés peuvent être représentés uniformément comme :
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
où In est une séquence de symboles de données discrets transportant des informations ; T est une durée de symboles de données ;
g(t) est une forme d'onde de mise en forme dans le domaine temporel. La bande de fréquence de fonctionnement, la bande passante du signal, la densité spectrale de rayonnement, le rayonnement hors bande, les performances de transmission, la complexité de mise en œuvre et d'autres facteurs du système de communication dépendent de la conception de g(t).
Pour les systèmes de communication UWB, la bande passante du signal mis en forme g(t) doit être supérieure à 500 MHz et l'énergie du signal doit être concentrée dans la bande 3,1 GHz à 10,6 GHz. Les premiers systèmes UWB utilisaient des impulsions gaussiennes à cycle unique sans porteuse nanosecondes / sous-nanosecondes avec un spectre de signal concentré en dessous de 2 GHz. La redéfinition de l'UWB par la FCC et l'attribution des ressources spectrales imposent de nouvelles exigences en matière de mise en forme du signal, et le schéma de mise en forme du signal doit être ajusté. Ces dernières années, de nombreuses méthodes efficaces ont émergé, telles que les techniques de formation basées sur la modulation de porteuse, la mise en forme d'impulsions orthogonales Hermit et la mise en forme d'impulsions orthogonales à onde ellipsoïdale (PSWF).
Impulsion gaussienne à cycle unique :
Les impulsions gaussiennes à cycle unique, c'est-à-dire les dérivées des impulsions gaussiennes, sont les impulsions sans porteuse les plus représentatives. Chaque forme d'onde d'impulsion d'ordre peut être obtenue par dérivation successive à partir de la première dérivée gaussienne.
Au fur et à mesure que l'ordre du signal d'impulsion augmente, le nombre de points de passage par zéro augmente progressivement et la fréquence centrale du signal se déplace vers la haute fréquence, mais la bande passante du signal ne change pas de manière significative et la bande passante relative diminue progressivement. Les premiers systèmes UWB utilisaient des impulsions de premier ordre et de second ordre, et les composantes de fréquence du signal continuaient de CC à 2 GHz. Selon la nouvelle définition de l'UWB de la FCC, des impulsions inférieures à la nanoseconde d'ordre 4 ou plus doivent être utilisées pour répondre aux exigences du spectre de rayonnement. La figure 3 montre une impulsion gaussienne à cycle unique typique de 2 ns.
Technologie de formation de modulation de porteuse :
En principe, les exigences UWB peuvent être satisfaites tant que la bande passante -10 dB du signal est supérieure à 500 MHz. Par conséquent, les schémas de mise en forme de signal conventionnels pour les systèmes de communication équipés de porteuses peuvent être portés vers des systèmes UWB. À ce stade, la conception du signal UWB est convertie en une conception d'impulsion passe-bas et le spectre du signal peut être déplacé de manière flexible sur l'axe des fréquences par modulation de porteuse.
Une impulsion mise en forme avec une porteuse peut être exprimée comme suit :
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
Où p(t) est l'impulsion en bande de base de durée Tp ; fc est la fréquence porteuse, c'est-à-dire la fréquence centrale du signal. Si le spectre de l'impulsion en bande de base p(t) est P(f), le spectre de l'impulsion finale mise en forme est :
On peut voir que le spectre de l'impulsion mise en forme dépend de l'impulsion de bande de base p(t), et l'exigence de conception UWB peut être satisfaite tant que la bande passante à -10 dB de p(t) est supérieure à 250 MHz. En ajustant la fréquence porteuse fc, le spectre du signal peut être déplacé de manière flexible dans la plage de 3,1 GHz à 10,6 GHz. S'il est combiné avec la technologie de saut de fréquence (FH), un système d'accès multiple à saut de fréquence (FHMA) peut être commodément construit. Cette technique de mise en forme d'impulsion est utilisée dans de nombreuses propositions de normes IEEE 802.15.3a. La figure 4 montre une impulsion cosinusoïdale corrigée par la porteuse typique avec une fréquence centrale de 3,35 GHz et une bande passante de -10 dB de 525 MHz.
Pouls orthogonal hermite :
Les impulsions hermites sont une classe de méthodes de mise en forme d'impulsions orthogonales qui ont été proposées pour la première fois pour les systèmes de communication UWB à haut débit. Combiné à une modulation d'impulsions multi-aire, il peut augmenter efficacement le taux de transmission du système. Ce type de forme d'onde d'impulsion est dérivé du polynôme d'Hermite. Le procédé de mise en forme d'impulsions est caractérisé en ce que l'énergie est concentrée sur la basse fréquence, et les formes d'onde des formes d'onde des ordres respectifs sont très différentes, et les exigences FCC peuvent être satisfaites en utilisant la porteuse pour décaler le spectre.
Impulsion en quadrature PSWF :
L'impulsion PSWF est un type similaire de signal "limite de temps-limite de bande", qui a un très bon effet dans l'analyse de signal à bande limitée.
Par rapport aux impulsions Hermite, les impulsions PSWF peuvent être conçues directement en fonction des exigences de bande de fréquence et de bande passante cibles sans nécessiter de modulation de porteuse complexe pour le décalage spectral. Par conséquent, l'impulsion PSWF appartient à la technique de formation sans porteuse, qui est avantageuse pour simplifier la complexité de l'émetteur-récepteur.
Modulation UWB et technologie d'accès multiple :
La méthode de modulation fait référence à la manière dont le signal transporte les informations. Il détermine non seulement la validité et la fiabilité du système de communication, mais affecte également la structure du spectre et la complexité du récepteur du signal. Pour le problème que la technologie d'accès multiple résout le problème de plusieurs utilisateurs partageant des canaux, un schéma d'accès multiple raisonnable peut grandement améliorer la capacité multi-utilisateur tout en réduisant les interférences entre les utilisateurs. Les schémas de modulation utilisés dans les systèmes UWB peuvent être divisés en deux grandes catégories : la modulation basée sur des impulsions à bande ultra large et la modulation multiporteuse orthogonale basée sur OFDM. Les technologies d'accès multiple comprennent : l'accès multiple à sauts temporels, l'accès multiple à sauts de fréquence, l'accès multiple par répartition directe par code et l'accès multiple par répartition en longueur d'onde. Dans la conception du système, le mode de modulation et le mode d'accès multiple peuvent être raisonnablement combinés.
Technologie de modulation UWB :
(1) Modulation de position d'impulsion
La modulation de position d'impulsion (PPM) est un schéma de modulation qui utilise des positions d'impulsion pour transporter des informations de données. Selon le nombre d'états de symboles de données discrets utilisés, il peut être divisé en PPM binaire (2PPM) et PPM multi-aire (MPPM). Dans ce mode de modulation, il existe deux ou M positions où des impulsions peuvent se produire dans une période de répétition d'impulsions, et les positions d'impulsion sont en correspondance biunivoque avec les états de symbole. Selon la relation entre la distance entre les positions d'impulsion adjacentes et la largeur d'impulsion, elle peut être divisée en PPM à chevauchement partiel et en PPM orthogonal (OPPM). Dans le PPM à chevauchement partiel, afin d'assurer la fiabilité de la transmission du système, les points d'impulsion négatifs de la fonction d'autocorrélation d'impulsion sont généralement sélectionnés pour être adjacents les uns aux autres, maximisant ainsi la distance euclidienne des symboles adjacents. Dans OPPM, la position d'impulsion est généralement déterminée à des intervalles de largeur d'impulsion. Le récepteur utilise le corrélateur pour effectuer une détection cohérente à l'emplacement correspondant. Compte tenu de la complexité et de la limitation de puissance du système UWB, dans les applications pratiques, la méthode de modulation couramment utilisée est 2PPM ou 2OPPM.
L'avantage de PPM est qu'il n'a besoin que de contrôler la position de l'impulsion en fonction du symbole de données, et n'a pas besoin de contrôler l'amplitude et la polarité de l'impulsion, de sorte que la modulation et la démodulation peuvent être réalisées avec une complexité moindre. Par conséquent, PPM est une méthode de modulation largement utilisée dans les premiers systèmes UWB. Cependant, comme le signal PPM est unipolaire, il existe souvent des raies spectrales discrètes avec des amplitudes plus élevées dans le spectre de rayonnement. Si ces lignes ne sont pas supprimées, il sera difficile de répondre aux exigences de la FCC pour le spectre de rayonnement.
(2) Modulation d'amplitude d'impulsion
La modulation d'amplitude d'impulsion (PAM) est l'une des méthodes de modulation les plus couramment utilisées pour les systèmes de communication numériques. Dans les systèmes UWB, le PAM multi-aire (MPAM) ne doit pas être utilisé pour la complexité de la mise en œuvre et l'efficacité énergétique. Il existe deux manières d'utiliser PAM couramment utilisé dans les systèmes UWB : la modulation marche-arrêt (OOK) et la modulation par déplacement de phase binaire (BPSK). Le premier peut réduire la complexité du récepteur en utilisant une détection non cohérente, tandis que le second peut mieux assurer la fiabilité de la transmission en utilisant une détection cohérente.
Comparé à 2PPM, BPSK peut obtenir une fiabilité de transmission plus élevée sous la même puissance de rayonnement, et il n'y a pas de spectre discret dans le spectre de rayonnement.
(3) Modulation de la forme d'onde
La modulation de forme d'onde (PWSK) est un schéma de modulation proposé en combinaison avec des formes d'onde multi-orthogonales telles que les impulsions Hermite. Dans ce mode de modulation, M formes d'onde d'impulsions d'énergie égale mutuellement orthogonales sont utilisées pour transporter des informations de données, et chaque forme d'onde d'impulsion correspond à un symbole de données M-aire. À l'extrémité de réception, M corrélateurs parallèles sont utilisés pour la réception du signal, et la détection de vraisemblance maximale est utilisée pour terminer la récupération des données. Etant donné que les différentes énergies d'impulsions sont égales, l'efficacité de transmission peut être améliorée sans augmenter la puissance de rayonnement. Dans le cas de la même largeur d'impulsion, un taux de transmission de symboles supérieur à MPPM peut être atteint. Au même débit de symboles, son efficacité énergétique et sa fiabilité sont supérieures à MPAM. Étant donné que cette méthode de modulation nécessite davantage de filtres de mise en forme et de corrélateurs, la complexité de mise en œuvre est plus élevée. Par conséquent, il est rarement utilisé dans les systèmes pratiques et se limite actuellement à la recherche théorique.