Рабочая частота: 3-10G
Мощность передачи: 5 Вт
Стоячая волна напряжения: менее 2,5
Усиление: 2,5
Технические характеристики СШП:(1) Высокая скорость передачи и большая емкость
Для формулы пропускной способности канала Шеннона верхний предел безошибочной скорости передачи системы в канале с аддитивным белым гауссовым шумом (AWGN) составляет:
C=B×log2(1+SNR)
Где B (единица измерения: Гц) — ширина полосы канала, а SNR — отношение сигнал/шум. В системе UWB ширина полосы сигнала B достигает от 500 МГц до 7,5 ГГц. Следовательно, даже если отношение сигнал-шум SNR низкое, система UWB может обеспечить скорость передачи от нескольких сотен мегагерц до 1 Гбит/с на короткие расстояния. Например, при использовании полосы пропускания 7 ГГц даже при таком низком отношении сигнал/шум, как -10 дБ, теоретическая пропускная способность канала может достигать 1 Гбит/с. Таким образом, технология UWB очень подходит для высокоскоростных приложений передачи на короткие расстояния (таких как высокоскоростная WPAN), что может значительно увеличить пропускную способность. Теоретические исследования показали, что пропускная способность сетей WPAN на основе UWB на один-два порядка выше, чем у текущего стандарта 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 традиционной узкополосной системы. По мере увеличения расстояния передачи мощность сигнала будет продолжать снижаться. Следовательно, отношение принятого сигнала к шуму может быть выражено как функция расстояния передачи SNRr (d). Для формулы Шеннона пропускная способность канала может быть выражена как функция расстояния.
C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)
Кроме того, сверхширокополосные сигналы имеют чрезвычайно богатую частотную составляющую. Хорошо известно, что беспроводные каналы имеют разные характеристики затухания в разных частотных диапазонах. Поскольку затухание высокочастотного сигнала происходит очень быстро по мере увеличения расстояния передачи, это вызывает искажение сигнала СШП, что серьезно влияет на производительность системы. Исследования показывают, что при расстоянии между приемопередатчиками менее 10 м пропускная способность канала системы UWB выше, чем пропускная способность системы WLAN с полосой частот 5 ГГц. Когда расстояние между трансиверами превышает 12 м, преимущество системы СШП в пропускной способности канала исчезает. Поэтому система UWB особенно подходит для связи ближнего действия.
(3) Хорошее сосуществование и конфиденциальность
Из-за чрезвычайно низкой спектральной плотности излучения СШП-системы (менее -41,3 дБм/МГц) для традиционных узкополосных систем спектральная плотность СШП-сигнала даже ниже уровня фонового шума. Интерференцию СШП сигнала узкополосной системе можно расценивать как широкополосную белую. шум. Таким образом, системы UWB хорошо сосуществуют с традиционными узкополосными системами, что очень полезно для улучшения использования все более ограниченных ресурсов беспроводного спектра. В то же время крайне низкая спектральная плотность излучения делает СШП-сигнал очень скрытным и трудным для перехвата, что очень выгодно для повышения конфиденциальности связи.
(4) Сильное многолучевое разрешение и высокая точность позиционирования
Поскольку в сигнале СШП используется узкий импульс очень короткой длительности, его временное и пространственное разрешение очень сильное. Поэтому многолучевое разрешение сигнала СШП чрезвычайно велико. Чрезвычайно высокое разрешение по многолучевому распространению дает сверхширокополосному сигналу возможности высокоточной дальности и позиционирования. Для систем связи необходимо диалектически анализировать многолучевое разрешение СШП-сигналов. Временная избирательность и частотная избирательность беспроводного канала являются ключевыми факторами, ограничивающими производительность системы беспроводной связи. В узкополосных системах неразличимое многолучевое распространение будет вызывать замирания, в то время как сигналы СШП могут разделять их и комбинировать с использованием методов приема с разнесением. Таким образом, система UWB обладает сильной защитой от замирания. Однако чрезвычайно высокое многолучевое разрешение сигнала СШП также приводит к серьезной временной дисперсии (частотно-селективное замирание) энергии сигнала, и приемник должен улавливать достаточную энергию сигнала, жертвуя сложностью (увеличивая число разнесений). Это создаст серьезную проблему для конструкции приемника. В реальной конструкции системы UWB ширина полосы сигнала и сложность приемника должны быть скомпрометированы, чтобы получить идеальное соотношение цены и качества.
(5) Малый размер и низкое энергопотребление
Традиционная технология UWB не требует синусоидальной несущей, а данные модулируются для передачи наносекундным или субнаносекундным узкополосным импульсом основной полосы частот. Приемник использует коррелятор для непосредственного обнаружения сигнала. Приемопередатчик не требует сложных схем модуляции/демодуляции несущей частоты и фильтров. Таким образом, сложность системы может быть значительно снижена, а объем приемопередатчика и потребляемая мощность могут быть уменьшены. Новое определение UWB FCC в определенной степени увеличивает сложность формирования импульса без несущей. Однако с развитием полупроводниковой технологии и появлением новой технологии генерации импульсов система СШП по-прежнему унаследовала малый размер и низкое энергопотребление традиционных функций СШП.
Технология формирования импульсов СШП:
Любая цифровая система связи должна использовать сигнал, хорошо согласованный с каналом для передачи информации. Для систем с линейной модуляцией модулированные сигналы могут быть единообразно представлены как:
s(t)=∑Ing(t-T) (3)
где In представляет собой последовательность символов дискретных данных, несущих информацию; T - длительность символов данных;
g(t) — форма волны, формирующая временную область. От конструкции g(t) зависят полоса рабочих частот, ширина полосы сигнала, спектральная плотность излучения, внеполосное излучение, характеристики передачи, сложность реализации и другие факторы системы связи.
Для систем связи СШП ширина полосы сформированного 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 СШП использовали наносекундные/субнаносекундные гауссовые одноцикловые импульсы без несущей со спектром сигнала, сконцентрированным ниже 2 ГГц. Переопределение FCC UWB и распределение ресурсов спектра предъявляют новые требования к формированию сигнала, и схема формирования сигнала должна быть скорректирована. В последние годы появилось много эффективных методов, таких как методы формирования на основе модуляции несущей, формирование ортогонального импульса Эрмита и формирование ортогонального импульса эллипсоидальной волны (PSWF).
Гауссовский однотактный импульс:
Однопериодные гауссовские импульсы, то есть производные от гауссовских импульсов, являются наиболее типичными импульсами без несущей. Импульсный сигнал каждого порядка может быть получен последовательным выводом из первой производной Гаусса.
По мере увеличения порядка импульсного сигнала количество точек пересечения нуля постепенно увеличивается, а центральная частота сигнала смещается в сторону высокой частоты, но ширина полосы сигнала существенно не меняется, а относительная ширина полосы постепенно уменьшается. Ранние системы СШП использовали импульсы первого и второго порядка, а частотные составляющие сигнала продолжались от постоянного тока до 2 ГГц. В соответствии с новым определением UWB, данным Федеральной комиссией по связи (FCC), субнаносекундные импульсы порядка 4 или выше должны использоваться для удовлетворения требований к спектру излучения. На рис. 3 показан типичный однопериодный импульс Гаусса длительностью 2 нс.
Технология формирования модуляции несущей:
В принципе, требования UWB могут быть удовлетворены, если ширина полосы сигнала -10 дБ превышает 500 МГц. Таким образом, обычные схемы формирования сигналов для систем связи, оснащенных операторской, могут быть перенесены в системы СШП. В это время схема сигнала СШП преобразуется в конструкцию импульса нижних частот, и спектр сигнала можно гибко перемещать по оси частот с помощью модуляции несущей.
Сформированный импульс с несущей может быть выражен как:
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
Где p(t) — импульс модулирующего сигнала длительностью Tp; fc — несущая частота, т. е. центральная частота сигнала. Если спектр модулирующего импульса p(t) равен P(f), спектр окончательно сформированного импульса будет следующим:
Можно видеть, что спектр сформированного импульса зависит от импульса основной полосы частот p(t), и требования к конструкции СШП могут быть удовлетворены, пока ширина полосы p(t) по уровню -10 дБ превышает 250 МГц. Регулируя несущую частоту fc, можно гибко перемещать спектр сигнала в диапазоне от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц. В сочетании с технологией скачкообразной перестройки частоты (FH) можно удобно построить систему множественного доступа со скачкообразной перестройкой частоты (FHMA). Этот метод формирования импульса используется во многих стандартных предложениях IEEE 802.15.3a. На рис. 4 показан типичный косинусоидальный импульс с поправкой на несущую с центральной частотой 3,35 ГГц и шириной полосы по уровню -10 дБ 525 МГц.
Ортогональный импульс Эрмита:
Импульсы Эрмита представляют собой класс методов формирования ортогональных импульсов, впервые предложенных для высокоскоростных систем сверхширокополосной связи. В сочетании с многократной импульсной модуляцией можно эффективно увеличить скорость передачи системы. Этот тип формы импульса получен из полинома Эрмита. Способ формирования импульса отличается тем, что энергия концентрируется на низкой частоте, а формы сигналов соответствующих порядков сильно различаются, и требования FCC могут быть удовлетворены за счет использования несущей для смещения спектра.
Квадратурный импульс PSWF:
Импульс PSWF представляет собой аналогичный тип сигнала с ограничением по времени и диапазону, который имеет очень хороший эффект при анализе сигналов с ограниченным диапазоном.
По сравнению с импульсами Hermite импульсы PSWF могут быть спроектированы непосредственно в соответствии с требованиями целевой полосы частот и полосы пропускания без необходимости сложной модуляции несущей для спектрального сдвига. Следовательно, импульс PSWF относится к технологии формирования без несущей, которая выгодна для упрощения сложности приемопередатчика.
СШП модуляция и технология множественного доступа:
Метод модуляции относится к способу, которым сигнал несет информацию. Он не только определяет достоверность и надежность системы связи, но также влияет на структуру спектра и сложность приемника сигнала. Что касается проблемы, заключающейся в том, что технология множественного доступа решает проблему совместного использования каналов несколькими пользователями, то разумная схема множественного доступа может значительно повысить пропускную способность многопользовательского режима при одновременном снижении помех между пользователями. Схемы модуляции, используемые в системах СШП, можно разделить на две широкие категории: модуляция на основе сверхширокополосных импульсов и ортогональная модуляция с несколькими несущими на основе OFDM. Технологии множественного доступа включают в себя: множественный доступ со скачкообразной перестройкой времени, множественный доступ со скачкообразной перестройкой частоты, множественный доступ с кодовым разделением каналов с прямым расширением и множественный доступ с разделением по длине волны. В конструкции системы режим модуляции и режим множественного доступа могут быть разумно объединены.
Технология модуляции СШП:
(1) Импульсная позиционная модуляция
Импульсная позиционная модуляция (PPM) — это схема модуляции, в которой для передачи данных используются положения импульсов. В зависимости от количества используемых состояний символа дискретных данных его можно разделить на двоичный PPM (2PPM) и многомерный PPM (MPPM). В этом режиме модуляции имеется две или M позиций, в которых импульсы могут возникать в одном периоде повторения импульсов, и позиции импульсов находятся во взаимно однозначном соответствии с состояниями символа. В соответствии с соотношением между расстоянием между соседними положениями импульса и шириной импульса его можно разделить на частично перекрывающиеся PPM и ортогональные PPM (OPPM). В частично перекрывающемся PPM для обеспечения надежности передачи системы точки отрицательных импульсов функции автокорреляции импульсов обычно выбираются смежными друг с другом, тем самым максимизируя евклидово расстояние соседних символов. В OPPM положение импульса обычно определяется через интервалы ширины импульса. Приемник использует коррелятор для когерентного обнаружения в соответствующем месте. Ввиду сложности и ограничения мощности системы СШП в практических приложениях обычно используется метод модуляции 2PPM или 2OPPM.
Преимущество PPM заключается в том, что ему нужно только управлять положением импульса в соответствии с символом данных и не нужно контролировать амплитуду и полярность импульса, так что модуляция и демодуляция могут быть реализованы с меньшей сложностью. Таким образом, PPM является широко используемым методом модуляции в ранних СШП-системах. Однако, поскольку сигнал ФРМ является униполярным, в спектре излучения часто присутствуют дискретные спектральные линии с более высокими амплитудами. Если эти линии не будут подавлены, будет трудно выполнить требования FCC к спектру излучения.
(2) Амплитудно-импульсная модуляция
Амплитудно-импульсная модуляция (ПАМ) является одним из наиболее часто используемых методов модуляции для цифровых систем связи. В системах UWB не следует использовать многоканальный PAM (MPAM) из-за сложности реализации и энергоэффективности. Существует два способа использования PAM, обычно используемых в системах UWB: двухпозиционная манипуляция (OOK) и двоичная фазовая манипуляция (BPSK). Первый может уменьшить сложность приемника за счет использования некогерентного обнаружения, тогда как последний может лучше обеспечить надежность передачи за счет использования когерентного обнаружения.
По сравнению с 2PPM, BPSK позволяет получить более высокую надежность передачи при той же мощности излучения, и в спектре излучения отсутствует дискретный спектр.
(3) Модуляция формы волны
Модуляция формы волны (PWSK) — это схема модуляции, предложенная в сочетании с мультиортогональными формами волны, такими как импульсы Эрмита. В этом режиме модуляции M взаимно ортогональных импульсных сигналов равной энергии используются для переноса информации данных, и каждый импульсный сигнал соответствует одному M-арному символу данных. На принимающей стороне для приема сигнала используются M параллельных корреляторов, а для завершения восстановления данных используется обнаружение по методу максимального правдоподобия. Поскольку различные энергии импульсов равны, эффективность передачи может быть повышена без увеличения мощности излучения. В случае одинаковой ширины импульса может быть достигнута более высокая скорость передачи символов, чем MPPM. При той же скорости передачи его энергоэффективность и надежность выше, чем у MPAM. Поскольку этот метод модуляции требует большего количества формирующих фильтров и корреляторов, сложность реализации выше. Поэтому он редко используется в практических системах и в настоящее время ограничивается теоретическими исследованиями.