Çalışma frekansı: 3-10G
İletim gücü: 5W
Gerilim duran dalga: 2,5'ten az
Kazanç: 2.5
UWB'nin teknik özellikleri:(1) Yüksek iletim hızı ve geniş alan kapasitesi
Shannon kanal kapasitesi formülü için, sistemin bir ek beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) kanalındaki hatasız iletim hızının üst sınırı şu şekildedir:
C=B×log2(1+SNR)
B (birim: Hz) kanal bant genişliği ve SNR, sinyal gürültü oranıdır. UWB sisteminde, sinyal bant genişliği B, 500 MHz ila 7,5 GHz kadar yüksektir. Bu nedenle, sinyal-gürültü oranı SNR düşük olsa bile, UWB sistemi kısa bir mesafede birkaç yüz megahertz ila 1 Gb/s iletim hızına ulaşabilir. Örneğin, -10 dB kadar düşük bir sinyal-gürültü oranıyla bile 7 GHz bant genişliği kullanırsanız, teorik kanal kapasitesi 1 Gb/sn'ye ulaşabilir. Bu nedenle UWB teknolojisi, alan kapasitesini büyük ölçüde artırabilen kısa mesafeli yüksek hızlı iletim uygulamaları (yüksek hızlı WPAN gibi) için çok uygundur. Teorik çalışmalar, UWB tabanlı WPAN'ların alan kapasitesinin, mevcut WLAN standardı IEEE 802.11.a'dan bir ila iki kat daha yüksek olduğunu göstermiştir.
(2) Kısa mesafeli iletişim için uygun
FCC düzenlemelerine göre, UWB sisteminin yayılan gücü çok sınırlıdır ve 3,1 GHz ila 10,6 GHz bandındaki toplam yayılan güç, geleneksel dar bant sisteminden çok daha düşük olan yalnızca 0,55 mW'dir. İletim mesafesi arttıkça, sinyal gücü azalmaya devam edecektir. Bu nedenle, alınan sinyal gürültü oranı iletim mesafesi SNRr(d)'nin bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir. Shannon formülü için, kanal kapasitesi mesafenin bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir.
C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)
Ayrıca, ultra geniş bant sinyalleri son derece zengin bir frekans bileşenine sahiptir. Kablosuz kanalların farklı frekans bantlarında farklı sönümleme özellikleri gösterdiği iyi bilinmektedir. Yüksek frekanslı sinyal sönümleme, iletim mesafesi arttıkça son derece hızlı olduğundan, bu UWB sinyalinin bozulmasına neden olarak sistem performansını ciddi şekilde etkiler. Araştırmalar, alıcı-vericiler arasındaki mesafe 10m'den az olduğunda, UWB sisteminin kanal kapasitesinin 5GHz bantlı WLAN sisteminden daha yüksek olduğunu göstermektedir. Alıcı-vericiler arasındaki mesafe 12m'yi geçtiğinde, UWB sisteminin kanal kapasitesindeki avantajı ortadan kalkacaktır. Bu nedenle, UWB sistemi özellikle kısa mesafeli iletişim için uygundur.
(3) İyi bir birliktelik ve gizlilik
UWB sisteminin son derece düşük radyasyon spektral yoğunluğu (-41,3dBm/MHz'den az) nedeniyle, geleneksel dar bant sistemleri için, UWB sinyalinin spektral yoğunluğu arka plan gürültü seviyesinin bile altındadır. UWB sinyalinin dar bant sistemine girişimi, geniş bant beyaz olarak kabul edilebilir. gürültü. Bu nedenle, UWB sistemleri, geleneksel dar bant sistemleriyle iyi bir birlikteliğe sahiptir ve bu, giderek daralan kablosuz spektrum kaynaklarının kullanımını geliştirmek için çok faydalıdır. Aynı zamanda, son derece düşük radyasyon spektral yoğunluğu, UWB sinyalini çok gizli ve yakalanmasını zorlaştırır, bu da iletişim gizliliğini geliştirmek için çok faydalıdır.
(4) Güçlü çoklu yol çözünürlüğü ve yüksek konumlandırma doğruluğu
UWB sinyali çok kısa süreli dar bir darbe kullandığından, süresi ve uzamsal çözünürlüğü çok güçlüdür. Bu nedenle, UWB sinyalinin çok yollu çözünürlüğü son derece yüksektir. Son derece yüksek çok yollu çözünürlük, UWB sinyaline yüksek doğrulukta menzil ve konumlandırma yetenekleri sağlar. İletişim sistemleri için, UWB sinyallerinin çok yollu çözünürlüğü diyalektik olarak analiz edilmelidir. Kablosuz kanalın zaman seçiciliği ve frekans seçiciliği, kablosuz iletişim sisteminin performansını sınırlayan temel faktörlerdir. Dar bant sistemlerinde, ayırt edilemeyen çoklu yollar solmaya neden olurken, UWB sinyalleri bunları ayırabilir ve çeşitlilik alım teknikleri kullanarak birleştirebilir. Bu nedenle, UWB sistemi güçlü bir solma önleme özelliğine sahiptir. Bununla birlikte, UWB sinyalinin son derece yüksek çok yollu çözünürlüğü ayrıca sinyal enerjisinde şiddetli zaman dağılımına (frekans seçici sönümleme) neden olur ve alıcının karmaşıklıktan ödün vererek (çeşitlilik sayısını artırarak) yeterli sinyal enerjisini yakalaması gerekir. Bu, alıcı tasarımı için ciddi bir zorluk oluşturacaktır. Gerçek UWB sistem tasarımında, ideal maliyet performansını elde etmek için sinyal bant genişliği ve alıcı karmaşıklığından ödün verilmelidir.
(5) Küçük boyut ve düşük güç tüketimi
Geleneksel UWB teknolojisi, sinüzoidal bir taşıyıcı gerektirmez ve veriler, bir nanosaniye veya nanosaniye altı temel bant dar darbesinde iletilecek şekilde modüle edilir. Alıcı, sinyal algılamayı doğrudan gerçekleştirmek için ilişkilendiriciyi kullanır. Telsiz, karmaşık taşıyıcı frekans modülasyonu/demodülasyon devreleri ve filtreleri gerektirmez. Bu nedenle, sistem karmaşıklığı büyük ölçüde azaltılabilir ve alıcı-verici hacmi ve güç tüketimi azaltılabilir. UWB'nin FCC tarafından yeni tanımı, taşıyıcısız darbe şekillendirmenin zorluğunu bir dereceye kadar artırıyor. Bununla birlikte, yarı iletken teknolojisinin gelişmesi ve yeni darbe üretim teknolojisinin ortaya çıkmasıyla, UWB sistemi hala geleneksel UWB özelliklerinin küçük boyutunu ve düşük güç tüketimini miras alıyor.
UWB darbe şekillendirme teknolojisi:
Herhangi bir dijital iletişim sistemi, bilgi taşımak için kanala iyi uyan bir sinyal kullanmalıdır. Doğrusal modülasyon sistemleri için, modüle edilmiş sinyaller tek tip olarak şu şekilde temsil edilebilir:
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
Burada In, bilgi taşıyan ayrık veri sembollerinin bir dizisidir; T, veri sembollerinin bir süresidir;
g(t), dalga formunu şekillendiren bir zaman alanıdır. Çalışma frekansı bandı, sinyal bant genişliği, radyasyon spektral yoğunluğu, bant dışı radyasyon, iletim performansı, uygulama karmaşıklığı ve iletişim sisteminin diğer faktörleri g(t)'nin tasarımına bağlıdır.
UWB iletişim sistemleri için, g(t) şeklindeki sinyalin bant genişliği 500 MHz'den büyük olmalı ve sinyal enerjisi 3,1 GHz ila 10,6 GHz bandında yoğunlaşmalıdır. İlk UWB sistemleri, 2 GHz'in altında konsantre bir sinyal spektrumu ile nanosaniye/alt nanosaniye taşıyıcısız Gauss tek döngü darbeleri kullandı. FCC'nin UWB'yi yeniden tanımlaması ve spektrum kaynaklarının tahsisi, sinyal şekillendirmeye yeni gereksinimler getirir ve sinyal şekillendirme şemasının ayarlanması gerekir. Son yıllarda, taşıyıcı modülasyonuna dayalı biçimlendirme teknikleri, Hermit ortogonal darbe şekillendirme ve elipsoidal dalga (PSWF) ortogonal darbe şekillendirme gibi birçok etkili yöntem ortaya çıkmıştır.
Gauss tek döngü darbesi:
Gauss tek döngü darbeleri, yani Gauss darbelerinin türevleri, en temsili taşıyıcısız darbelerdir. Her dereceli darbe dalga formu, Gauss birinci türevinden ardışık türetme ile elde edilebilir.
Darbe sinyalinin sırası arttıkça, sıfır geçiş noktalarının sayısı kademeli olarak artar ve sinyalin merkez frekansı yüksek frekansa doğru hareket eder, ancak sinyalin bant genişliği önemli ölçüde değişmez ve bağıl bant genişliği kademeli olarak azalır. İlk UWB sistemleri birinci dereceden, ikinci dereceden darbeler kullandı ve sinyal frekansı bileşenleri DC'den 2 GHz'e kadar devam etti. FCC'nin UWB'nin yeni tanımına göre, radyasyon spektrumu gereksinimlerini karşılamak için 4. dereceden veya daha yüksek nanosaniye altı darbeler kullanılmalıdır. Şekil 3, tipik bir 2 ns Gauss tek döngü darbesini göstermektedir.
Taşıyıcı modülasyonu şekillendirme teknolojisi:
Prensip olarak, sinyal -10dB bant genişliği 500MHz'den büyük olduğu sürece UWB gereksinimleri karşılanabilir. Bu nedenle, taşıyıcı donanımlı iletişim sistemleri için geleneksel sinyal şekillendirme şemaları, UWB sistemlerine taşınabilir. Şu anda, UWB sinyal tasarımı, düşük geçişli darbe tasarımına dönüştürülür ve sinyal spektrumu, taşıyıcı modülasyonu ile frekans ekseni üzerinde esnek bir şekilde hareket ettirilebilir.
Bir taşıyıcı ile şekillendirilmiş bir darbe şu şekilde ifade edilebilir:
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
Burada p(t), Tp süresinin temel bant darbesidir; fc taşıyıcı frekansıdır, yani sinyal merkez frekansıdır. Temel bant darbesinin p(t) spektrumu P(f) ise, son şekillendirilmiş darbenin spektrumu:
Şekilli darbenin spektrumunun temel bant darbesine p(t) bağlı olduğu görülebilir ve p(t)'nin -10 dB bant genişliği 250 MHz'den büyük olduğu sürece UWB tasarım gereksinimi karşılanabilir. Taşıyıcı frekansı fc ayarlanarak, sinyal spektrumu 3,1 GHz ila 10,6 GHz aralığında esnek bir şekilde hareket ettirilebilir. Frekans atlamalı (FH) teknolojisi ile birleştirilirse, bir frekans atlamalı çoklu erişim (FHMA) sistemi uygun şekilde oluşturulabilir. Bu darbe şekillendirme tekniği, birçok IEEE 802.15.3a standart teklifinde kullanılmaktadır. Şekil 4, merkez frekansı 3,35 GHz ve -10 dB bant genişliği 525 MHz olan tipik bir taşıyıcı düzeltmeli kosinüs darbesini göstermektedir.
Hermite ortogonal darbe:
Hermite darbeleri, ilk olarak yüksek hızlı UWB iletişim sistemleri için önerilen bir ortogonal darbe şekillendirme yöntemleri sınıfıdır. Çoklu darbe modülasyonu ile birleştiğinde, sistem aktarım hızını etkili bir şekilde artırabilir. Bu tür darbe dalga formu, Hermite polinomundan türetilmiştir. Darbe şekillendirme yöntemi, enerjinin düşük frekansta yoğunlaşması ve ilgili sıraların dalga biçimlerinin dalga biçimlerinin büyük ölçüde farklı olması ve spektrumu kaydırmak için taşıyıcı kullanılarak FCC gereksinimlerinin karşılanabilmesi ile karakterize edilir.
PSWF dördün darbesi:
PSWF darbesi, bant sınırlı sinyal analizinde çok iyi bir etkiye sahip olan benzer bir "zaman sınırı-bant sınırı" sinyalidir.
Hermite darbeleriyle karşılaştırıldığında, PSWF darbeleri, spektral kayma için karmaşık taşıyıcı modülasyonuna ihtiyaç duymadan doğrudan hedef frekans bandına ve bant genişliği gereksinimlerine göre tasarlanabilir. Bu nedenle, PSWF darbesi, alıcı-vericinin karmaşıklığını basitleştirmek için avantajlı olan taşıyıcısız oluşturma tekniğine aittir.
UWB modülasyonu ve çoklu erişim teknolojisi:
Modülasyon yöntemi, sinyalin bilgi taşıma şeklini ifade eder. Sadece iletişim sisteminin geçerliliğini ve güvenilirliğini belirlemekle kalmaz, aynı zamanda sinyalin spektrum yapısını ve alıcı karmaşıklığını da etkiler. Çoklu erişim teknolojisinin, kanalları paylaşan birden çok kullanıcı sorununu çözmesi sorunu için, makul bir çoklu erişim şeması, kullanıcılar arasındaki girişimi azaltırken çok kullanıcılı kapasiteyi büyük ölçüde geliştirebilir. UWB sistemlerinde kullanılan modülasyon şemaları iki geniş kategoriye ayrılabilir: ultra geniş bant darbelerine dayalı modülasyon ve OFDM'ye dayalı ortogonal çok taşıyıcılı modülasyon. Çoklu erişim teknolojileri şunları içerir: zaman atlamalı çoklu erişim, frekans atlamalı çoklu erişim, doğrudan yayılan kod bölmeli çoklu erişim ve dalga boyu bölmeli çoklu erişim. Sistem tasarımında modülasyon modu ve çoklu erişim modu makul bir şekilde birleştirilebilir.
UWB modülasyon teknolojisi:
(1) Darbe konumu modülasyonu
Darbe Konum Modülasyonu (PPM), veri bilgilerini taşımak için darbe konumlarını kullanan bir modülasyon şemasıdır. Kullanılan ayrık veri sembol durumlarının sayısına göre, ikili PPM (2PPM) ve çoklu PPM (MPPM) olarak ayrılabilir. Bu modülasyon modunda, darbelerin bir darbe tekrarlama periyodunda meydana gelebileceği iki veya M konumu vardır ve darbe konumları, sembol durumlarıyla bire bir karşılık gelir. Bitişik darbe konumları ile darbe genişliği arasındaki mesafe arasındaki ilişkiye göre, kısmen örtüşen PPM ve ortogonal PPM (OPPM) olarak ayrılabilir. Kısmen örtüşen PPM'de, sistem iletiminin güvenilirliğini sağlamak için, darbe otokorelasyon fonksiyonunun negatif darbe noktaları genellikle birbirine bitişik olacak şekilde seçilir, böylece bitişik sembollerin Öklid mesafesi maksimize edilir. OPPM'de, darbe konumu genellikle darbe genişliği aralıklarında belirlenir. Alıcı, karşılık gelen konumda tutarlı algılama gerçekleştirmek için ilişkilendiriciyi kullanır. UWB sisteminin karmaşıklığı ve güç sınırlaması göz önüne alındığında, pratik uygulamalarda yaygın olarak kullanılan modülasyon yöntemi 2PPM veya 2OPPM'dir.
PPM'nin avantajı, sadece veri sembolüne göre darbe konumunu kontrol etmeye ihtiyaç duyması ve darbe genliğini ve polaritesini kontrol etmesi gerekmemesidir, böylece modülasyon ve demodülasyon daha düşük karmaşıklıkla gerçekleştirilebilir. Bu nedenle PPM, erken UWB sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir modülasyon yöntemidir. Bununla birlikte, PPM sinyali tek kutuplu olduğundan, radyasyon spektrumunda genellikle daha yüksek genliklere sahip ayrık spektral çizgiler vardır. Bu çizgiler bastırılmazsa, radyasyon spektrumu için FCC gerekliliklerini karşılamak zor olacaktır.
(2) Darbe genlik modülasyonu
Darbe genlik modülasyonu (PAM), dijital haberleşme sistemleri için en yaygın kullanılan modülasyon yöntemlerinden biridir. UWB sistemlerinde, uygulama karmaşıklığı ve güç verimliliği için multi-ary PAM (MPAM) kullanılmamalıdır. UWB sistemlerinde yaygın olarak kullanılan PAM'i kullanmanın iki yolu vardır: On-Off Keying (OOK) ve Binary Phase Shift Keying (BPSK). İlki, tutarlı olmayan algılamayı kullanarak alıcı karmaşıklığını azaltabilirken, ikincisi tutarlı algılamayı kullanarak iletim güvenilirliğini daha iyi sağlayabilir.
2PPM ile karşılaştırıldığında BPSK, aynı radyasyon gücü altında daha yüksek iletim güvenilirliği elde edebilir ve radyasyon spektrumunda ayrı bir spektrum yoktur.
(3) Dalga biçimi modülasyonu
Dalga biçimi modülasyonu (PWSK), Hermite darbeleri gibi çok ortogonal dalga biçimleriyle kombinasyon halinde önerilen bir modülasyon şemasıdır. Bu modülasyon modunda, veri bilgilerini taşımak için M karşılıklı ortogonal eşit enerji darbe dalga biçimleri kullanılır ve her darbe dalga biçimi bir M-ary veri sembolüne karşılık gelir. Alıcı uçta, sinyal alımı için M paralel bağıntılayıcılar kullanılır ve veri kurtarmayı tamamlamak için maksimum olasılık tespiti kullanılır. Çeşitli darbe enerjileri eşit olduğundan, iletim verimliliği radyasyon gücünü artırmadan iyileştirilebilir. Aynı darbe genişliği durumunda, MPPM'den daha yüksek bir sembol iletim hızı elde edilebilir. Aynı sembol hızında, güç verimliliği ve güvenilirliği MPAM'den daha yüksektir. Bu modülasyon yöntemi daha fazla şekillendirme filtresi ve ilişkilendirici gerektirdiğinden, uygulama karmaşıklığı daha yüksektir. Bu nedenle, pratik sistemlerde nadiren kullanılır ve şu anda teorik araştırma ile sınırlıdır.