Оценка преимуществ сверхширокополосных систем с помощью импульсных радиостанций

На примере импульсных радиомодулей мы рассмотрим преимущества сверхширокополосной (UWB) технологии по сравнению с другими технологиями беспроводной связи малого радиуса действия.

Сверхширокополосный (UWB) - это технология беспроводной связи малого радиуса действия, такая как Wi-Fi или Bluetooth, которая использует очень большую относительную и / или абсолютную полосу частот для отправки и получения информации. Согласно правилам FCC, СШП-устройство может работать без лицензии в диапазоне 3,1–10,6 ГГц (PDF).

В этой статье мы рассмотрим некоторые важные характеристики технологии UWB.

UWB разделяет радиоспектр

Части частотного диапазона, выделенного для СШП, уже используются существующими системами связи. Например, как показано ниже, и 802.11ac - протокол связи WLAN с высокой пропускной способностью, и UWB разрешено использовать полосу частот около 5 ГГц.

Рисунок 1. Схема работы СШП ниже «минимального уровня шума». Изображение любезно предоставлено ITU

СШП пытается более эффективно использовать ограниченные ресурсы спектра.

Как технология UWB может использовать тот же спектр, что и существующие беспроводные системы, не создавая помех? Это достигается за счет ограничения спектральной плотности мощности электромагнитного сигнала, излучаемого СШП-передатчиком.

Согласно FCC (регулятор частоты США), спектральная плотность мощности СШП передатчика в помещении должна быть ниже -41,3 дБм / МГц в диапазоне от 3,1 до 10,6 ГГц. Это ограничивает помехи, создаваемые устройством СШП.

На рисунке 2 показана спектральная маска, утвержденная FCC для СШП передатчика внутри помещения.

Рисунок 2. Спектральная маска для внутреннего СШП передатчика. Изображение предоставлено компанией Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

UWB предлагает преимущества в отношении скорости передачи данных, устойчивости к эффекту многолучевого распространения, высокой точности определения дальности, низкого энергопотребления и простоты реализации. Давайте рассмотрим класс СШП-систем, называемых импульсными радиостанциями, чтобы лучше понять ключевые особенности этой технологии.

Импульсное радио

В то время как традиционные узкополосные системы связи передают непрерывный сигнал, импульсное радио передает сверхкороткие импульсы (менее 1 нс) для передачи информации.

После каждого импульса передатчик остается «молчаливым» в течение относительно длительного периода времени. Например, импульсное радио может передавать только один импульс длительностью 1 нс в течение каждых 100 нс интервалов времени. В этом случае мы говорим, что рабочий цикл составляет 1% (импульс присутствует только 1% времени передачи).

Рисунок 3. Типичная последовательность импульсов, передаваемая импульсным радио

Эти импульсы можно модулировать по-разному для передачи информации. На рисунке 4 ниже показано, как импульсная позиционная модуляция и двухфазная модуляция изменяют немодулированную последовательность.

Рисунок 4. Положение импульса и двухфазная модуляция изменяют немодулированную последовательность. Изображение предоставлено компанией Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Обратите внимание, что короткая продолжительность соответствует широкой полосе частот в частотной области. Следовательно, в зависимости от длительности сигнала широкополосный сигнал будет излучаться антенной передатчика СШП.

Рисунок 5. Сигналы, передаваемые импульсным радио, занимают большую полосу частот. Изображение любезно предоставлено Time Domain Corporation

И центральная частота, и полоса пропускания передаваемых сигналов полностью зависят от ширины импульса.

Низкое энергопотребление

Поскольку импульсы передаются только в течение небольшого процента времени передачи, средняя мощность, излучаемая передатчиком, очень мала. Имея мощность передачи порядка микроватт, СШП-устройство может продлить срок службы батареи.

Высокая скорость передачи данных

Хотя излучаемая мощность ограничена, СШП позволяет без лицензирования использовать чрезвычайно широкополосный спектр. Это позволяет нам иметь высокие скорости передачи данных (> 100 Мбит / с). Однако такая высокая скорость передачи данных может быть достигнута только на относительно коротком расстоянии передачи в 10 м. Это связано с тем, что для каждого бита информации излучается только очень низкая мощность.

При более низких скоростях передачи данных (<1 Мбит / с) мы можем использовать большой коэффициент расширения для поддержки больших расстояний. В следующей таблице сравнивается скорость передачи данных и дальность действия UWB с другими технологиями беспроводной связи внутри помещений.

Система	Максимальная скорость передачи данных (Мбит / с)	Расстояние передачи (м)
СШП	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

СШП по сравнению с сопоставимыми технологиями беспроводной связи внутри помещений. Данные любезно предоставлены компанией Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Устойчивость к эффекту многолучевого распространения

СШП-сигналы обладают большей устойчивостью к эффекту многолучевого распространения, чем традиционные беспроводные технологии. Предположим, что помимо прямого пути распространения электромагнитной волны от передатчика к приемнику существует еще один путь, вызванный отражениями от объекта.

Рисунок 6 Изображение эффекта многолучевого распространения

Время (t), необходимое для прохождения переданным сигналом общего расстояния (d) заданного пути, можно получить с помощью следующего уравнения:

d =c x t

где c обозначает скорость электромагнитной волны, которая составляет примерно 3✕10 ⁸ РС. Следовательно, для каждого передаваемого импульса на входе приемника появляются два импульса. Это проиллюстрировано на рисунке 7, на котором переданные и принятые импульсы показаны на одной диаграмме.

Рисунок 7. Для каждого переданного импульса на входе приемника появляются два импульса.

На этом рисунке два полученных импульса легко узнать, потому что они не перекрываются друг с другом. Однако в целом это не так. Изучая приведенный выше рисунок, мы видим, что импульсы не будут мешать - только если разница в задержке между двумя путями (t ₁ -t ₀ ) больше ширины импульса (PW).

Поскольку импульсы СШП имеют очень короткую длительность, импульсы, приходящие с разных путей, с большей вероятностью не будут мешать нашему желаемому импульсу. Следовательно, мы можем легко выделить полезный сигнал из сигналов, возникающих из-за нежелательных отражений. Это дает системе СШП большую невосприимчивость к эффекту многолучевого распространения. Альтернативно, энергия может быть суммирована приемником граблей.

Высокая точность дальности

Как обсуждалось выше, четкое временное разрешение СШП сигналов позволяет нам иметь систему, которая может разрешать многолучевые компоненты, не прибегая к сложным алгоритмам. Это делает UWB подходящим для приложений оценки дальности на основе времени прибытия (ToA).

Стоит упомянуть, что, хотя эти схемы масштабирования по времени выигрывают от высокого временного разрешения СШП сигналов, у них есть свои ограничения. Например, поскольку СШП-импульсы имеют очень короткую длительность, дрожание тактовой частоты становится ограничивающим фактором.

Заключение

Как мы видели на примере импульсных радиостанций, СШП может быть полезной технологией связи ближнего действия из-за его скорости передачи данных, устойчивости к эффекту многолучевого распространения, высокой точности определения дальности, низкого энергопотребления и простоты реализации. По этим причинам многие коммерческие разработчики обращаются к UWB вместо вариантов связи ближнего поля (NFC) для улучшения реализации проекта и безопасности.