Введение в технологию сверхширокополосной связи (UWB)

Изучите основы сверхширокополосного протокола беспроводной связи малого радиуса действия - технологии, которую можно найти в самых современных устройствах.

Сверхширокополосная связь (UWB), существующая 132 года назад, в настоящее время возрождается для беспроводного подключения устройств на короткие расстояния. Многие отраслевые обозреватели утверждают, что UWB может оказаться более успешным, чем Bluetooth, потому что он имеет более высокую скорость, дешевле, потребляет меньше энергии, более безопасен и обеспечивает превосходное обнаружение местоположения и определение диапазона устройств.

Такие компании, как Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch и Xtreme Spectrum, исследуют и инвестируют в технологию UWB. Фактически, Apple уже поставляет в свой iPhone 11 микросхемы UWB, обеспечивающие превосходную точность позиционирования и дальность за счет измерения «времени полета».

В этой статье мы рассмотрим основы сверхширокополосной технологии, включая ее происхождение, преимущества и общий обзор методов передачи.

Что такое СШП?

Сверхширокополосный (UWB) протокол беспроводной связи на малых расстояниях, такой как Wi-Fi или Bluetooth, использует радиоволны коротких импульсов в диапазоне частот от 3,1 до 10,5 ГГц в нелицензированных приложениях.

Термин UWB используется для полосы пропускания (BW), которая больше или равна 500 МГц, или для относительной ширины полосы (FBW), превышающей 20%, где FBW =BW / fc , где fc это центральная частота.

История UWB

История технологии СШП восходит к временам появления первого искусственного радио, когда Маркони использовал передатчики с искровым разрядником (короткие электрические импульсы) для беспроводной связи.

В 1920 году СШП-сигналы были запрещены к коммерческому использованию. Технология UWB была ограничена защитными приложениями в рамках строго засекреченных программ для безопасной связи. Лишь в 1992 году СШП начал привлекать заметное внимание в научном сообществе.

Развитие высокоскоростных микропроцессоров и методов быстрой коммутации сделали СШП коммерчески жизнеспособной для недорогой связи на малых расстояниях. Первые приложения включают радиолокационные системы, связь, бытовую электронику, беспроводные персональные сети, локализацию и медицинскую электронику. С того времени были получены подробные знания в области СШП-электромагнетизма, компонентов и системной инженерии.

В 2002 году Федеральная комиссия связи США (FCC) была первой организацией в мире, выпустившей правила UWB, разрешающие нелицензионное использование выделенного спектра. Однако допустимый предел мощности был установлен очень низким, чтобы избежать помех другим технологиям, работающим в этой полосе частот, таким как Wi-Fi, Bluetooth и т. Д.

Низкая спектральная плотность СШП сигналов привлекательна, делая СШП менее восприимчивыми к внутриполосным помехам от других узкополосных сигналов и очень безопасными, поскольку их трудно обнаружить из-за низкой плотности мощности.

Преимущества сверхширокополосной технологии

Очень широкая полоса пропускания сигналов СШП обеспечивает превосходные характеристики внутри помещений по сравнению с традиционными узкополосными системами.

Некоторые из возможностей этой полосы пропускания выделены ниже:

• Широкая полоса пропускания обеспечивает невосприимчивость к влиянию канала в плотной среде и обеспечивает очень точное пространственно-временное разрешение для высокоточного позиционирования узлов СШП внутри помещений, например, нового iPhone 11.
• Низкая спектральная плотность ниже уровня шума окружающей среды обеспечивает низкую вероятность обнаружения сигнала и повышает безопасность связи.
• Высокая скорость передачи данных позволяет передавать данные на короткие расстояния с помощью UWB.
• СШП-системы могут сосуществовать с уже развернутыми узкополосными системами.

Передача СШП

Для передачи данных используются два разных подхода:

• Ультракороткие импульсы в пикосекундном диапазоне, охватывающие все частоты одновременно (также называемые импульсными радиостанциями).
• Разделение общей полосы пропускания СШП на набор широкополосных каналов с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM).

Первый подход экономически эффективен за счет ухудшения отношения сигнал / шум. В общем, импульсная радиопередача не требует использования несущей, что означает меньшую сложность по сравнению с традиционными узкополосными приемопередатчиками (то есть более простой архитектурой приемопередатчиков), поскольку сигнал излучается напрямую через антенну СШП. Гауссовский моноцикл или одна из его производных является примером легко генерируемого СШП-импульса.

Второй подход использует спектр более эффективно и предлагает лучшую производительность и пропускную способность за счет увеличения сложности (т.е. требует обработки сигнала) и энергопотребления.

Выбор между двумя подходами зависит от приложений.

<час />

Что бы вы хотели узнать о СШП в дизайне электроники? Поделитесь своими мыслями и вопросами ниже.