Arbeitsfrequenz: 3-10G
Sendeleistung: 5W
Spannungsstehende Welle: weniger als 2,5
Gewinn: 2,5
Technische Eigenschaften von UWB:(1) Hohe Übertragungsrate und große Speicherplatzkapazität
Für die Shannon-Kanalkapazitätsformel ist die Obergrenze der fehlerfreien Übertragungsrate des Systems in einem Kanal mit additivem weißen Gaußschen Rauschen (AWGN):
C=B×log2(1+SNR)
Wobei B (Einheit: Hz) die Kanalbandbreite und SNR das Signal-Rausch-Verhältnis ist. In dem UWB-System ist die Signalbandbreite B so hoch wie 500 MHz bis 7,5 GHz. Selbst wenn das Signal-Rausch-Verhältnis SNR niedrig ist, kann das UWB-System daher eine Übertragungsrate von mehreren hundert Megahertz bis 1 Gb/s über eine kurze Distanz erreichen. Wenn Sie beispielsweise eine Bandbreite von 7 GHz verwenden, kann die theoretische Kanalkapazität selbst bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von nur -10 dB 1 Gbit/s erreichen. Daher eignet sich die UWB-Technologie sehr gut für Hochgeschwindigkeitsübertragungsanwendungen über kurze Entfernungen (wie z. B. Hochgeschwindigkeits-WPAN), wodurch die Raumkapazität erheblich verbessert werden kann. Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Platzkapazität von UWB-basierten WPANs ein bis zwei Größenordnungen höher ist als der aktuelle WLAN-Standard IEEE 802.11.a.
(2) Geeignet für Kurzstreckenkommunikation
Gemäß den FCC-Bestimmungen ist die Strahlungsleistung des UWB-Systems sehr begrenzt, und die Gesamtstrahlungsleistung im 3,1-GHz- bis 10,6-GHz-Band beträgt nur 0,55 mW, was viel niedriger ist als beim herkömmlichen Schmalbandsystem. Mit zunehmender Übertragungsdistanz nimmt die Signalleistung weiter ab. Daher kann das empfangene Signal-Rausch-Verhältnis als eine Funktion der Übertragungsdistanz SNRr (d) ausgedrückt werden. Für die Shannon-Formel kann die Kanalkapazität als Funktion der Entfernung ausgedrückt werden.
C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)
Außerdem haben Ultrabreitbandsignale eine extrem reiche Frequenzkomponente. Es ist allgemein bekannt, dass drahtlose Kanäle in unterschiedlichen Frequenzbändern unterschiedliche Schwundeigenschaften aufweisen. Da das Schwund des Hochfrequenzsignals mit zunehmender Übertragungsentfernung extrem schnell ist, verursacht dies eine Verzerrung des UWB-Signals, wodurch die Systemleistung ernsthaft beeinträchtigt wird. Untersuchungen zeigen, dass bei einem Abstand zwischen den Transceivern von weniger als 10 m die Kanalkapazität des UWB-Systems höher ist als die des WLAN-Systems mit 5-GHz-Band. Wenn der Abstand zwischen Transceivern 12 m überschreitet, besteht der Vorteil des UWB-Systems in Bezug auf die Kanalkapazität nicht mehr. Daher ist das UWB-System besonders für die Nahbereichskommunikation geeignet.
(3) Gute Koexistenz und Vertraulichkeit
Aufgrund der extrem niedrigen spektralen Strahlungsdichte des UWB-Systems (weniger als -41,3 dBm/MHz) liegt die spektrale Dichte des UWB-Signals für herkömmliche schmalbandige Systeme sogar unter dem Hintergrundrauschpegel. Die Störung des UWB-Signals auf das schmalbandige System kann als breitbandiges Weiß angesehen werden. Lärm. Daher haben UWB-Systeme eine gute Koexistenz mit herkömmlichen Schmalbandsystemen, was sehr vorteilhaft ist, um die Ausnutzung der immer knapper werdenden drahtlosen Frequenzressourcen zu verbessern. Gleichzeitig macht die extrem niedrige spektrale Strahlungsdichte das UWB-Signal sehr verborgen und schwer abzufangen, was für die Verbesserung der Vertraulichkeit der Kommunikation sehr vorteilhaft ist.
(4) Starke Mehrwegauflösung und hohe Positioniergenauigkeit
Da das UWB-Signal einen schmalen Puls mit sehr kurzer Dauer verwendet, sind seine zeitliche und räumliche Auflösung sehr stark. Daher ist die Mehrwegauflösung des UWB-Signals extrem hoch. Die extrem hohe Mehrwegauflösung verleiht dem UWB-Signal hochgenaue Entfernungs- und Positionierungsfähigkeiten. Für Kommunikationssysteme muss die Mehrwegauflösung von UWB-Signalen dialektisch analysiert werden. Die Zeitselektivität und die Frequenzselektivität des drahtlosen Kanals sind Schlüsselfaktoren, die die Leistung des drahtlosen Kommunikationssystems einschränken. In Schmalbandsystemen verursachen nicht unterscheidbare Mehrwege ein Fading, während UWB-Signale sie trennen und unter Verwendung von Diversity-Empfangstechniken kombinieren können. Daher hat das UWB-System eine starke Anti-Fading-Fähigkeit. Die extrem hohe Mehrwegauflösung des UWB-Signals führt jedoch auch zu einer starken Zeitdispersion (frequenzselektiver Schwund) der Signalenergie, und der Empfänger muss ausreichend Signalenergie erfassen, indem er Komplexität opfert (Erhöhung der Diversity-Zahl). Dies stellt eine ernsthafte Herausforderung für das Empfängerdesign dar. Beim tatsächlichen UWB-Systemdesign müssen die Signalbandbreite und die Komplexität des Empfängers Kompromisse eingehen, um das ideale Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen.
(5) Kleine Größe und geringer Stromverbrauch
Die herkömmliche UWB-Technologie erfordert keinen sinusförmigen Träger, und die Daten werden moduliert, um auf einem schmalen Basisbandimpuls im Nanosekunden- oder Sub-Nanosekundenbereich übertragen zu werden. Der Empfänger verwendet den Korrelator, um direkt eine Signaldetektion durchzuführen. Der Transceiver benötigt keine komplexen Schaltungen und Filter zur Modulation/Demodulation der Trägerfrequenz. Daher kann die Systemkomplexität stark reduziert werden und das Transceiver-Volumen und der Energieverbrauch können reduziert werden. Die neue Definition von UWB durch die FCC erhöht die Schwierigkeit der trägerlosen Pulsformung bis zu einem gewissen Grad. Mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie und dem Aufkommen neuer Impulserzeugungstechnologien erbt das UWB-System jedoch immer noch die geringe Größe und den geringen Stromverbrauch traditioneller UWB-Merkmale.
UWB-Pulsforming-Technologie:
Jedes digitale Kommunikationssystem muss ein Signal verwenden, das gut an den Kanal angepasst ist, um Informationen zu übertragen. Für lineare Modulationssysteme können die modulierten Signale einheitlich dargestellt werden als:
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
Wobei In eine Folge diskreter Datensymbole ist, die Informationen tragen; T eine Dauer von Datensymbolen ist;
g(t) ist eine Wellenform zur Zeitbereichsformung. Das Betriebsfrequenzband, die Signalbandbreite, die spektrale Strahlungsdichte, die Außerbandstrahlung, die Übertragungsleistung, die Implementierungskomplexität und andere Faktoren des Kommunikationssystems hängen von der Gestaltung von g(t) ab.
Für UWB-Kommunikationssysteme muss die Bandbreite des geformten Signals g(t) größer als 500 MHz sein und die Signalenergie sollte im Band von 3,1 GHz bis 10,6 GHz konzentriert sein. Frühe UWB-Systeme verwendeten trägerlose Gaußsche Einzelzyklusimpulse im Nanosekunden-/Sub-Nanosekundenbereich mit einem unter 2 GHz konzentrierten Signalspektrum. Die Neudefinition von UWB durch die FCC und die Zuweisung von Spektrumsressourcen stellen neue Anforderungen an die Signalformung, und das Signalformungsschema muss angepasst werden. In den letzten Jahren sind viele effektive Verfahren entstanden, wie z. B. trägermodulationsbasierte Formungstechniken, orthogonale Hermit-Pulsformung und orthogonale Ellipsoidwellen-(PSWF)-Pulsformung.
Gaußscher Einzelzyklusimpuls:
Gaußsche Einzelzyklusimpulse, d. h. die Ableitungen von Gaußschen Impulsen, sind die repräsentativsten trägerlosen Impulse. Impulswellenformen jeder Ordnung können durch sukzessive Ableitung von der Gaußschen ersten Ableitung erhalten werden.
Wenn die Ordnung des Impulssignals zunimmt, nimmt die Anzahl der Nulldurchgangspunkte allmählich zu, und die Mittenfrequenz des Signals bewegt sich in Richtung der hohen Frequenz, aber die Bandbreite des Signals ändert sich nicht wesentlich, und die relative Bandbreite nimmt allmählich ab. Frühe UWB-Systeme verwendeten Impulse erster Ordnung, zweiter Ordnung, und die Signalfrequenzkomponenten setzten sich von DC bis 2 GHz fort. Gemäß der neuen Definition der FCC für UWB müssen Sub-Nanosekunden-Pulse der Ordnung 4 oder höher verwendet werden, um die Anforderungen an das Strahlungsspektrum zu erfüllen. Abbildung 3 zeigt einen typischen 2-ns-Gaußschen Einzelzyklusimpuls.
Trägermodulationsformungstechnologie:
Im Prinzip können UWB-Anforderungen erfüllt werden, solange die Signalbandbreite von -10 dB größer als 500 MHz ist. Daher können herkömmliche Signalformungsschemata für Träger-ausgestattete Kommunikationssysteme auf UWB-Systeme portiert werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das UWB-Signaldesign in ein Tiefpass-Pulsdesign umgewandelt, und das Signalspektrum kann durch Trägermodulation flexibel auf der Frequenzachse verschoben werden.
Ein geformter Impuls mit einem Träger kann ausgedrückt werden als:
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
Wobei p(t) der Basisbandimpuls der Dauer Tp ist; fc ist die Trägerfrequenz, dh die Signalmittenfrequenz. Wenn das Spektrum des Basisbandpulses p(t) P(f) ist, ist das Spektrum des endgültig geformten Pulses:
Es ist ersichtlich, dass das Spektrum des geformten Impulses vom Basisbandimpuls p(t) abhängt und die UWB-Entwurfsanforderung erfüllt werden kann, solange die –10-dB-Bandbreite von p(t) größer als 250 MHz ist. Durch die Anpassung der Trägerfrequenz fc kann das Signalspektrum flexibel im Bereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz verschoben werden. Wenn es mit Frequenzsprung-(FH)-Technologie kombiniert wird, kann ein Frequenzsprung-Vielfachzugriff-(FHMA)-System bequem aufgebaut werden. Diese Impulsformungstechnik wird in vielen IEEE 802.15.3a-Standardvorschlägen verwendet. Bild 4 zeigt einen typischen trägerkorrigierten Cosinus-Puls mit einer Mittenfrequenz von 3,35 GHz und einer Bandbreite von -10 dB von 525 MHz.
Hermite orthogonaler Puls:
Hermite-Impulse sind eine Klasse orthogonaler Impulsformungsverfahren, die zuerst für Hochgeschwindigkeits-UWB-Kommunikationssysteme vorgeschlagen wurden. In Kombination mit einer mehrstufigen Pulsmodulation kann die Systemübertragungsrate effektiv erhöht werden. Diese Art von Pulswellenform wird vom Hermite-Polynom abgeleitet. Das Impulsformungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf die niedrige Frequenz konzentriert wird und die Wellenformen der Wellenformen der jeweiligen Ordnungen stark unterschiedlich sind und die FCC-Anforderungen durch Verwenden des Trägers zum Verschieben des Spektrums erfüllt werden können.
PSWF-Quadraturpuls:
Der PSWF-Puls ist ein ähnlicher Typ eines "Time-Limit-Band-Limit"-Signals, das sich sehr gut in der bandbegrenzten Signalanalyse auswirkt.
Im Vergleich zu Hermite-Pulsen können PSWF-Pulse direkt auf das Zielfrequenzband und die Bandbreitenanforderungen ausgelegt werden, ohne dass eine komplexe Trägermodulation zur spektralen Verschiebung erforderlich ist. Daher gehört der PSWF-Impuls zu der trägerlosen Formierungstechnik, was zum Vereinfachen der Komplexität des Transceivers vorteilhaft ist.
UWB-Modulation und Multiple-Access-Technologie:
Das Modulationsverfahren bezieht sich auf die Art und Weise, in der das Signal Informationen überträgt. Es bestimmt nicht nur die Gültigkeit und Zuverlässigkeit des Kommunikationssystems, sondern beeinflusst auch die Spektrumstruktur und die Empfängerkomplexität des Signals. Für das Problem, dass die Mehrfachzugriffstechnologie das Problem löst, dass sich mehrere Benutzer Kanäle teilen, kann ein vernünftiges Mehrfachzugriffsschema die Mehrbenutzerkapazität stark verbessern, während die Interferenz zwischen Benutzern verringert wird. Die in UWB-Systemen verwendeten Modulationsschemata können in zwei große Kategorien unterteilt werden: Modulation basierend auf Ultrabreitbandimpulsen und orthogonale Mehrträgermodulation basierend auf OFDM. Vielfachzugriffstechnologien umfassen: Vielfachzugriff mit Zeitsprung, Vielfachzugriff mit Frequenzsprung, Vielfachzugriff mit direkter Spreizcodeteilung und Vielfachzugriff mit Wellenlängenteilung. Bei der Systemauslegung können der Modulationsmodus und der Mehrfachzugriffsmodus sinnvoll kombiniert werden.
UWB-Modulationstechnologie:
(1) Pulspositionsmodulation
Pulspositionsmodulation (PPM) ist ein Modulationsschema, das Pulspositionen verwendet, um Dateninformationen zu übertragen. Gemäß der Anzahl der verwendeten diskreten Datensymbolzustände kann es in binäre PPM (2PPM) und mehrstufige PPM (MPPM) unterteilt werden. In diesem Modulationsmodus gibt es zwei oder M Positionen, an denen Pulse in einer Pulswiederholungsperiode auftreten können, und die Pulspositionen stehen in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit den Symbolzuständen. Gemäß der Beziehung zwischen dem Abstand zwischen benachbarten Impulspositionen und der Impulsbreite kann es in teilweise überlappende PPM und orthogonale PPM (OPPM) unterteilt werden. Bei der teilweise überlappenden PPM werden, um die Zuverlässigkeit der Systemübertragung sicherzustellen, die negativen Impulspunkte der Impulsautokorrelationsfunktion üblicherweise so ausgewählt, dass sie benachbart zueinander liegen, wodurch der euklidische Abstand benachbarter Symbole maximiert wird. Bei OPPM wird die Pulsposition normalerweise in Pulsbreitenintervallen bestimmt. Der Empfänger verwendet den Korrelator, um an der entsprechenden Stelle eine kohärente Detektion durchzuführen. Angesichts der Komplexität und Leistungsbegrenzung des UWB-Systems ist in praktischen Anwendungen das üblicherweise verwendete Modulationsverfahren 2PPM oder 2OPPM.
Der Vorteil von PPM besteht darin, dass es nur die Impulsposition gemäß dem Datensymbol steuern muss und nicht die Impulsamplitude und -polarität steuern muss, sodass Modulation und Demodulation mit geringerer Komplexität realisiert werden können. Daher ist PPM ein weit verbreitetes Modulationsverfahren in frühen UWB-Systemen. Da das PPM-Signal jedoch unipolar ist, gibt es oft diskrete Spektrallinien mit höheren Amplituden im Strahlungsspektrum. Wenn diese Linien nicht unterdrückt werden, wird es schwierig, die FCC-Anforderungen für das Strahlungsspektrum zu erfüllen.
(2) Pulsamplitudenmodulation
Pulsamplitudenmodulation (PAM) ist eines der am häufigsten verwendeten Modulationsverfahren für digitale Kommunikationssysteme. In UWB-Systemen sollte Multiary PAM (MPAM) aus Gründen der Implementierungskomplexität und Leistungseffizienz nicht verwendet werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, PAM zu verwenden, die üblicherweise in UWB-Systemen verwendet werden: On-Off Keying (OOK) und Binary Phase Shift Keying (BPSK). Ersteres kann die Empfängerkomplexität durch Verwendung von nicht-kohärenter Detektion reduzieren, während letzteres die Übertragungssicherheit durch Verwendung von kohärenter Detektion besser gewährleisten kann.
Verglichen mit 2PPM kann BPSK bei gleicher Strahlungsleistung eine höhere Übertragungszuverlässigkeit erzielen, und es gibt kein diskretes Spektrum im Strahlungsspektrum.
(3) Wellenformmodulation
Wellenformmodulation (PWSK) ist ein Modulationsschema, das in Kombination mit multi-orthogonalen Wellenformen wie etwa Hermite-Impulsen vorgeschlagen wird. In diesem Modulationsmodus werden M zueinander orthogonale Pulswellenformen gleicher Energie verwendet, um Dateninformationen zu übertragen, und jede Pulswellenform entspricht einem M-ären Datensymbol. Am Empfangsende werden M parallele Korrelatoren für den Signalempfang verwendet, und die Maximum-Likelihood-Erkennung wird verwendet, um die Datenwiederherstellung abzuschließen. Da die verschiedenen Impulsenergien gleich sind, kann die Übertragungseffizienz verbessert werden, ohne die Strahlungsleistung zu erhöhen. Bei gleicher Pulsbreite kann eine höhere Symbolübertragungsrate als MPPM erreicht werden. Bei gleicher Symbolrate sind Energieeffizienz und Zuverlässigkeit höher als bei MPAM. Da dieses Modulationsverfahren mehr Formfilter und Korrelatoren erfordert, ist der Implementierungsaufwand höher. Daher wird es in praktischen Systemen selten verwendet und ist derzeit auf die theoretische Forschung beschränkt.
