UWB超広帯域アンテナ3-10G2.5ゲイン

Name: UWB超広帯域アンテナ3-10G2.5ゲイン
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作業頻度: 3-10G

送信電力：5W

電圧定在波：2.5以下

ゲイン: 2.5

UWB の技術的特徴:

(1) 高い通信速度と大空間容量

シャノンチャネル容量の式の場合、加法的ホワイトガウスノイズ (AWGN) チャネルにおけるシステムのエラーのない伝送速度の上限は次のとおりです。

C=B×log2(1+SNR)

ここで、B (単位: Hz) はチャネル帯域幅、SNR は信号対雑音比です。ＵＷＢシステムでは、信号帯域Ｂは５００ＭＨｚから７．５ＧＨｚと高い。したがって、信号対雑音比の SNR が低くても、UWB システムは短距離で数百 MHz から 1 Gb/s の伝送速度を実現できます。たとえば、7 GHz の帯域幅を使用する場合、信号対雑音比が -10 dB と低くても、理論上のチャネル容量は 1 Gb/s に達する可能性があります。したがって、UWB テクノロジは、空間容量を大幅に改善できる近距離高速伝送アプリケーション (高速 WPAN など) に非常に適しています。理論的な研究によると、UWB ベースの WPAN の空間容量は、現在の WLAN 標準 IEEE 802.11.a よりも 1 ～ 2 桁大きいことが示されています。

(2) 近距離通信に適している

FCC 規制によると、UWB システムの放射電力は非常に制限されており、3.1GHz ～ 10.6GHz 帯域での総放射電力はわずか 0.55mW であり、従来の狭帯域システムよりもはるかに低くなります。伝送距離が長くなるにつれて、信号パワーは減衰し続けます。したがって、受信信号対雑音比は、伝送距離 SNRr (d ) の関数として表すことができます。シャノンの公式では、チャネル容量は距離の関数として表すことができます。

C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)

さらに、超広帯域信号には非常に豊富な周波数成分があります。無線チャネルが異なる周波数帯域で異なるフェージング特性を示すことはよく知られています。高周波信号のフェージングは、伝送距離が長くなるにつれて非常に速くなるため、UWB 信号の歪みを引き起こし、システムのパフォーマンスに深刻な影響を与えます。調査によると、トランシーバー間の距離が 10m 未満の場合、UWB システムのチャネル容量は、5GHz 帯の WLAN システムのチャネル容量よりも大きくなります。トランシーバー間の距離が 12m を超えると、チャネル容量における UWB システムの利点がなくなります。したがって、ＵＷＢシステムは近距離通信に特に適している。

(3) 良好な共存と機密性

UWB システムの放射スペクトル密度が非常に低い (-41.3dBm/MHz 未満) ため、従来の狭帯域システムでは、UWB 信号のスペクトル密度はバックグラウンドノイズレベルよりも低くなります。狭帯域システムへの UWB 信号の干渉は、広帯域ホワイトと見なすことができます。ノイズ。したがって、UWB システムは従来の狭帯域システムと良好に共存でき、ますます逼迫するワイヤレススペクトルリソースの利用を改善するのに非常に有益です。同時に、放射スペクトル密度が非常に低いため、UWB 信号は非常に隠蔽され、傍受が困難になります。これは、通信の機密性を向上させるのに非常に役立ちます。

(4) 強力なマルチパス分解能と高い測位精度

UWB 信号は非常に短い持続時間の狭いパルスを使用するため、その時間および空間分解能は非常に強力です。したがって、UWB信号のマルチパス分解能は非常に高いです。非常に高いマルチパス解像度により、UWB 信号に高精度の測距および測位機能が与えられます。通信システムでは、UWB 信号のマルチパス解像度を弁証法的に分析する必要があります。ワイヤレスチャネルの時間選択性と周波数選択性は、ワイヤレス通信システムのパフォーマンスを制約する重要な要素です。狭帯域システムでは、区別できないマルチパスがフェージングを引き起こしますが、UWB 信号はそれらを分離し、ダイバーシティ受信技術を使用してそれらを結合できます。したがって、UWB システムには強力なアンチフェージング機能があります。ただし、UWB 信号の非常に高いマルチパス解像度は、信号エネルギーの深刻な時間分散 (周波数選択性フェージング) にもつながります。受信機は、複雑さを犠牲にして (ダイバーシティ数を増やして) 十分な信号エネルギーをキャプチャする必要があります。これは、受信機の設計に深刻な課題をもたらします。実際の UWB システム設計では、理想的なコストパフォーマンスを得るために、信号帯域幅と受信機の複雑さを妥協する必要があります。

(5) 小型・低消費電力

従来のUWB技術は正弦波キャリアを必要とせず、データは変調されてナノ秒またはサブナノ秒のベースバンド狭パルスで送信されます。受信機は相関器を使用して信号検出を直接実行します。トランシーバーは、複雑なキャリア周波数変調/復調回路およびフィルターを必要としません。したがって、システムの複雑さを大幅に軽減し、トランシーバーのボリュームと消費電力を削減できます。 FCC による UWB の新しい定義により、キャリアレスパルス整形の難易度がある程度高くなります。しかし、半導体技術の発展と新しいパルス生成技術の出現により、UWBシステムは依然として従来のUWB機能の小型サイズと低消費電力を継承しています。

UWB パルスフォーミング技術:

どのようなデジタル通信システムでも、情報を伝送するチャネルによく一致する信号を使用する必要があります。線形変調システムの場合、変調信号は次のように一様に表すことができます。

s(t)=∑Ing(t -T ) (3)

ここで、Inは、情報を運ぶ離散データシンボルのシーケンスです。 T はデータシンボルの期間です。

g(t) は時間領域整形波形です。通信システムの動作周波数帯域、信号帯域幅、放射スペクトル密度、帯域外放射、伝送性能、実装の複雑さ、およびその他の要因は、g(t) の設計に依存します。

UWB 通信システムの場合、整形信号 g(t) の帯域幅は 500 MHz より大きくなければならず、信号エネルギーは 3.1 GHz ～ 10.6 GHz 帯域に集中する必要があります。初期の UWB システムは、信号スペクトルが 2 GHz 未満に集中した、ナノ秒/サブナノ秒のキャリアレスガウスシングルサイクルパルスを使用していました。 FCC による UWB の再定義とスペクトルリソースの割り当てにより、信号整形に新しい要件が課せられ、信号整形スキームを調整する必要があります。近年、キャリア変調ベースのフォーミング技術、Hermit 直交パルス整形、楕円波 (PSWF) 直交パルス整形など、多くの効果的な方法が登場しています。

ガウスシングルサイクルパルス:

ガウスシングルサイクルパルス、つまりガウスパルスの導関数は、最も代表的なキャリアレスパルスです。各次数のパルス波形は、ガウスの一次導関数から逐次導出することで取得できます。

パルス信号の次数が増加するにつれて、ゼロクロスポイントの数が徐々に増加し、信号の中心周波数は高周波に向かって移動しますが、信号の帯域幅は大きく変化せず、相対帯域幅は徐々に減少します。初期の UWB システムは、1 次パルスと 2 次パルスを使用し、信号周波数成分は DC から 2 GHz まで続きました。 UWB の FCC の新しい定義によると、放射スペクトル要件を満たすには、オーダー 4 以上のサブナノ秒パルスを使用する必要があります。図 3 は、典型的な 2 ns ガウスシングルサイクルパルスを示しています。

キャリア変調フォーミング技術:

原則として、信号の -10dB 帯域幅が 500MHz を超えていれば、UWB の要件を満たすことができます。したがって、キャリア装備通信システムの従来の信号整形方式は、UWB システムに移植することができます。このとき、UWB信号設計はローパスパルス設計に変換され、信号スペクトルはキャリア変調によって周波数軸上で柔軟に移動できます。

搬送波を含む整形パルスは、次のように表すことができます。

w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≦t≦Tp) (4)

ここで、p(t) は持続時間 Tp のベースバンドパルスです。 fc はキャリア周波数、つまり信号の中心周波数です。ベースバンドパルス p(t) のスペクトルが P(f) の場合、最終的な整形パルスのスペクトルは次のようになります。

成形パルスのスペクトルはベースバンドパルス p(t) に依存し、p(t) の -10 dB 帯域幅が 250 MHz より大きい限り、UWB 設計要件を満たすことができることがわかります。キャリア周波数 fc を調整することにより、信号スペクトルを 3.1 GHz ～ 10.6 GHz の範囲で柔軟に移動できます。周波数ホッピング（FH）技術と組み合わせると、周波数ホッピング多元接続（FHMA）システムを便利に構築できます。このパルス整形技術は、多くの IEEE 802.15.3a 標準提案で使用されています。図 4 は、中心周波数が 3.35 GHz、-10 dB 帯域幅が 525 MHz の典型的なキャリア補正されたコサインパルスを示しています。

エルミート直交パルス:

Hermite パルスは、高速 UWB 通信システム用に最初に提案された直交パルス整形方法のクラスです。多値パルス変調と組み合わせると、システムの伝送速度を効果的に高めることができます。このタイプのパルス波形は、エルミート多項式から導出されます。パルス整形方式は低周波にエネルギーが集中する特徴があり、各次数の波形の波形が大きく異なり、搬送波を用いてスペクトルをシフトすることでFCCの要求を満たすことができます。

PSWF直交パルス:

PSWF パルスは、同様のタイプの「タイムリミットバンドリミット」信号であり、帯域制限された信号解析に非常に効果的です。

Hermite パルスと比較して、PSWF パルスは、スペクトルシフトのための複雑なキャリア変調を必要とせずに、ターゲットの周波数帯域と帯域幅の要件に合わせて直接設計できます。したがって、PSWF パルスはキャリアレスフォーミング技術に属し、トランシーバの複雑さを単純化するのに有利です。

UWB変調と多元接続技術:

変調方式とは、信号が情報を運ぶ方法を指します。これは、通信システムの有効性と信頼性を決定するだけでなく、信号のスペクトル構造と受信機の複雑さに影響を与えます。複数のユーザーがチャネルを共有する問題を解決する多元接続テクノロジの問題については、合理的な多元接続方式を使用すると、ユーザー間の干渉を減らしながら、マルチユーザーの容量を大幅に向上させることができます。 UWB システムで使用される変調方式は、超広帯域パルスに基づく変調と、OFDM に基づく直交マルチキャリア変調の 2 つのカテゴリに大きく分けることができます。多元接続技術には、時間ホッピング多元接続、周波数ホッピング多元接続、直接拡散符号分割多元接続、および波長分割多元接続が含まれます。システム設計では、変調モードと多元接続モードを適切に組み合わせることができます。

UWB 変調技術:

(1) パルス位置変調

パルス位置変調 (PPM) は、パルス位置を使用してデータ情報を伝送する変調方式です。使用される離散データシンボルステートの数に応じて、バイナリ PPM (2PPM) とマルチアリ PPM (MPPM) に分けることができます。この変調モードでは、1 パルス繰り返し周期内にパルスが発生する可能性のある位置が 2 つまたは M 個あり、パルス位置はシンボル状態と 1 対 1 で対応しています。隣接するパルス位置間の距離とパルス幅の関係により、部分的に重複する PPM と直交する PPM (OPPM) に分けることができます。部分重複 PPM では、システム伝送の信頼性を確保するために、通常、パルス自己相関関数の負のパルスポイントが互いに隣接するように選択され、隣接するシンボルのユークリッド距離が最大化されます。 OPPM では、通常、パルス位置はパルス幅の間隔で決定されます。受信機は相関器を使用して、対応する位置でコヒーレント検出を実行します。 UWB システムの複雑さと電力制限を考慮して、実際のアプリケーションでは、一般的に使用される変調方式は 2PPM または 2OPPM です。

PPM の利点は、データシンボルに従ってパルス位置を制御するだけでよく、パルス振幅と極性を制御する必要がないため、変調と復調をより簡単に実現できることです。そのため、PPM は初期の UWB システムで広く使用されている変調方式です。ただし、PPM 信号はユニポーラであるため、放射スペクトルの振幅がより高い個別のスペクトル線が存在することがよくあります。これらの線が抑制されない場合、放射スペクトルの FCC 要件を満たすことは困難になります。

(2) パルス振幅変調

パルス振幅変調 (PAM) は、デジタル通信システムで最も一般的に使用される変調方式の 1 つです。 UWB システムでは、実装の複雑さと電力効率のために多項 PAM (MPAM) を使用しないでください。 UWB システムで一般的に使用される PAM を使用するには、オンオフキーイング (OOK) とバイナリ位相シフトキーイング (BPSK) の 2 つの方法があります。前者は非コヒーレント検出を使用することで受信機の複雑さを軽減できますが、後者はコヒーレント検出を使用することで伝送の信頼性をより確実に確保できます。

2PPM と比較して、BPSK は同じ放射電力の下でより高い伝送信頼性を得ることができ、放射スペクトルに離散スペクトルがありません。

(3) 波形変調

波形変調 (PWSK) は、エルミートパルスなどのマルチ直交波形と組み合わせて提案されている変調方式です。この変調モードでは、相互に直交する M 個の等エネルギーパルス波形がデータ情報を運ぶために使用され、各パルス波形は 1 つの M 進データシンボルに対応します。受信側では、M 個の並列相関器を使用して信号を受信し、最尤検出を使用してデータを完全に復元します。各パルスのエネルギーが等しいので、放射パワーを上げずに伝送効率を上げることができる。同じパルス幅の場合、MPPM よりも高いシンボル伝送速度を実現できます。同じシンボルレートで、その電力効率と信頼性は MPAM よりも高くなります。この変調方式では、より多くのシェーピングフィルターと相関器が必要になるため、実装の複雑さが高くなります。そのため、実用的なシステムで使用されることはほとんどなく、現在は理論的な研究に限定されています。

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