UWB 초광대역 안테나 3-10G 2.5 이득

Name: UWB 초광대역 안테나 3-10G 2.5 이득
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작동 주파수: 3-10G

전송 전력: 5W

전압 정재파: 2.5 미만

이득: 2.5

UWB의 기술적 특성:

(1) 높은 전송률과 큰 공간 용량

Shannon 채널 용량 공식의 경우 AWGN(가산성 백색 가우스 잡음) 채널에서 시스템의 오류 없는 전송 속도의 상한은 다음과 같습니다.

C=B×log2(1+SNR)

여기서 B(단위: Hz)는 채널 대역폭이고 SNR은 신호 대 잡음비입니다. UWB 시스템에서 신호 대역폭 B는 500MHz에서 7.5GHz로 높습니다. 따라서 SNR이 낮더라도 UWB 시스템은 짧은 거리에서 수백 메가헤르츠에서 1Gb/s의 전송률을 달성할 수 있다. 예를 들어 7GHz 대역폭을 사용하는 경우 신호 대 잡음비가 -10dB로 낮더라도 이론적 채널 용량은 1Gb/s에 도달할 수 있습니다. 따라서 UWB 기술은 공간 용량을 크게 향상시킬 수 있는 단거리 고속 전송 애플리케이션(예: 고속 WPAN)에 매우 적합합니다. 이론적 연구에 따르면 UWB 기반 WPAN의 공간 용량은 현재 WLAN 표준인 IEEE 802.11.a보다 1~2배 더 큽니다.

(2) 근거리 통신에 적합

FCC 규정에 따르면 UWB 시스템의 방사 전력은 매우 제한적이며 3.1GHz ~ 10.6GHz 대역의 총 방사 전력은 기존의 협대역 시스템보다 훨씬 낮은 0.55mW에 불과합니다. 전송 거리가 증가함에 따라 신호 전력은 계속 감소합니다. 따라서 수신 신호 대 잡음비는 전송 거리 SNRr(d)의 함수로 표현될 수 있다. Shannon 공식의 경우 채널 용량은 거리의 함수로 표현할 수 있습니다.

C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)

또한 초광대역 신호에는 매우 풍부한 주파수 성분이 있습니다. 무선 채널이 서로 다른 주파수 대역에서 서로 다른 페이딩 특성을 나타내는 것은 잘 알려져 있습니다. 고주파 신호 페이딩은 전송 거리가 증가함에 따라 매우 빠르기 때문에 UWB 신호의 왜곡을 유발하여 시스템 성능에 심각한 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 트랜시버 사이의 거리가 10m 미만일 때 UWB 시스템의 채널 용량은 5GHz 대역의 WLAN 시스템보다 높습니다. 트랜시버 사이의 거리가 12m를 초과하면 채널 용량에서 UWB 시스템의 이점이 더 이상 존재하지 않습니다. 따라서 UWB 시스템은 특히 근거리 통신에 적합합니다.

(3) 좋은 공존과 기밀 유지

UWB 시스템의 매우 낮은 방사 스펙트럼 밀도(-41.3dBm/MHz 미만)로 인해 기존 협대역 시스템의 경우 UWB 신호의 스펙트럼 밀도는 배경 잡음 수준보다 훨씬 낮습니다. 협대역 시스템에 대한 UWB 신호의 간섭은 광대역 백색으로 간주할 수 있습니다. 소음. 따라서 UWB 시스템은 기존의 협대역 시스템과 잘 공존할 수 있으며 이는 점점 더 엄격해지는 무선 스펙트럼 리소스의 활용도를 개선하는 데 매우 유용합니다. 동시에 매우 낮은 방사 스펙트럼 밀도는 UWB 신호를 매우 은폐하고 가로채기 어렵게 만들어 통신 기밀성을 향상시키는 데 매우 유용합니다.

(4) 강력한 다중 경로 분해능 및 높은 포지셔닝 정확도

UWB 신호는 지속 시간이 매우 짧은 좁은 펄스를 사용하기 때문에 시간 및 공간 분해능이 매우 강합니다. 따라서 UWB 신호의 다중 경로 분해능은 매우 높습니다. 매우 높은 다중경로 분해능은 UWB 신호에 고정밀 범위 지정 및 위치 지정 기능을 제공합니다. 통신 시스템의 경우 UWB 신호의 다중 경로 분해능을 변증법적으로 분석해야 합니다. 무선 채널의 시간 선택성과 주파수 선택성은 무선 통신 시스템의 성능을 제약하는 핵심 요소이다. 협대역 시스템에서는 구분할 수 없는 다중 경로로 인해 페이딩이 발생하는 반면 UWB 신호는 다이버시티 수신 기술을 사용하여 다중 경로를 분리하고 결합할 수 있습니다. 따라서 UWB 시스템은 강력한 페이딩 방지 기능을 가지고 있습니다. 그러나 UWB 신호의 다중 경로 분해능이 매우 높기 때문에 신호 에너지의 시간 분산(주파수 선택적 페이딩)이 심하고 수신기는 복잡성을 희생(다이버시티 수 증가)하여 충분한 신호 에너지를 캡처해야 합니다. 이것은 수신기 설계에 심각한 도전이 될 것입니다. 실제 UWB 시스템 설계에서 이상적인 비용 성능을 얻으려면 신호 대역폭과 수신기 복잡성을 절충해야 합니다.

(5) 소형 및 저전력 소모

전통적인 UWB 기술은 정현파 반송파를 필요로 하지 않으며, 데이터는 나노초 또는 서브 나노초 기저대역 내로우 펄스로 전송하도록 변조됩니다. 수신기는 상관기를 사용하여 신호 감지를 직접 수행합니다. 트랜시버에는 복잡한 반송파 주파수 변조/복조 회로 및 필터가 필요하지 않습니다. 따라서 시스템 복잡성을 크게 줄일 수 있으며 트랜시버 볼륨 및 전력 소비를 줄일 수 있습니다. FCC에 의한 UWB의 새로운 정의는 캐리어리스 펄스 형성의 어려움을 어느 정도 증가시킵니다. 그러나 반도체 기술의 발전과 새로운 펄스 생성 기술의 출현으로 UWB 시스템은 여전히 전통적인 UWB 기능의 작은 크기와 낮은 전력 소비를 계승하고 있습니다.

UWB 펄스 형성 기술:

모든 디지털 통신 시스템은 정보를 전달하기 위해 채널과 잘 일치하는 신호를 사용해야 합니다. 선형 변조 시스템의 경우 변조된 신호는 다음과 같이 균일하게 나타낼 수 있습니다.

s(t)=∑Ing(t -T ) (3)

여기서 In은 정보를 전달하는 개별 데이터 심볼의 시퀀스이며; T는 데이터 심볼의 지속시간;

g(t)는 시간 도메인 성형 파형입니다. 작동 주파수 대역, 신호 대역폭, 방사 스펙트럼 밀도, 대역 외 방사, 전송 성능, 구현 복잡성 및 통신 시스템의 기타 요소는 g(t)의 설계에 따라 달라집니다.

UWB 통신 시스템의 경우 성형 신호 g(t)의 대역폭은 500MHz보다 커야 하며 신호 에너지는 3.1GHz ~ 10.6GHz 대역에 집중되어야 합니다. 초기 UWB 시스템은 신호 스펙트럼이 2GHz 미만에 집중된 나노초/서브나노초 캐리어리스 가우시안 단일 주기 펄스를 사용했습니다. FCC의 UWB 재정의 및 스펙트럼 자원 할당은 신호 형성에 대한 새로운 요구 사항을 제시하며 신호 형성 체계를 조정해야 합니다. 최근 몇 년 동안 반송파 변조 기반 형성 기술, Hermit 직교 펄스 형성 및 타원파(PSWF) 직교 펄스 형성과 같은 많은 효과적인 방법이 등장했습니다.

가우스 단일 주기 펄스:

가우시안 단일주기 펄스, 즉 가우시안 펄스의 파생물이 가장 대표적인 캐리어리스 펄스입니다. 각 차수 펄스 파형은 가우시안 1차 도함수에서 연속적으로 도출하여 얻을 수 있습니다.

펄스 신호의 차수가 증가함에 따라 제로 크로싱 포인트의 수가 점차 증가하고 신호의 중심 주파수는 고주파 쪽으로 이동하지만 신호의 대역폭은 크게 변하지 않고 상대 대역폭은 점차 감소합니다. 초기 UWB 시스템은 1차, 2차 펄스를 사용했으며 신호 주파수 구성 요소는 DC에서 2GHz까지 계속되었습니다. FCC의 UWB에 대한 새로운 정의에 따르면 방사 스펙트럼 요구 사항을 충족하려면 4차 이상의 서브나노초 펄스를 사용해야 합니다. 그림 3은 일반적인 2ns 가우시안 단일 주기 펄스를 보여줍니다.

캐리어 변조 형성 기술:

원칙적으로 신호 -10dB 대역폭이 500MHz보다 크면 UWB 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 따라서 캐리어 탑재 통신 시스템을 위한 기존의 신호 형성 방식을 UWB 시스템으로 포팅할 수 있습니다. 이때 UWB 신호 설계는 저역 통과 펄스 설계로 변환되며 신호 스펙트럼은 반송파 변조에 의해 주파수 축에서 유연하게 이동할 수 있습니다.

반송파가 있는 성형 펄스는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t≤Tp) (4)

여기서 p(t)는 기간 Tp의 베이스밴드 펄스입니다. fc는 캐리어 주파수, 즉 신호 중심 주파수입니다. 기저대역 펄스 p(t)의 스펙트럼이 P(f)인 경우 최종 성형 펄스의 스펙트럼은 다음과 같습니다.

성형 펄스의 스펙트럼은 기저대역 펄스 p(t)에 따라 달라지며 p(t)의 -10dB 대역폭이 250MHz보다 크면 UWB 설계 요구 사항을 충족할 수 있음을 알 수 있습니다. 캐리어 주파수 fc를 조정하면 신호 스펙트럼을 3.1GHz ~ 10.6GHz 범위에서 유연하게 이동할 수 있습니다. FH(Frequency Hopping) 기술과 결합하면 FHMA(Frequency Hopping Multiple Access) 시스템을 편리하게 구축할 수 있습니다. 이 펄스 성형 기술은 많은 IEEE 802.15.3a 표준 제안에서 사용됩니다. 그림 4는 중심 주파수가 3.35GHz이고 -10dB 대역폭이 525MHz인 일반적인 반송파 보정 코사인 펄스를 보여줍니다.

에르미트 직교 펄스:

Hermite 펄스는 고속 UWB 통신 시스템을 위해 처음 제안된 직교 펄스 형성 방법의 한 종류입니다. 다중 펄스 변조와 결합하면 시스템 전송 속도를 효과적으로 높일 수 있습니다. 이 유형의 펄스 파형은 Hermite 다항식에서 파생됩니다. Pulse shaping 방식은 에너지가 저주파에 집중되어 각 차수의 파형의 파형이 크게 다른 것이 특징이며, 반송파를 이용하여 스펙트럼을 이동시킴으로써 FCC 요구사항을 만족시킬 수 있다.

PSWF 구적 펄스:

PSWF 펄스는 유사한 유형의 "시간 제한-대역 제한" 신호로, 대역 제한 신호 분석에 매우 좋은 영향을 미칩니다.

Hermite 펄스에 비해 PSWF 펄스는 스펙트럼 이동을 위한 복잡한 반송파 변조 없이 대상 주파수 대역 및 대역폭 요구 사항에 맞게 직접 설계할 수 있습니다. 따라서 PSWF 펄스는 캐리어리스 포밍 기술에 속하며 트랜시버의 복잡도를 단순화하는데 유리하다.

UWB 변조 및 다중 액세스 기술:

변조 방식은 신호가 정보를 전달하는 방식을 나타냅니다. 이는 통신 시스템의 유효성과 신뢰성을 결정할 뿐만 아니라 스펙트럼 구조와 신호의 수신기 복잡성에도 영향을 미칩니다. 다중 접속 기술이 채널을 공유하는 다중 사용자 문제를 해결한다는 문제에 대해 합리적인 다중 접속 체계는 다중 사용자 용량을 크게 향상시키면서 사용자 간의 간섭을 줄일 수 있습니다. UWB 시스템에 사용되는 변조 방식은 초광대역 펄스 기반 변조와 OFDM 기반 직교 다중 반송파 변조의 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 다중 액세스 기술에는 시간 호핑 다중 액세스, 주파수 호핑 다중 액세스, 직접 확산 코드 분할 다중 액세스 및 파장 분할 다중 액세스가 포함됩니다. 시스템 설계에서 변조 모드와 다중 액세스 모드를 합리적으로 결합할 수 있습니다.

UWB 변조 기술:

(1) 펄스 위치 변조

펄스 위치 변조(PPM)는 펄스 위치를 사용하여 데이터 정보를 전달하는 변조 방식입니다. 사용되는 개별 데이터 심볼 상태의 수에 따라 2PPM(Binary PPM)과 MPPM(Multi-ary PPM)으로 나눌 수 있습니다. 이 변조 방식에서는 하나의 펄스 반복 주기에서 펄스가 발생할 수 있는 위치가 2개 또는 M개이며, 펄스 위치는 기호 상태와 일대일로 대응됩니다. 인접한 펄스 위치 사이의 거리와 펄스 폭의 관계에 따라 부분 중첩 PPM과 직교 PPM(OPPM)으로 나눌 수 있습니다. 부분적으로 겹치는 PPM에서는 시스템 전송의 신뢰성을 보장하기 위해 일반적으로 펄스 자기상관 함수의 음의 펄스 지점을 서로 인접하도록 선택하여 인접한 기호의 유클리드 거리를 최대화합니다. OPPM에서 펄스 위치는 일반적으로 펄스 폭 간격으로 결정됩니다. 수신기는 해당 위치에서 코히어런트 검출을 수행하기 위해 상관기를 사용한다. UWB 시스템의 복잡성과 전력 제한을 고려하여 실제 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 변조 방법은 2PPM 또는 2OPPM입니다.

PPM의 장점은 데이터 기호에 따라 펄스 위치만 제어하면 되고 펄스 진폭과 극성을 제어할 필요가 없으므로 변조 및 복조를 더 낮은 복잡성으로 실현할 수 있다는 것입니다. 따라서 PPM은 초기 UWB 시스템에서 널리 사용되는 변조 방법입니다. 그러나 PPM 신호는 단극이기 때문에 종종 방사 스펙트럼에서 진폭이 더 높은 이산 스펙트럼 선이 있습니다. 이러한 선이 억제되지 않으면 방사 스펙트럼에 대한 FCC 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.

(2) 펄스 진폭 변조

펄스 진폭 변조(PAM)는 디지털 통신 시스템에서 가장 일반적으로 사용되는 변조 방법 중 하나입니다. UWB 시스템에서 MPAM(Multi-ary PAM)은 구현 복잡성과 전력 효율성을 위해 사용해서는 안 됩니다. UWB 시스템에서 일반적으로 사용되는 PAM을 사용하는 방법에는 OOK(On-Off Keying)와 BPSK(Binary Phase Shift Keying)의 두 가지가 있습니다. 전자는 논코히어런트 검출을 사용하여 수신기 복잡도를 줄일 수 있는 반면, 후자는 코히어런트 검출을 사용하여 전송 신뢰성을 더 잘 보장할 수 있습니다.

2PPM에 비해 BPSK는 동일한 방사 전력에서 더 높은 전송 신뢰성을 얻을 수 있으며 방사 스펙트럼에 이산 스펙트럼이 없습니다.

(3) 파형 변조

파형 변조(PWSK)는 Hermite 펄스와 같은 다중 직교 파형과 결합하여 제안된 변조 방식입니다. 이 변조 모드에서 M개의 상호 직교하는 동일한 에너지 펄스 파형이 데이터 정보를 전달하는 데 사용되며 각 펄스 파형은 하나의 M-ary 데이터 기호에 해당합니다. 수신단에서는 신호 수신을 위해 M개의 병렬 상관기가 사용되며 데이터 복구를 완료하기 위해 최대 우도 감지가 사용됩니다. 다양한 펄스 에너지가 동일하기 때문에 복사 전력을 증가시키지 않고도 전송 효율을 향상시킬 수 있습니다. 동일한 펄스 폭의 경우 MPPM보다 높은 심볼 전송률을 얻을 수 있습니다. 동일한 심볼 속도에서 전력 효율과 신뢰성이 MPAM보다 높습니다. 이 변조 방법은 더 많은 쉐이핑 필터와 상관기가 필요하기 때문에 구현 복잡성이 더 높습니다. 따라서 실제 시스템에서는 거의 사용되지 않으며 현재 이론 연구에 국한되어 있습니다.

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