Frequência de trabalho: 3-10G
Potência de transmissão: 5W
Onda estacionária de tensão: menos de 2,5
Ganho: 2,5
Características técnicas do UWB:(1) Alta taxa de transmissão e grande capacidade de espaço
Para a fórmula de capacidade do canal de Shannon, o limite superior da taxa de transmissão livre de erros do sistema em um canal de ruído gaussiano branco aditivo (AWGN) é:
C=B×log2(1+SNR)
Onde B (unidade: Hz) é a largura de banda do canal e SNR é a relação sinal/ruído. No sistema UWB, a largura de banda do sinal B é de 500 MHz a 7,5 GHz. Portanto, mesmo que a relação sinal/ruído SNR seja baixa, o sistema UWB pode atingir uma taxa de transmissão de várias centenas de megahertz a 1 Gb/s em uma curta distância. Por exemplo, se você usar uma largura de banda de 7 GHz, mesmo com uma relação sinal/ruído tão baixa quanto -10 dB, a capacidade teórica do canal pode chegar a 1 Gb/s. Portanto, a tecnologia UWB é muito adequada para aplicações de transmissão de alta velocidade de curta distância (como WPAN de alta velocidade), o que pode melhorar muito a capacidade de espaço. Estudos teóricos mostraram que a capacidade de espaço de WPANs baseados em UWB é uma a duas ordens de grandeza maior do que o atual padrão WLAN IEEE 802.11.a.
(2) Adequado para comunicação de curta distância
De acordo com os regulamentos da FCC, a potência irradiada do sistema UWB é muito limitada e a potência total irradiada na banda de 3,1 GHz a 10,6 GHz é de apenas 0,55 mW, muito menor do que o sistema tradicional de banda estreita. À medida que a distância de transmissão aumenta, a potência do sinal continua a diminuir. Portanto, a relação sinal/ruído recebido pode ser expressa em função da distância de transmissão SNRr (d ). Pela fórmula de Shannon, a capacidade do canal pode ser expressa em função da distância.
C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)
Além disso, os sinais de banda ultralarga possuem um componente de frequência extremamente rico. É bem conhecido que os canais sem fio exibem diferentes características de desvanecimento em diferentes bandas de frequência. Como o desvanecimento do sinal de alta frequência é extremamente rápido à medida que a distância de transmissão aumenta, isso causa distorção do sinal UWB, afetando seriamente o desempenho do sistema. A pesquisa mostra que quando a distância entre os transceptores é inferior a 10 m, a capacidade do canal do sistema UWB é maior do que a do sistema WLAN com banda de 5 GHz. Quando a distância entre os transceptores exceder 12m, a vantagem do sistema UWB na capacidade do canal não existirá mais. Portanto, o sistema UWB é particularmente adequado para comunicação de curto alcance.
(3) Boa convivência e confidencialidade
Devido à densidade espectral de radiação extremamente baixa do sistema UWB (menos de -41,3dBm/MHz), para sistemas tradicionais de banda estreita, a densidade espectral do sinal UWB está abaixo do nível de ruído de fundo. A interferência do sinal UWB no sistema de banda estreita pode ser considerada como banda larga branca. barulho. Portanto, os sistemas UWB têm boa coexistência com os sistemas tradicionais de banda estreita, o que é muito benéfico para melhorar a utilização de recursos de espectro sem fio cada vez mais restritos. Ao mesmo tempo, a densidade espectral de radiação extremamente baixa torna o sinal UWB muito oculto e difícil de interceptar, o que é muito benéfico para melhorar a confidencialidade da comunicação.
(4) Forte resolução de multipercurso e alta precisão de posicionamento
Como o sinal UWB usa um pulso estreito com uma duração muito curta, seu tempo e resolução espacial são muito fortes. Portanto, a resolução de multipercurso do sinal UWB é extremamente alta. A resolução multipercurso extremamente alta dá ao sinal UWB capacidades de alcance e posicionamento de alta precisão. Para sistemas de comunicação, a resolução multipercurso dos sinais UWB deve ser analisada dialeticamente. A seletividade de tempo e a seletividade de frequência do canal sem fio são fatores-chave que restringem o desempenho do sistema de comunicação sem fio. Em sistemas de banda estreita, caminhos múltiplos indistinguíveis causarão desvanecimento, enquanto sinais UWB podem separá-los e combiná-los usando técnicas de recepção de diversidade. Portanto, o sistema UWB possui uma forte capacidade antidesbotamento. No entanto, a resolução multipercurso extremamente alta do sinal UWB também resulta em dispersão de tempo severa (fading seletivo de frequência) da energia do sinal, e o receptor deve capturar energia de sinal suficiente sacrificando a complexidade (aumentando o número de diversidade). Isso representará um sério desafio para o projeto do receptor. No projeto real do sistema UWB, a largura de banda do sinal e a complexidade do receptor devem ser comprometidas para obter o desempenho de custo ideal.
(5) Tamanho pequeno e baixo consumo de energia
A tecnologia UWB tradicional não requer uma portadora senoidal e os dados são modulados para transmitir em um pulso estreito de banda base de nanossegundos ou subnanossegundos. O receptor usa o correlacionador para realizar a detecção de sinal diretamente. O transceptor não requer circuitos e filtros complexos de modulação/demodulação de freqüência portadora. Portanto, a complexidade do sistema pode ser bastante reduzida e o volume do transceptor e o consumo de energia podem ser reduzidos. A nova definição de UWB pela FCC aumenta a dificuldade de modelagem de pulso sem portadora até certo ponto. No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores e o surgimento de uma nova tecnologia de geração de pulsos, o sistema UWB ainda herda o tamanho pequeno e o baixo consumo de energia dos recursos UWB tradicionais.
Tecnologia de formação de pulso UWB:
Qualquer sistema de comunicação digital deve utilizar um sinal que corresponda bem ao canal para transportar informações. Para sistemas de modulação linear, os sinais modulados podem ser uniformemente representados como:
s(t)=∑Ing(t -T ) (3)
Em que In é uma sequência de símbolos de dados discretos que transportam informações; T é uma duração de símbolos de dados;
g(t) é uma forma de onda de modelagem no domínio do tempo. A banda de frequência operacional, largura de banda do sinal, densidade espectral de radiação, radiação fora da banda, desempenho de transmissão, complexidade de implementação e outros fatores do sistema de comunicação dependem do projeto de g(t).
Para sistemas de comunicação UWB, a largura de banda do sinal g(t) deve ser maior que 500 MHz e a energia do sinal deve estar concentrada na faixa de 3,1 GHz a 10,6 GHz. Os primeiros sistemas UWB usavam pulsos gaussianos de ciclo único sem portadora de nanossegundos/subnanossegundos com um espectro de sinal concentrado abaixo de 2 GHz. A redefinição de UWB pela FCC e a alocação de recursos de espectro colocam novos requisitos na modelagem de sinal, e o esquema de modelagem de sinal deve ser ajustado. Nos últimos anos, muitos métodos eficazes surgiram, como técnicas de formação baseadas em modulação de portadora, modelagem de pulso ortogonal Hermit e modelagem de pulso ortogonal de onda elipsoidal (PSWF).
Pulso gaussiano de ciclo único:
Os pulsos gaussianos de ciclo único, ou seja, as derivadas dos pulsos gaussianos, são os pulsos sem portadora mais representativos. Cada forma de onda de pulso de ordem pode ser obtida por derivação sucessiva da primeira derivada gaussiana.
À medida que a ordem do sinal de pulso aumenta, o número de pontos de cruzamento zero aumenta gradualmente e a frequência central do sinal se move em direção à alta frequência, mas a largura de banda do sinal não muda significativamente e a largura de banda relativa diminui gradualmente. Os primeiros sistemas UWB usavam pulsos de primeira e segunda ordem e os componentes de frequência do sinal continuavam de DC a 2 GHz. De acordo com a nova definição de UWB da FCC, pulsos sub-nanossegundos de ordem 4 ou superior devem ser usados para atender aos requisitos do espectro de radiação. A Figura 3 mostra um pulso Gaussiano típico de ciclo único de 2 ns.
Tecnologia de formação de modulação de portadora:
Em princípio, os requisitos UWB podem ser atendidos desde que a largura de banda de -10dB do sinal seja maior que 500MHz. Portanto, os esquemas convencionais de modelagem de sinal para sistemas de comunicação equipados com portadora podem ser portados para sistemas UWB. Neste momento, o design do sinal UWB é convertido em um design de pulso passa-baixo, e o espectro do sinal pode ser movido de forma flexível no eixo de frequência pela modulação da portadora.
Um pulso formado com um portador pode ser expresso como:
w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)
Onde p(t) é o pulso de banda base de duração Tp; fc é a frequência da portadora, ou seja, a frequência central do sinal. Se o espectro do pulso de banda base p(t) for P(f), o espectro do pulso de formato final será:
Pode-se ver que o espectro do pulso moldado depende do pulso de banda base p(t), e o requisito de projeto UWB pode ser satisfeito desde que a largura de banda de -10 dB de p(t) seja maior que 250 MHz. Ao ajustar a frequência da portadora fc, o espectro do sinal pode ser movido de forma flexível na faixa de 3,1 GHz a 10,6 GHz. Se combinado com a tecnologia de salto de frequência (FH), um sistema de acesso múltiplo por salto de frequência (FHMA) pode ser convenientemente construído. Essa técnica de modelagem de pulso é usada em muitas propostas de padrão IEEE 802.15.3a. A Figura 4 mostra um pulso típico de cosseno corrigido pela portadora com uma frequência central de 3,35 GHz e uma largura de banda de -10 dB de 525 MHz.
Pulso ortogonal de Hermite:
Os pulsos Hermite são uma classe de métodos de modelagem de pulso ortogonal que foram propostos pela primeira vez para sistemas de comunicação UWB de alta velocidade. Combinado com a modulação de pulso multi-ary pode efetivamente aumentar a taxa de transmissão do sistema. Este tipo de forma de onda de pulso é derivado do polinômio de Hermite. O método de modelagem de pulso é caracterizado pelo fato de que a energia é concentrada na baixa frequência e as formas de onda das respectivas ordens são muito diferentes e os requisitos da FCC podem ser satisfeitos usando a portadora para mudar o espectro.
Pulso de quadratura PSWF:
O pulso PSWF é um tipo semelhante de sinal de "limite de banda de limite de tempo", que tem um efeito muito bom na análise de sinal de banda limitada.
Em comparação com os pulsos Hermite, os pulsos PSWF podem ser projetados diretamente para a banda de frequência alvo e os requisitos de largura de banda sem a necessidade de modulação de portadora complexa para deslocamento espectral. Portanto, o pulso PSWF pertence à técnica de formação sem portadora, que é vantajosa para simplificar a complexidade do transceptor.
Modulação UWB e tecnologia de acesso múltiplo:
O método de modulação refere-se à maneira pela qual o sinal transporta informações. Ele não apenas determina a validade e a confiabilidade do sistema de comunicação, mas também afeta a estrutura do espectro e a complexidade do receptor do sinal. Para o problema de que a tecnologia de acesso múltiplo resolve o problema de vários usuários compartilhando canais, um esquema razoável de acesso múltiplo pode melhorar muito a capacidade multiusuário enquanto reduz a interferência entre os usuários. Os esquemas de modulação usados em sistemas UWB podem ser divididos em duas grandes categorias: modulação baseada em pulsos de banda ultralarga e modulação ortogonal multiportadora baseada em OFDM. As tecnologias de acesso múltiplo incluem: acesso múltiplo com salto de tempo, acesso múltiplo com salto de frequência, acesso múltiplo por divisão de código de difusão direta e acesso múltiplo por divisão de comprimento de onda. No projeto do sistema, o modo de modulação e o modo de acesso múltiplo podem ser razoavelmente combinados.
Tecnologia de modulação UWB:
(1) Modulação de posição de pulso
Pulse Position Modulation (PPM) é um esquema de modulação que usa posições de pulso para transportar informações de dados. De acordo com o número de estados de símbolos de dados discretos usados, ele pode ser dividido em PPM binário (2PPM) e PPM multi-ário (MPPM). Neste modo de modulação, existem duas ou M posições onde os pulsos podem ocorrer em um período de repetição de pulso, e as posições dos pulsos estão em correspondência de um para um com os estados dos símbolos. De acordo com a relação entre a distância entre as posições de pulso adjacentes e a largura do pulso, pode ser dividido em PPM parcialmente sobreposto e PPM ortogonal (OPPM). No PPM parcialmente sobreposto, a fim de garantir a confiabilidade da transmissão do sistema, os pontos de pulso negativos da função de autocorrelação de pulso são geralmente selecionados para serem adjacentes uns aos outros, maximizando assim a distância euclidiana de símbolos adjacentes. No OPPM, a posição do pulso geralmente é determinada em intervalos de largura de pulso. O receptor usa o correlacionador para realizar a detecção coerente no local correspondente. Tendo em vista a complexidade e limitação de potência do sistema UWB, em aplicações práticas, o método de modulação comumente utilizado é 2PPM ou 2OPPM.
A vantagem do PPM é que ele só precisa controlar a posição do pulso de acordo com o símbolo de dados e não precisa controlar a amplitude e a polaridade do pulso, de modo que a modulação e a demodulação podem ser realizadas com menor complexidade. Portanto, o PPM é um método de modulação amplamente utilizado nos primeiros sistemas UWB. No entanto, como o sinal PPM é unipolar, geralmente existem linhas espectrais discretas com amplitudes maiores no espectro de radiação. Se essas linhas não forem suprimidas, será difícil atender aos requisitos da FCC para o espectro de radiação.
(2) Modulação de amplitude de pulso
A modulação por amplitude de pulso (PAM) é um dos métodos de modulação mais comumente usados para sistemas de comunicação digital. Em sistemas UWB, o PAM multi-ário (MPAM) não deve ser usado para complexidade de implementação e eficiência de energia. Existem duas maneiras de usar o PAM comumente usado em sistemas UWB: On-Off Keying (OOK) e Binary Phase Shift Keying (BPSK). O primeiro pode reduzir a complexidade do receptor usando detecção não coerente, enquanto o último pode garantir melhor a confiabilidade da transmissão usando detecção coerente.
Comparado com 2PPM, o BPSK pode obter maior confiabilidade de transmissão sob a mesma potência de radiação, e não há espectro discreto no espectro de radiação.
(3) Modulação de forma de onda
A modulação de forma de onda (PWSK) é um esquema de modulação proposto em combinação com formas de onda multiortogonais, como pulsos Hermite. Neste modo de modulação, M formas de onda de pulso de energia igual mutuamente ortogonal são usadas para transportar informações de dados, e cada forma de onda de pulso corresponde a um símbolo de dados M-ário. Na extremidade receptora, correlatores paralelos M são usados para recepção de sinal e a detecção de probabilidade máxima é usada para concluir a recuperação de dados. Como as várias energias de pulso são iguais, a eficiência da transmissão pode ser melhorada sem aumentar a potência de radiação. No caso da mesma largura de pulso, uma taxa de transmissão de símbolo mais alta que MPPM pode ser alcançada. Na mesma taxa de símbolo, sua eficiência de energia e confiabilidade são maiores do que MPAM. Como esse método de modulação requer mais filtros e correlacionadores de modelagem, a complexidade de implementação é maior. Portanto, raramente é usado em sistemas práticos e atualmente é limitado a pesquisas teóricas.
