Señales de banda ultraancha

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Las señales de banda ultraancha (UWB) son señales de radio ( señales UHF ) con un ancho de banda “ultragrande” . Se utilizan para radares de banda ultraancha y radiocomunicaciones inalámbricas de banda ultraancha .

Definición

Hay varias definiciones de "banda ultraancha". En las tradiciones de la ingeniería de radio soviética y rusa, las señales con un ancho de banda de más de una octava se consideran de banda ultraancha, es decir, señales en las que el límite superior de la banda de frecuencia es más de 2 veces el límite inferior [1] . $\Delta F=(f_{superior}-f_{inferior})$ ${\ Displaystyle f_ {superior}}$ ${\ Displaystyle f_ {inferior}}$

En radar, se propuso (1985) llamar señales con un ancho de banda relativo de frecuencias

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{inferior}+f_{superior})/2}}\geqslant 0,5

[2] .

En radar, se ha propuesto otra definición de este término: las señales de banda ultraancha son señales de impulso que satisfacen la relación

{\ Displaystyle c \ tau \ ll L}

aquellos. la longitud espacial del pulso de radio ( es la duración de la señal o el ancho de su función de autocorrelación, es la velocidad de la luz) es mucho menor que el tamaño característico de la apertura emisora (receptora) o el tamaño del objeto que refleja la señal [ 3] . $c\tau$ $\tau$ $C$ $L$

A los efectos de las comunicaciones por radio, según la definición de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de EE. UU. (2002), se propone considerar señales de banda ultraancha con un ancho de banda relativo de al menos 20-25%, es decir

\mu ={\frac {\Delta F}{(f_{inferior}+f_{superior})/2}}\geqslant 0,2...0,25

o señales con un ancho de banda absoluto (en el rango de frecuencia de 3,1 - 10,6 GHz) [4] . $\Delta F\geqslant 500{\text{MHz))$

Reglamento

Desde 2002, en muchos países del mundo, se han asignado secciones del espectro en el rango de microondas para el uso sin licencia de señales de banda ultraancha en comunicaciones de radio inalámbricas.

En EE. UU., se permite el uso de señales UWB en el rango de 3,1…10,6 GHz [4] , mientras que la densidad espectral de potencia del transceptor UWB no debe exceder −41,3 dBm / MHz .

En la Federación Rusa, se ha asignado un rango de 2,85 ... 10,6 GHz para la comunicación inalámbrica en señales UWB [5] . En diferentes partes de este rango, la densidad espectral de potencia del transceptor UWB está limitada de -65 a -45 dBm / MHz (ver figura). Las secciones más “libres” son 6000... 8100 MHz (-47 dBm / MHz ), 8625... 9150 MHz (-47 dBm / MHz ), 9150... 10600 MHz (-45 dBm / MHz ).

En la Unión Europea, el rango más preferible es 6…8,5 GHz [6] , en el que la densidad espectral de potencia del transceptor está limitada a −41,3 dBm / MHz .

El uso sin licencia de señales UWB también está permitido en Corea del Sur, Japón, China y otros países.

Formación

Las señales de banda ultraancha se pueden representar mediante pulsos ultracortos (ultracortos) , señales OFDM , pulsos de radio caóticos y señales moduladas por chirp .

Pulsos ultracortos

La forma de los pulsos ultracortos [7] se describe mediante un monociclo gaussiano , es decir, la primera derivada de la conocida curva de distribución gaussiana :

A(t)=A_{0}{\sqrt {2e}}{\frac {t}{\Delta t}}\exp \left(-{\frac {t^{2}}{\Delta t^{2}}}\derecho)

donde es la duración del pulso y es su amplitud. El ancho del espectro de potencia del pulso es inversamente proporcional a la duración del pulso . La forma del espectro de potencia de dicho pulso se describe mediante la relación: $\Delta t$ $A_0$ $\Delta F$ $\Delta t$

S(f)=A_{0}{\sqrt {2\pi e}}f{\Delta t^{2}}\exp \left(-{\frac {f^{2}\Delta t ^{2}}{2}}\derecho)

Base de un pulso ultracorto . $B=\Delta t\Delta F\aprox. 1$

Cuando se utilizan pulsos con una duración de 2,0 ns a 0,1 ns, el ancho de banda del espectro de potencia es respectivamente de 500 MHz a 10 GHz. El espectro de la señal ocupa la banda de frecuencia de 0 a . $\Delta t$ ${\ estilo de visualización \ Delta F \ aproximadamente 1/\ Delta t}$

Ráfagas de pulsos ultracortos

Para codificar un símbolo de información, puede usar no un pulso ultracorto, sino paquetes de esos pulsos [8] . Al usar un paquete de N pulsos, la base de la señal aumenta N veces.

Al formar una ráfaga, la amplitud de cada pulso y su posición relativa al valor nominal del tiempo de emisión/recepción se establece de acuerdo con la secuencia de ensanchamiento del código. En este caso, es posible lograr un aumento en la inmunidad al ruido y/o proporcionar acceso a múltiples usuarios en el mismo rango de frecuencia (división de código del canal entre varios usuarios).

Una propiedad tanto de los pulsos ultracortos únicos como de las ráfagas de dichos pulsos es que el espectro de estas señales comienza casi desde la frecuencia cero. Esto dificulta el cumplimiento de las condiciones de máscara espectral para el uso sin licencia de señales UWB.

Breves ráfagas de radio

Los pulsos de radio cortos [9] permiten un control flexible de su espectro. Son trenes de oscilaciones sinusoidales con envolvente acampanada, descritos por la siguiente expresión:

A(t)=\exp \left(-{\frac {t^{2}}{2\Delta t^{2}}}\right)\cdot \sin(2\pi \cdot f_{ c}\cdot t)

donde es la duración característica de la envolvente del pulso de radio y es la frecuencia de oscilación central. El espectro de tal señal tiene la forma $\Delta t$ $f_{c}$

S(f)=\exp \left(-2(\pi (f\pm f_{c})\Delta t)^{2}\right)

Un pulso de radio corto se forma en dos etapas. Primero, en el rango de baja frecuencia ( banda base ), se forma un pulso de envolvente con una duración , que tiene una forma gaussiana, luego se multiplica con una señal portadora periódica con una frecuencia . La señal así obtenida tiene un ancho de espectro y una frecuencia central . Fondo de señal . $\Delta t$ $f_{c}$ ${\ estilo de visualización \ Delta F \ aproximadamente 1/\ Delta t}$ $f_{c}$ ${\ estilo de visualización B \ aproximadamente 1}$

Ráfagas de pulsos de radio cortos

Las ráfagas de pulsos de radio cortos [9] [10] , como en el caso de los pulsos ultracortos, se utilizan para aumentar la base de la señal y obtener modulación adicional y capacidades de acceso multiusuario. Se forman de acuerdo con las secuencias de ensanchamiento, de modo que el símbolo de información se codifica mediante una ráfaga de KRI. En este caso, la base de la señal aumenta por un factor de N, donde N es el número de pulsos en una ráfaga.

Los paquetes de pulsos de radio cortos brindan oportunidades adicionales para organizar el acceso múltiple asociado con la separación de señales de diferentes grupos de usuarios por frecuencia.

Señales de multiplexación de frecuencia ortogonal ( OFDM )

La señal está formada por subportadoras armónicas espaciadas en frecuencia a intervalos iguales [11] . En otras palabras, el ancho de banda total ocupado por la señal se divide en subcanales. Todas las subportadoras son mutuamente ortogonales en el intervalo de duración del pulso , dentro del cual se encuentra el símbolo OFDM ( ). Para transmitir la información, cada una de las subportadoras se modula de forma independiente mediante métodos de modulación por desplazamiento de fase (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), de manera que cada subportadora genera su propia señal, que se suman antes de ser emitidas al aire, formando una señal OFDM. $norte$ $\Delta f$ $\Delta F$ $norte$ $T_{s}$ $T_{s}=1/\Delta f$

Las señales OFDM se caracterizan por una gran variabilidad en amplitud y, como resultado, un gran factor de cresta (ver figura). La señal UWB OFDM ocupa una banda de frecuencia de unos 500 MHz. La base de la señal UWB OFDM varía de 1 a 10 dependiendo de la tasa de transmisión.

El acceso múltiple se puede organizar asignando diferentes partes del rango de frecuencia disponible a diferentes usuarios.

Pulsos de radio caóticos

Los pulsos de radio caóticos son fragmentos de una señal caótica que se genera directamente en el rango de frecuencia requerido [12] [13] . La formación de pulsos se lleva a cabo ya sea por modulación externa, o por modulación interna en el generador de transistores de oscilaciones caóticas [14] [15] .

Una característica del pulso de radio caótico de banda ultraancha es que su espectro es prácticamente independiente de la duración del pulso. Esto se debe al hecho de que el espectro de las oscilaciones caóticas iniciales ya es de banda ultraancha, y la ampliación del espectro con la disminución de la duración del pulso es insignificante.

Matemáticamente, esto se expresa de la siguiente manera. El ancho característico del espectro de potencia del flujo de pulsos de radio caóticos es , donde es el ancho de banda de la señal caótica, es el ancho característico del espectro del pulso de video modulador. Siempre que la duración del pulso de video modulador satisfaga la relación , es decir el pulso contiene más de varios cuasi-períodos de oscilaciones caóticas, el ancho del espectro de potencia del flujo de pulsos de radio caóticos prácticamente coincide con el ancho de una señal caótica continua. ${\ estilo de visualización \ Delta F \ aproximadamente \ Delta f + 2 \ Delta s}$ $\Delta f$ $\Delta s$ $\Delta t$ $\Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f$

La base de un pulso de radio caótico está determinada por el producto del ancho de banda y la duración de la señal caótica y puede variar en un amplio rango aumentando la duración, alcanzando fácilmente cientos y miles si es necesario. $B=\Delta t\Delta F$

Chirp pulsos ( chirridos )

Los pulsos de chirrido de banda ultraancha son señales de pulso, dentro del pulso, la frecuencia cambia de acuerdo con una ley lineal, ya sea aumentando o disminuyendo [16]

A(t)=A_{0}(T)\sin \left(2\pi f_{0}t\pm \pi \alpha t^{2}\right)

donde está la envolvente chirp del pulso descrita por la campana de Gauss, es la frecuencia de oscilación inicial (al comienzo del pulso), es la tasa de sintonización de frecuencia. ${\ estilo de visualización A_ {0} (T)}$ $f_0$ $\alfa$

La base del pulso chirp es , puede exceder 1, pero no puede ser grande. $B=\Delta t\Delta F$

Aplicación

Ultra banda ancha
Sistemas de comunicación caótica directa
Radar de banda ultraancha
Redes de comunicación a nivel personal ( WPAN )
Redes "portátiles", redes "portátiles", red de área del cuerpo ( BAN )
Sensor de redes inalámbricas

Estandarización

El uso de señales de banda ultra ancha en el campo de la comunicación en el rango de 3-10 GHz está regulado por los siguientes estándares:

802.15.3a es un estándar de comunicación de banda ultraancha de alta velocidad fallido de facto. Se planificaron velocidades desde 110 Mbps a 10 m hasta 480 Mbps a 1 m Se formaron dos enfoques diferentes: (1) la MBOA-UWB ( Multi-Band OFDM Alliance ) propuso el uso de señales OFDM de 500 MHz, (2) DS- El Foro UWB (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) promovió los pulsos ultracortos. Dado que las partes no lograron ponerse de acuerdo sobre las posiciones, se interrumpió el trabajo sobre la norma. Como resultado, cada una de las alianzas continuó trabajando de forma independiente. La tecnología MBOA-UWB formó la base de WirelessUSB (consulte el artículo de especificación de Wireless USB ). En 2008, se adoptaron los estándares de comunicación de alta velocidad ECMA-368 y ECMA-369, basados en la plataforma WiMedia UWB [17] .
802.15.4a [16] es una extensión del estándar IEEE 802.15.4 para redes inalámbricas de sensores ( WPAN ), que introduce un nuevo tipo de señales ( UWB ) para la capa física (PHY), adoptado a finales de 2007. Como UWB señales, el estándar describe: ráfagas de pulsos ultracortos, pulsos de radio caóticos , pulsos chirp. Velocidades de transferencia de hasta 1 Mbps, alcance de hasta 30 m (opcional 100 m).
802.15.6 es un estándar para redes de sensores inalámbricos en o cerca del cuerpo humano ( red de área del cuerpo ). Adoptado en marzo de 2012. Los pulsos de radio caóticos se describen en el estándar como señales UWB .

Notas

↑ sin enlace todavía
↑ Vagranov M. E., Zinoviev Yu. S., Astanin L. Yu., Kostylev A. A., Sarychev V. A., Snezhinsky S. K., Dmitriev B. D. Respuesta de radar de aeronaves. - M.: Radio y comunicación, 1985. - 320 p.
↑ Immoreev I. Ya. Radares de banda ultra ancha: nuevas oportunidades, problemas inusuales, características del sistema // Boletín de MSTU. Ser. Instrumentación - 1998
↑ 1 2 Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU. (FCC) Decisión No. FCC 02-48 del 14/02/2002 . Consultado el 25 de abril de 2012. Archivado desde el original el 21 de marzo de 2006. (indefinido)
↑ Decisión del Comité Estatal de Radiofrecuencias N° 09-05-02 del 15 de diciembre de 2009. Archivado el 19 de octubre de 2013.
↑ Mandato de estandarización enviado a CEN/CENELEC/ETSI para estándares armonizados que cubren equipos de banda ultraancha. Comisión Europea. Secretaría TCAM. Bruselas, 19 de abril de 2007 (enlace no disponible) . Consultado el 14 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2017. (indefinido)
↑ Win MZ, radio Scholtz RA Impulse: cómo funciona. IEEECommun. Letón. 1998. V. 2. No. 2. Pág. 36.
↑ J. McCorkley. Un tutorial sobre la tecnología de banda ultraancha. Grupo de trabajo IEEE 802.15, presentación. — Nueva York: IEEE, 2000. . Consultado el 14 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2013. (indefinido)
↑ 1 2 Propuesta de Kelly J. Time Domain para una capa PHY alternativa multibanda UWB para 802.15.3a. — Nueva York: IEEE, 2003. . Consultado el 14 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2016. (indefinido)
↑ Matt Welborn, Propuesta TG4a para DS-UWB de tarifa baja (DS-UWB-LR). — Nueva York: IEEE, 2005. . Consultado el 15 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 7 de marzo de 2016. (indefinido)
↑ Anuj Batra et al., Propuesta de capa física OFDM multibanda. Presentación del grupo de trabajo IEEE 802.15.3a. — Nueva York: IEEE, 2003. . Consultado el 15 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2013. (indefinido)
↑ Dmitriev A. S., Kyarginsky B. E., Maksimov N. A. et al. Perspectivas para la creación de sistemas de comunicación caótica directa en las bandas de radio y microondas. - Ingeniería de radio, 2000, N° 3, p. 9.
↑ Dmitriev A. S., Kletsov A. V., Laktyushkin A. M. et al. Comunicación inalámbrica de banda ultraancha basada en caos dinámico. Radio ingeniería y electrónica , 2006, vol.51, no.10, p. 1193.
↑ Dmitriev A. S., Efremova E. V., Kuzmin L. V. Generación de una secuencia de pulsos caóticos bajo la influencia de una señal periódica en un sistema dinámico. Cartas a ZhTF , 2005, vol.31, no.22, p. 29
↑ Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Formando pulsos en un oscilador caótico no autónomo. En t. J. Bifurcación y caos , 2007, v. 17, nº 10, pág. una.
↑ 12 802.15.4a -2007. Estándar IEEE para tecnología de la información - Telecomunicaciones e intercambio de información entre sistemas - Redes de área local y metropolitana - requisito específico Parte 15.4: Control de acceso al medio inalámbrico (MAC) y especificaciones de capa física (PHY) para redes de área personal inalámbricas (WPAN) de baja velocidad. Nueva York: IEEE, 2007.
↑ Estándar ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY y MAC Standard . Consultado el 15 de abril de 2013. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2013. (indefinido)

Varganov M.E., Zinoviev Yu.S., Astanin L.Yu. y otros / ed. L. T. Tuchkov. Características del radar de las aeronaves.- M .: Radio y comunicación, 1985, 236 s

Véase también

Ultra banda ancha
Sistemas de comunicación caótica directa
Sensor de redes inalámbricas