De voordelen van ultrabreedbandsystemen beoordelen via impulsradio's

Met behulp van impulsradio's als voorbeeld zullen we de voordelen onderzoeken van ultrabreedband (UWB)-technologie in vergelijking met andere draadloze communicatietechnologieën op korte afstand.

Ultra-wideband (UWB) is een draadloze communicatietechnologie op korte afstand, zoals Wi-Fi of Bluetooth, die een zeer grote relatieve en/of absolute frequentieband gebruikt voor het verzenden en ontvangen van informatie. Volgens de FCC-voorschriften mag een UWB-apparaat zonder licentie worden gebruikt in de 3,1-10,6 GHz-band (PDF).

In dit artikel zullen we enkele van de belangrijke kenmerken van UWB-technologie bekijken.

UWB deelt het radiospectrum

Delen van het voor UWB toegewezen frequentiebereik worden al gebruikt door bestaande communicatiesystemen. Zoals hieronder wordt weergegeven, mogen zowel 802.11ac - een WLAN-communicatieprotocol met hoge doorvoer - als UWB de frequentieband rond 5 GHz gebruiken.

Figuur 1. Schema van de UWB die onder de "ruisvloer" werkt. Afbeelding gebruikt met dank aan ITU

UWB probeert de schaarse spectrumbronnen efficiënter te benutten.

Hoe kan de UWB-technologie hetzelfde spectrum gebruiken als bestaande draadloze systemen zonder interferentie te veroorzaken? Dit wordt bereikt door de spectrale vermogensdichtheid van het elektromagnetische signaal dat wordt uitgezonden door een UWB-zender te beperken.

Volgens de FCC (de Amerikaanse frequentieregelaar) moet de spectrale vermogensdichtheid van een UWB-zender binnenshuis lager zijn dan -41,3 dBm/MHz tussen 3,1 en 10,6 GHz. Dit beperkt de interferentie veroorzaakt door een UWB-apparaat.

Afbeelding 2 toont het door de FCC voorgeschreven spectrale masker voor een UWB-zender binnenshuis.

Afbeelding 2. Het spectrale masker voor een UWB-zender voor binnen. Afbeelding gebruikt met dank aan Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

UWB biedt voordelen met betrekking tot gegevensoverdrachtsnelheid, immuniteit voor het multipath-effect, hoge nauwkeurigheid, laag stroomverbruik en de eenvoud van implementatie. Laten we eens kijken naar een klasse UWB-systemen die impulsradio's worden genoemd om een ​​beter inzicht te krijgen in de belangrijkste kenmerken van deze technologie.

Impulsradio

Terwijl conventionele smalbandcommunicatiesystemen een continue golfvorm uitzenden, zendt een impulsradio ultrakorte pulsen (minder dan 1 ns) uit om informatie te communiceren.

Na elke puls blijft de zender relatief lang "stil". Een impulsradio kan bijvoorbeeld slechts één enkele puls van 1 ns uitzenden gedurende elke 100 ns tijdsinterval. In dit geval zeggen we dat de duty-cycle 1% is (de puls is slechts 1% van de zendtijd aanwezig).

Figuur 3. Een typische pulsreeks uitgezonden door een impulsradio

Deze pulsen kunnen op verschillende manieren worden gemoduleerd om informatie over te brengen. Afbeelding 4 hieronder laat zien hoe pulspositiemodulatie en bi-phase modulatie een ongemoduleerde sequentie veranderen.

Figuur 4. Pulspositie en bi-phase modulaties veranderen een ongemoduleerde sequentie. Afbeelding gebruikt met dank aan Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Merk op dat een korte tijdsduur overeenkomt met een brede bandbreedte in het frequentiedomein. Daarom wordt, afhankelijk van de signaalduur, een breedbandsignaal uitgezonden door de UWB-zenderantenne.

Figuur 5. De signalen die door een impulsradio worden uitgezonden, nemen een grote frequentieband in beslag. Afbeelding gebruikt met dank aan de Time Domain Corporation

Zowel de middenfrequentie als de bandbreedte van de verzonden signalen zijn volledig afhankelijk van de breedte van de puls.

Laag stroomverbruik

Omdat de pulsen slechts gedurende een klein percentage van de zendtijd worden uitgezonden, is het gemiddelde vermogen dat door de zender wordt uitgezonden zeer laag. Met een zendvermogen in de orde van grootte van microwatt kan een UWB-apparaat de levensduur van de batterij verlengen.

Hoge gegevenssnelheid

Hoewel het uitgestraalde vermogen beperkt is, maakt UWB gebruik van een extreem breedbandspectrum zonder licentie mogelijk. Hierdoor kunnen we hoge datasnelheden hebben (>100Mbit/s). Deze hoge datasnelheid kan echter alleen over een relatief korte overdrachtsafstand van 10 m worden bereikt. Dit komt omdat er voor elk stukje informatie slechts een zeer laag vermogen wordt afgegeven.

Bij lagere datasnelheden (<1 Mbit/s) kunnen we een grote spreidingsfactor gebruiken om langere afstanden te ondersteunen. De volgende tabel vergelijkt de datasnelheid en het bereik van UWB met andere draadloze communicatietechnologieën voor binnenshuis.

UWB versus vergelijkbare draadloze communicatietechnologieën voor binnenshuis. Gegevens gebruikt met dank aan Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robuusheid voor het Multipath-effect

UWB-signalen vertonen meer robuustheid voor het multipath-effect dan conventionele draadloze technologieën. Neem aan dat naast een direct pad voor de voortplanting van elektromagnetische golven van de zender naar de ontvanger, er een ander pad is dat wordt veroorzaakt door de reflecties van een object.

Figuur 6. Afbeelding van een multipath-effect

De tijd (t) die het verzonden signaal nodig heeft om de totale afstand (d) van een bepaald pad af te leggen, kan worden verkregen door de volgende vergelijking:

d =c x t

waarbij c de snelheid van de elektromagnetische golf aangeeft die ongeveer 3✕10 ⁸ . is Mevrouw. Dus voor elke puls die we uitzenden, verschijnen er twee pulsen aan de ingang van de ontvanger. Dit wordt geïllustreerd in figuur 7 waarin de verzonden en de ontvangen pulsen in één diagram worden weergegeven.

Figuur 7. Voor elke uitgezonden puls verschijnen er twee pulsen aan de ingang van de ontvanger.

In deze figuur zijn de twee ontvangen pulsen gemakkelijk herkenbaar omdat ze elkaar niet overlappen. Dit is echter in het algemeen niet het geval. Als we de bovenstaande afbeelding bekijken, kunnen we zien dat de pulsen niet interfereren - alleen als het vertragingsverschil tussen de twee paden (t₁ -t₀ ) groter is dan de pulsbreedte (PW).

Omdat UWB-pulsen een zeer korte duur hebben, is de kans groter dat de pulsen die van de verschillende paden komen niet interfereren met onze gewenste puls. Daarom kunnen we gemakkelijk het gewenste signaal extraheren uit die afkomstig van ongewenste reflecties. Dit geeft een UWB-systeem meer immuniteit voor het multipath-effect. Als alternatief kan de energie worden opgeteld door een harkontvanger.

Hoge bereiknauwkeurigheid

Zoals hierboven besproken, stelt de scherpe tijdresolutie van UWB-signalen ons in staat om een ​​systeem te hebben dat multipath-componenten kan oplossen zonder toevlucht te nemen tot complexe algoritmen. Dit maakt UWB geschikt voor time-of-arrival (ToA)-gebaseerde bereikschattingstoepassingen.

Het is de moeite waard om te vermelden dat hoewel deze schema's voor tijdbasisbereik profiteren van de hoge tijdresolutie van UWB-signalen, ze hun eigen beperkingen hebben. Omdat de UWB-pulsen bijvoorbeeld een zeer korte duur hebben, wordt klokjitter een beperkende factor.

Conclusie

Zoals we hebben gezien met impulsradio's, kan UWB een gunstige communicatietechnologie op korte afstand zijn vanwege de gegevensoverdrachtsnelheid, immuniteit voor het multipath-effect, hoge nauwkeurigheid, laag stroomverbruik en gemakkelijke implementatie. Om deze redenen wenden veel commerciële ontwikkelaars zich tot UWB in plaats van Near Field Communication (NFC)-opties om de implementatie en beveiliging van het ontwerp te verbeteren.