Сверхширокополосные сигналы
Сверхширокополосные (СШП) сигналы — радиосигналы (СВЧ-сигналы) со «сверхбольшой» шириной полосы частот. Применяются для сверхширокополосной радиолокации и беспроводной сверхширокополосной радиосвязи.
Определение
Существует несколько определений «сверхширокополосности». В традициях советской и российской радиотехники сверхширокополосными считаются сигналы с шириной полосы более октавы, то есть сигналы, у которых верхняя граница полосы частот более чем в 2 раза превышает нижнюю границу [1].
В радиолокации сверхширокополосными было предложено (1985 г.) называть сигналы с относительной шириной полосы частот
- [2].
В радиолокации предложено ещё одно определение этого термина: сверхширокополосными называют импульсные сигналы, удовлетворяющие соотношению
- ,
т.е. пространственная длина радиоимпульса ( — длительность сигнала или ширина его автокорреляционной функции, — скорость света) много меньше характерного размера излучающей (приемной) апертуры или размера объекта, отражающего сигнал[3].
Для целей радиосвязи, согласно определению Федеральной комиссии по связи (FCC) США (2002 г.), сверхширокополосными предлагается считать сигналы с относительной шириной полосы не менее 20-25 %, то есть
либо сигналы с абсолютной шириной полосы (в диапазоне частот 3,1 — 10,6 ГГц) [4].
Регулирование
Начиная с 2002 г. во многих странах мира для безлицензионного использования сверхширокополосных сигналов в беспроводной радиосвязи выделены участки спектра в СВЧ-диапазоне.
В США СШП сигналы разрешено использовать в диапазоне 3,1…10,6 ГГц[4], при этом спектральная плотность мощности СШП приемопередатчика не должна превышать −41,3 дБм/МГц.
В Российской Федерации для беспроводной связи на СШП сигналах выделен диапазон 2,85…10,6 ГГц[5]. В разных участках этого диапазона на спектральную плотность мощности СШП приемопередатчика наложены ограничения от −65 до −45 дБм/МГц (см. рисунок). Наиболее «свободные» участки — 6000…8100 МГц (−47 дБм/МГц), 8625…9150 МГц (−47 дБм/МГц), 9150…10600 МГц (−45 дБм/МГц).
В Евросоюзе наиболее предпочтителен диапазон 6…8,5 ГГц[6], в котором спектральная плотность мощности приемопередатчика ограничена уровнем −41,3 дБм/МГц.
Безлицензионное использование СШП сигналов разрешено также в Южной Корее, Японии, Китае и других странах.
Формирование
Сверхширокополосные сигналы могут быть представлены сверхкороткими (ультракороткими) импульсами, OFDM-сигналами, хаотическими радиоимпульсами, сигналами с ЛЧМ-модуляцией.
Сверхкороткие импульсы
Форма сверхкоротких импульсов[7] описывается моноциклом Гаусса, то есть первой производной от известной кривой распределения Гаусса:
- ,
где — длительность импульса, — его амплитуда. Ширина спектра мощности импульса обратно пропорциональна длительности импульса . Форма спектра мощности такого импульса описывается соотношением:
- .
База ультракороткого импульса .
При использовании импульсов длительностью от 2,0 нс до 0,1 нс ширина полосы спектра мощности составляет соответственно от 500 МГц до 10 ГГц. Спектр сигнала занимает полосу частот от 0 до .
Пачки сверхкоротких импульсов
Для кодирования информационного символа можно использовать не один ультракороткий импульс, а пачки таких импульсов[8]. При использовании пачки N импульсов база сигнала увеличивается в N раз.
При формировании пачки амплитуда каждого импульса и его положение относительно номинального значения момента времени излучения/приема задается в соответствии с кодовой расширяющей последовательностью. При этом можно добиться повышения помехоустойчивости и/или обеспечения многопользовательского доступа в одном и том же частотном диапазоне (кодовое разделение канала между несколькими пользователями).
Свойством как одиночных сверхкоротких импульсов, так и пачек таких импульсов является то, что спектр этих сигналов начинается практически от нулевой частоты. Это затрудняет выполнение условий спектральной маски для нелицензируемого использования СШП сигналов.
Короткие радиоимпульсы
Короткие радиоимпульсы[9] допускают гибкое управление своим спектром. Они представляют из себя цуги синусоидальных колебаний с колоколообразной огибающей, описываемые следующим выражением:
- ,
где — характерная длительность огибающей радиоимпульса, — центральная частота колебаний. Спектр такого сигнала имеет вид
- .
Короткий радиоимпульс формируется в два этапа. Сначала в низкочастотном диапазоне (baseband) формируется импульс огибающей длительностью , имеющий гауссовскую форму, затем он перемножается с периодическим несущим сигналом с частотой . Полученный таким образом сигнал имеет ширину спектра и центральную частоту . База сигнала .
Пачки коротких радиоимпульсов
Пачки коротких радиоимпульсов[9][10], как и в случае со сверхкороткими импульсами, используются для увеличения базы сигнала и получения дополнительных возможностей по модуляции и организации многопользовательского доступа. Формируются в соответствии с расширяющими последовательностями так, что информационный символ кодируется пачкой КРИ. База сигнала при этом увеличивается в N раз, где N — число импульсов в пачке.
Пачки коротких радиоимпульсов предоставляют дополнительные возможности организации множественного доступа, связанные с разделением сигналов разных групп пользователей по частоте.
Сигналы с ортогонально-частотным мультиплексированием (OFDM)
Сигнал формируется гармоническими поднесущими, разнесенными по частоте на равные промежутки [11]. Другими словами, занимаемая сигналом полная полоса частот делится на подканалов. Все поднесущие взаимно ортогональны на интервале длительности импульса , в пределах которого располагается OFDM символ (). Для передачи информации каждая из поднесущих модулируется независимо с помощью методов фазовой манипуляции (BPSK, QPSK, 8PSK, 16/64/256QAM), так что на каждой поднесущей формируется свой сигнал, которые перед излучением в эфир складываются, формируя OFDM сигнал. Для OFDM-сигналов характерна большая изменчивость по амплитуде и, как следствие, большой пик-фактор (см. рисунок). СШП OFDM-сигнал занимает полосу частот около 500 МГц. База СШП OFDM-сигнала меняется от 1 до 10 в зависимости от скорости передачи. Множественный доступ может быть организован за счет выделения разным пользователям разных участков доступного частотного диапазона. |
Хаотические радиоимпульсы
Хаотические радиоимпульсы представляют собой фрагменты хаотического сигнала, который генерируется непосредственно в требуемом частотном диапазоне[12][13]. Формирование импульсов осуществляется либо за счёт внешней модуляции, либо за счёт внутренней в транзисторном генераторе хаотических колебаний[14][15]. Особенностью сверхширокополосного хаотического радиоимпульса является то, что его спектр практически не зависит от длительности импульса. Это обусловлено тем, что спектр исходных хаотических колебаний уже является сверхширокополосным, и уширение спектра при уменьшении длительности импульса является незначительным. Математически это выражается следующим образом. Характерная ширина спектра мощности потока хаотических радиоимпульсов составляет , где — полоса хаотического сигнала, — характерная ширина спектра модулирующего видеоимпульса. При условии, что длительность модулирующего видеоимпульса удовлетворяет соотношению , т.е. импульс содержит более нескольких квазипериодов хаотических колебаний, ширина спектра мощности потока хаотических радиоимпульсов практически совпадает с шириной непрерывного хаотического сигнала. База хаотического радиоимпульса определяется произведением полосы хаотического сигнала на длительность и может меняться в широких пределах за счет увеличения длительности, при необходимости легко достигая сотен и тысяч. |
Импульсы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ импульсы, chirps)
Сверхширокополосные ЛЧМ-импульсы представляют собой импульсные сигналы, внутри импульса частота меняется по линейному закону либо возрастая, либо убывая[16]
где — огибающая ЛЧМ импульса, описываемая колоколом Гаусса, — начальная частота колебаний (в начале импульса), — скорость перестройки частоты. База ЛЧМ импульса составляет , она может превышать 1, однако не может быть большой. |
Применение
- Сверхширокополосная связь
- Прямохаотические системы связи
- Сверхширокополосная радиолокация
- Сети связи персонального уровня (WPAN)
- «Нательные», «носимые» сети, Body Area Network (BAN)
- Беспроводные сенсорные сети
Стандартизация
Применение сверхширокополосных сигналов в области связи в диапазоне 3-10 ГГц регулируется следующими стандартами:
- 802.15.3a — фактически несостоявшийся стандарт высокоскоростной сверхширокополосной связи. Планировались скорости от 110 Мбит/с на расстоянии 10 м до 480 Мбит/с на 1 м. Были сформированы два разных подхода: (1) альянс MBOA-UWB (Multi-Band OFDM Alliance) предлагал использовать OFDM-сигналы шириной 500 МГц, (2) DS-UWB Forum (Direct Sequence Ultra Wide Band Forum) продвигал сверхкороткие импульсы. Так как сторонам не удалось согласовать позиции, работа над стандартом была прекращена. В итоге, каждый из альянсов продолжил работу самостоятельно. Технология MBOA-UWB легла в основу WirelessUSB (см. статью Wireless USB specification). В 2008 г. приняты стандарты высокоскоростной связи ECMA-368 и ECMA-369, основанные на СШП платформе WiMedia[17].
- 802.15.4a[16] — расширение стандарта IEEE 802.15.4 для беспроводных сенсорных сетей (WPAN), вводящее новый тип сигналов (UWB) для физического уровня (PHY), принят в конце 2007 г. В качестве СШП сигналов в стандарте описываются: пачки сверхкоротких импульсов, хаотические радиоимпульсы, ЛЧМ-импульсы. Скорости передачи до 1 Мбит/с, дальность до 30 м (опционально 100 м).
- 802.15.6 — стандарт для беспроводных сенсорных сетей на теле человека или вблизи (Body area network). Принят в марте 2012 г. В качестве СШП сигналов в стандарте описываются хаотические радиоимпульсы.
Примечания
- пока нет ссылки
- Вагранов М. Е., Зиновьев Ю. С., Астанин Л. Ю., Костылев А. А., Сарычев В. А., Снежинский С. К., Дмитриев Б. Д. Радиолокационный отклик летательных аппаратов. — М.: Радио и связь, 1985. — 320 c.
- Иммореев И. Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности// Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение — 1998
- Решение Федеральной комиссии по связи (FCC) США № FCC 02-48 от 14/02/2002
- Решение ГКРЧ № 09-05-02 от 15 декабря 2009 г. Архивировано 19 октября 2013 года.
- Standardisation mandate forwarded to CEN/CENELEC/ETSI for harmonised standards covering ultra-wideband equipment. European Commission. TCAM Secretariat. Brussels, 19 April 2007 (недоступная ссылка). Дата обращения: 14 августа 2012. Архивировано 31 октября 2017 года.
- Win M.Z., Scholtz R.A. Impulse radio: How it works. IEEE Commun. Lett. 1998. V. 2. № 2. P. 36.
- J.McCorkley. A Tutorial on Ultra Wideband Technology. IEEE 802.15 Working Group, submission. — N.Y.: IEEE, 2000.
- Kelly J. Time Domain’s Proposal for UWB Multi-band Alternate PHY Layer for 802.15.3a. — N.Y.: IEEE, 2003.
- Matt Welborn, TG4a Proposal for Low Rate DS-UWB (DS-UWB-LR). — N.Y.: IEEE, 2005.
- Anuj Batra et al., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a Working Group submission. — N.Y.: IEEE, 2003.
- Дмитриев А. С., Кяргинский Б. Е., Максимов Н. А. и др. Перспективы создания прямохаотических систем связи в радио и СВЧ диапазонах. — Радиотехника, 2000, № 3, с. 9.
- Дмитриев А. С., Клецов А. В., Лактюшкин А. М. и др. Сверхширокополосная беспроводная связь на основе динамического хаоса. Радиотехника и электроника, 2006, т. 51, № 10, с. 1193.
- Дмитриев А. С., Ефремова Е. В., Кузьмин Л. В. Генерация последовательности хаотических импульсов при воздействии периодического сигнала на динамическую систему. Письма в ЖТФ, 2005, т. 31, № 22, с. 29.
- Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Forming pulses in non-autonomous chaotic oscillator. Int. J. Bifurcation and Chaos, 2007, v. 17, № 10, p. 1.
- 802.15.4a-2007. IEEE Standard for Information Technology — Telecommunications and Information Exchange Between systems — Local and metropolitan area networks — specific requirement Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs). N.Y.: IEEE, 2007.
- Standard ECMA-368 High Rate Ultra Wideband PHY and MAC Standard
См. также
- Сверхширокополосная связь
- Прямохаотические системы связи
- Беспроводные сенсорные сети