Русская Википедия: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 <math>\Delta F = (f_{upper}-f_{lower})</math> более октавы, то есть сигналы, у которых верхняя граница полосы частот <math>f_{upper}</math> более чем в 2 раза превышает нижнюю границу <math>f_{lower}</math>[1].
В радиолокации сверхширокополосными было предложено (1985 г.) называть сигналы с относительной шириной полосы частот
- <math>\mu = \frac{\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2} \geqslant 0,5 </math>[2].
В радиолокации предложено ещё одно определение этого термина: сверхширокополосными называют импульсные сигналы, удовлетворяющие соотношению
- <math>c\tau \ll L</math>,
т.е. пространственная длина радиоимпульса <math>c\tau</math> (<math>\tau</math> — длительность сигнала или ширина его автокорреляционной функции, <math>c</math> — скорость света) много меньше характерного размера <math>L</math> 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
- <math>\mu = \frac{\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2} \geqslant 0,2...0,25</math>
либо сигналы с абсолютной шириной полосы <math>\Delta F \geqslant 500 \text{ MHz}</math> (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:
- <math>A(t) = A_0 \sqrt{2e} \frac{t}{\Delta t} \exp\left(-\frac{t^2}{\Delta t^2}\right)</math>,
где <math>\Delta t</math> — длительность импульса, <math>A_0</math> — его амплитуда. Ширина <math>\Delta F</math> спектра мощности импульса обратно пропорциональна длительности импульса <math>\Delta t</math>. Форма спектра мощности такого импульса описывается соотношением:
- <math>S(f) = A_0 \sqrt{2\pi e}f{\Delta t^2}\exp\left(-\frac{f^2 \Delta t^2}{2}\right)</math>.
База ультракороткого импульса <math>B = \Delta t\Delta F \approx 1</math>.
При использовании импульсов длительностью <math>\Delta t</math> 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 <math>\Delta F \approx 1/\Delta t</math>.
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:
- <math>A(t) = \exp\left(-\frac{t^2}{2\Delta t^2}\right)\cdot \sin(2\pi\cdot f_c\cdot t)</math>,
где <math>\Delta t</math> — характерная длительность огибающей радиоимпульса, <math>f_c</math> — центральная частота колебаний. Спектр такого сигнала имеет вид
- <math>S(f) = \exp\left(-2(\pi(f \pm f_c)\Delta t)^2\right)</math>.
Короткий радиоимпульс формируется в два этапа. Сначала в низкочастотном диапазоне (baseband) формируется импульс огибающей длительностью <math>\Delta t</math>, имеющий гауссовскую форму, затем он перемножается с периодическим несущим сигналом с частотой <math>f_c</math>. Полученный таким образом сигнал имеет ширину спектра <math>\Delta F \approx 1/\Delta t</math> и центральную частоту <math>f_c</math>. База сигнала <math>B \approx 1</math>.
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 <math>N</math> гармоническими поднесущими, разнесенными по частоте на равные промежутки <math>\Delta f</math>[11]. Другими словами, занимаемая сигналом полная полоса частот <math>\Delta F</math> делится на <math>N</math> подканалов. Все поднесущие взаимно ортогональны на интервале длительности импульса <math>T_s</math>, в пределах которого располагается OFDM символ (<math>T_s = 1/\Delta f</math>). 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 <math>\Delta F \approx \Delta f+2\Delta s</math>, где <math>\Delta f</math> — полоса хаотического сигнала, <math>\Delta s</math> — характерная ширина спектра модулирующего видеоимпульса. При условии, что длительность модулирующего видеоимпульса <math>\Delta t</math> удовлетворяет соотношению <math>\Delta s = 1/\Delta t \ll \Delta f</math>, 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 <math>B = \Delta t\Delta F</math> 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 <math>A_0(T)</math> — огибающая ЛЧМ импульса, описываемая колоколом Гаусса, <math>f_0</math> — начальная частота колебаний (в начале импульса), <math>\alpha</math> — скорость перестройки частоты. База ЛЧМ импульса составляет <math>B = \Delta t\Delta F</math>, 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
Шаблон:Примечания Варганов М.Е., Зиновьев Ю.С., Астанин Л.Ю. и др./под ред. Л.Т. Тучкова. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов.- М.: Радио и связь, 1985 г., 236 с
См. также
- ↑ 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
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Решение ГКРЧ № 09-05-02 от 15 декабря 2009 г. Шаблон:Webarchive
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Win M.Z., Scholtz R.A. Impulse radio: How it works. IEEE Commun. Lett. 1998. V. 2. № 2. P. 36.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 9,0 9,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 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.
- ↑ 16,0 16,1 802.15.4a-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.
- ↑ Шаблон:Cite web
