Сверхширокополосные сигналы

Сверхширокополосные (СШП) сигналы — радиосигналы (СВЧ-сигналы) со «сверхбольшой» шириной полосы частот. Применяются для сверхширокополосной радиолокации и сверхширокополосной радиосвязи.

Существует несколько определений «сверхширокополосности». В традициях советской и российской радиотехники сверхширокополосными считаются сигналы с шириной полосы $\Delta F = (f_{upper}-f_{lower})$ более октавы, т.е. сигналы, у которых верхняя граница полосы частот $f_{upper}$ более чем в 2 раза превышает нижнюю границу $f_{lower}$^[1].

В радиолокации сверхширокополосными было предложено (1985 г.) называть сигналы с относительной шириной полосы частот

$\mu = \frac{\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2} \geqslant 0,5$^[2].

В радиолокации предложено еще одно определение этого термина: сверхширокополосными называют импульсные сигналы, удовлетворяющие соотношению

$c\tau \ll L$,

где $c\tau$ - длительность импульса в пространстве ($\tau$ - длительность сигнала или ширина его автокорреляционной функции, $c$ - скорость света), $L$ - размер излучающей (приемной) апертуры или размер объекта, отражающего сигнал^[3].

Для целей радиосвязи, согласно определению Федеральной комиссии по связи США (2002 г.), сверхширокополосными предлагается считать сигналы с относительной шириной полосы не менее 20-25 %, т.е.

$\mu = \frac{\Delta F}{(f_{lower}+f_{upper})/2} \geqslant 0,2...0,25$

либо сигналы с абсолютной шириной полосы $\Delta F \geqslant 500 \text{ MHz}$ ^[4].

Спектральные маски для СШП связи внутри помещений: в США (голубой фон), Евросоюзе (зеленый фон) и Российской Федерации (красная линия)

Начиная с 2002 г. во многих странах мира для безлицензионного использования сверхширокополосных сигналов в 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 −41,6 дБм/МГц.

В Российской Федерации для связи выделен диапазон 2,85…10 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 ГГц (−47 дБм/МГц), 8625…9150 ГГц (−47 дБм/МГц), 9150…10600 ГГц (−45 дБм/МГц).

В Евросоюзе наиболее предпочтителен диапазон 6…8 ГГц^[6], в котором спектральная плотность мощности приемопередатчика ограничена уровнем −41,6 дБм/МГц.

Безлицензионное использование СШП сигналов разрешено также в Южной Корее, Японии. Готовятся разрешения в Китае и других странах.

Сверхширокополосные сигналы могут быть представлены сверхкороткими (ультракороткими) импульсами, OFDM-сигналами, хаотическими радиоимпульсами, сигналами с ЛЧМ-модуляцией.

Сверхкороткие импульсы

Форма сверхкороткого импульса

Форма сверхкоротких импульсов^[7] описывается моноциклом Гаусса, т.е. первой производной от известной кривой распределения Гаусса:

$A(t) = A_0 \frac{\sqrt{2e}}{\Delta t} exp(-\frac{t^2}{\Delta t^2})$,

где $\Delta t$ – длительность импульса, $A_0$ – его амплитуда. Ширина $\Delta F$ спектра мощности импульса обратно пропорциональна длительности импульса $\Delta t$. Форма спектра мощности такого импульса описывается соотношением:

$S(f) = A_0 \sqrt{2\pi e}f{\Delta t^2}exp(-\frac{f^2 \Delta t^2}{2})$.

Спектр сверхкороткого импульса

База ультракороткого импульса $B = \Delta t\Delta F \approx 1$.

При использовании импульсов длительностью $\Delta t$ от 2,0 нс до 0,1 нс ширина полосы спектра мощности составляет соответственно от 500 МГц до 10 ГГц.

Пачки сверхкоротких импульсов

Для кодирования информационного символа можно использовать не один ультракороткий импульс, а пачки таких импульсов^[8]. База сигнала при этом увеличивается в N раз, где N – число импульсов в пачке.

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. Эта затрудняет выполнение условий спектральной маски для нелицензируемого использования СШП сигналов.

Короткие радиоимпульсы

Короткий радиоимпульс

Спектр короткого радиоимпульса

Короткие радиоимпульсы^[9] допускают гибкое управление своим спектром. Они представляют из себя цуги синусоидальных колебаний с колоколообразной огибающей, описываемые следующим выражением:

$A(t) = exp(-\frac{t^2}{2\Delta t^2})sin(2\pi f_c)$,

где $\Delta t$ – характерная длительность огибающей радиоимпульса, $f_c$ – центральная частота колебаний. Спектр такого сигнала имеет вид

$S(f) = exp(-2(\pi(f \pm f_c)\Delta t)^2)$.

Короткий радиоимпульс формируется в два этапа. Сначала в низкочастотном диапазоне (baseband) формируется импульс огибающей длительностью $\Delta t$, имеющий гауссовскую форму, затем он перемножается с периодическим несущим сигналом с частотой $f_c$. Полученный таким образом сигнал имеет ширину спектра $\Delta F \approx 1/\Delta t$ и центральную частоту $f_c$. База сигнала $B \approx 1$.

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)

OFDM-импульс Сигнал формируется $N$ гармоническими поднесущими, разнесенными по частоте на равные промежутки $\Delta f$[11]. Другими словами, занимаемая сигналом полная полоса частот $\Delta F$ делится на $N$ подканалов. Все поднесущие взаимно ортогональны на интервале длительности импульса $T_s$, в пределах которого располагается OFDM символ ($T_s = 1/\Delta f$). 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. Спектр OFDM-импульса 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

Хаотический радиоимпульс Спектр хаотического радиоимпульса 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]. Характерная ширина спектра мощности потока хаотических радиоимпульсов составляет $\Delta F \approx \Delta f+2\Delta s$, где $\Delta f$ – полоса хаотического сигнала, $\Delta s$ – характерная ширина спектра модулирующего видеоимпульса. При условии, что длительность модулирующего видеоимпульса $\Delta t$ удовлетворяет соотношению $\Delta s = 1/\Delta t \ll \Delta f$, 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 $B = \Delta t\Delta F$ и может меняться в широких пределах.

Импульсы с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ импульсы, chirps)

ЛЧМ-импульс

Спектр ЛЧМ-импульса

Сверхширокополосные ЛЧМ-импульсы представляют собой импульсные сигналы, внутри импульса частота меняется по линейному закону либо возрастая, либо убывая[16] $A(t) = A_0(T)sin(2\pi f_0t\pm\pi\alpha t^2)$, где $A_0(T)$ – огибающая ЛЧМ импульса, описываемая колоколом Гаусса, $f_0$ – начальная частота колебаний (в начале импульса), $\alpha$ – скорость перестройки частоты. База ЛЧМ импульса составляет $B = \Delta t\Delta F$, она может превышать 1, однако не может быть большой.

• Сверхширокополосная связь
• Прямохаотические системы связи
• Сверхширокополосная радиолокация
• Сети персонального уровня (WPAN)
• «Нательные», «носимые» сети, Body Area Network (BAN)
• Беспроводные сенсорные сети

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).

• 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.

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить интервики в рамках проекта Интервики. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.

1. ↑ пока нет ссылки
2. ↑ 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.
3. ↑ Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности// Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение – 1998
4. ↑ ^{1 2} Решение Федеральной комиссии по связи (FCC) США № FCC 02-48 от 14/02/2002
5. ↑ Решение ГКРЧ № 09-05-02 от 15 декабря 2009 г.
6. ↑ Standardisation mandate forwarded to CEN/CENELEC/ETSI for harmonised standards covering ultra-wideband equipment. European Commission. TCAM Secretariat. Brussels, 19 April 2007
7. ↑ Win M.Z., Scholtz R.A. Impulse radio: How it works. IEEE Commun. Lett. 1998. V. 2. № 2. P. 36.
8. ↑ J.McCorkley. A Tutorial on Ultra Wideband Technology. IEEE 802.15 Working Group, submission. – N.Y.: IEEE, 2000.
9. ↑ ^{1 2} Kelly J. Time Domain’s Proposal for UWB Multi-band Alternate PHY Layer for 802.15.3a. – N.Y.: IEEE, 2003.
10. ↑ Matt Welborn, TG4a Proposal for Low Rate DS-UWB (DS-UWB-LR). – N.Y.: IEEE, 2005.
11. ↑ Anuj Batra et al., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal. IEEE 802.15.3a Working Group submission. – N.Y.: IEEE, 2003.
12. ↑ 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.
13. ↑ 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.
14. ↑ 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.
15. ↑ 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. ↑ ^{1 2} 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.

• Сверхширокополосная связь
• Прямохаотические системы связи
• Беспроводные сенсорные сети