UWB-Ultrabreitbandantenne 3-10G 2,5 Verstärkung

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Artikelnummer: 1332944

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Kategorien: Modulplatine

Beschreibung

Arbeitsfrequenz: 3-10G

Sendeleistung: 5W

Spannung stehende Welle: weniger als 2,5

Verstärkung: 2,5

Technische Eigenschaften von UWB:

(1) Hohe Übertragungsrate und große Speicherkapazität

Für die Shannon-Kanalkapazitätsformel beträgt die Obergrenze der fehlerfreien Übertragungsrate des Systems in einem Kanal mit additivem weißem Gaußschem Rauschen (AWGN):

C = B × log2 (1 + SNR)

Dabei ist B (Einheit: Hz) die Kanalbandbreite und SNR das Signal-Rausch-Verhältnis. Im UWB-System beträgt die Signalbandbreite B 500 MHz bis 7,5 GHz. Daher kann das UWB-System selbst bei einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis SNR eine Übertragungsrate von mehreren hundert Megahertz bis 1 Gb/s über eine kurze Distanz erreichen. Wenn Sie beispielsweise eine Bandbreite von 7 GHz verwenden, kann die theoretische Kanalkapazität sogar bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von nur -10 dB 1 Gb/s erreichen. Daher eignet sich die UWB-Technologie sehr gut für Hochgeschwindigkeitsübertragungsanwendungen über kurze Distanzen (wie Hochgeschwindigkeits-WPAN), was die Raumkapazität erheblich verbessern kann. Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Raumkapazität von UWB-basierten WPANs ein bis zwei Größenordnungen höher ist als die des aktuellen WLAN-Standards IEEE 802.11.a.

(2) Geeignet für die Nahbereichskommunikation

Gemäß den FCC-Vorschriften ist die Strahlungsleistung des UWB-Systems sehr begrenzt und die Gesamtstrahlungsleistung im Band von 3,1 GHz bis 10,6 GHz beträgt nur 0,55 mW, was viel niedriger ist als beim herkömmlichen Schmalbandsystem. Mit zunehmender Übertragungsdistanz nimmt die Signalleistung weiter ab. Daher kann das empfangene Signal-Rausch-Verhältnis als Funktion der Übertragungsdistanz SNRr (d) ausgedrückt werden. Für die Shannon-Formel kann die Kanalkapazität als Funktion der Distanz ausgedrückt werden.

C(d)=B×log2[1+SNRr(d)] (2)

Darüber hinaus verfügen Ultrabreitbandsignale über eine extrem reiche Frequenzkomponente. Es ist bekannt, dass drahtlose Kanäle in verschiedenen Frequenzbändern unterschiedliche Fading-Eigenschaften aufweisen. Da das Fading von Hochfrequenzsignalen mit zunehmender Übertragungsdistanz extrem schnell erfolgt, führt dies zu einer Verzerrung des UWB-Signals und beeinträchtigt dadurch die Systemleistung erheblich. Untersuchungen zeigen, dass bei einer Distanz zwischen den Transceivern von weniger als 10 m die Kanalkapazität eines UWB-Systems höher ist als die eines WLAN-Systems mit 5-GHz-Band. Wenn die Distanz zwischen den Transceivern 12 m überschreitet, ist der Vorteil des UWB-Systems hinsichtlich der Kanalkapazität nicht mehr gegeben. Daher eignet sich das UWB-System besonders gut für die Kommunikation über kurze Distanzen.

(3) Gutes Zusammenleben und Vertraulichkeit

Aufgrund der extrem geringen Strahlungsspektraldichte des UWB-Systems (weniger als -41,3 dBm/MHz) liegt die Spektraldichte des UWB-Signals bei herkömmlichen Schmalbandsystemen sogar unter dem Hintergrundrauschpegel. Die Interferenz des UWB-Signals mit dem Schmalbandsystem kann als weißes Breitbandrauschen angesehen werden. Daher können UWB-Systeme gut mit herkömmlichen Schmalbandsystemen koexistieren, was für die bessere Nutzung der immer knapper werdenden drahtlosen Spektrumressourcen sehr vorteilhaft ist. Gleichzeitig sorgt die extrem geringe Strahlungsspektraldichte dafür, dass das UWB-Signal sehr verborgen und schwer abzufangen ist, was für die Verbesserung der Kommunikationsvertraulichkeit sehr vorteilhaft ist.

(4) Starke Mehrwegeauflösung und hohe Positionierungsgenauigkeit

Da das UWB-Signal einen schmalen Impuls mit sehr kurzer Dauer verwendet, ist seine zeitliche und räumliche Auflösung sehr stark. Daher ist die Mehrwegeauflösung des UWB-Signals extrem hoch. Die extrem hohe Mehrwegeauflösung verleiht dem UWB-Signal hochpräzise Entfernungs- und Positionierungsfähigkeiten. Für Kommunikationssysteme muss die Mehrwegeauflösung von UWB-Signalen dialektisch analysiert werden. Die Zeitselektivität und Frequenzselektivität des drahtlosen Kanals sind Schlüsselfaktoren, die die Leistung des drahtlosen Kommunikationssystems einschränken. In Schmalbandsystemen führen nicht unterscheidbare Mehrwege zu Fading, während UWB-Signale sie mithilfe von Diversity-Empfangstechniken trennen und kombinieren können. Daher verfügt das UWB-System über eine starke Anti-Fading-Fähigkeit. Die extrem hohe Mehrwegeauflösung des UWB-Signals führt jedoch auch zu einer starken zeitlichen Dispersion (frequenzselektives Fading) der Signalenergie, und der Empfänger muss ausreichend Signalenergie erfassen, indem er Komplexität einbüßt (die Diversity-Zahl erhöht). Dies wird eine ernsthafte Herausforderung für das Empfängerdesign darstellen. Beim tatsächlichen UWB-Systemdesign müssen Kompromisse bei der Signalbandbreite und der Empfängerkomplexität eingegangen werden, um ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis zu erreichen.

(5) Geringe Größe und geringer Stromverbrauch

Die herkömmliche UWB-Technologie benötigt keinen sinusförmigen Träger und die Daten werden moduliert, um sie mit einem schmalen Basisbandimpuls im Nanosekunden- oder Subnanosekundenbereich zu übertragen. Der Empfänger verwendet den Korrelator, um die Signalerkennung direkt durchzuführen. Der Transceiver benötigt keine komplexen Trägerfrequenzmodulations-/Demodulationsschaltungen und Filter. Daher kann die Systemkomplexität erheblich reduziert und das Volumen und der Stromverbrauch des Transceivers verringert werden. Die neue Definition von UWB durch die FCC erhöht die Schwierigkeit der trägerlosen Impulsformung in gewissem Maße. Mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie und dem Aufkommen neuer Impulserzeugungstechnologien erbt das UWB-System jedoch immer noch die geringen Abmessungen und den geringen Stromverbrauch herkömmlicher UWB-Funktionen.

UWB-Pulsformungstechnologie:

Jedes digitale Kommunikationssystem muss ein Signal verwenden, das gut auf den Kanal abgestimmt ist, um Informationen zu übertragen. Bei linearen Modulationssystemen können die modulierten Signale einheitlich wie folgt dargestellt werden:

s(t)=∑Ing(t -T ) (3)

Dabei ist In eine Folge diskreter Datensymbole, die Informationen tragen; T ist eine Dauer der Datensymbole;

g(t) ist eine zeitbereichsformende Wellenform. Das Betriebsfrequenzband, die Signalbandbreite, die Strahlungsspektraldichte, die Strahlung außerhalb des Bandes, die Übertragungsleistung, die Implementierungskomplexität und andere Faktoren des Kommunikationssystems hängen vom Design von g(t) ab.

Bei UWB-Kommunikationssystemen muss die Bandbreite des geformten Signals g(t) größer als 500 MHz sein und die Signalenergie sollte im Band von 3,1 GHz bis 10,6 GHz konzentriert sein. Frühe UWB-Systeme verwendeten trägerlose gaußsche Einzelzyklusimpulse im Nanosekunden-/Subnanosekundenbereich mit einem Signalspektrum, das unter 2 GHz konzentriert war. Die Neudefinition von UWB durch die FCC und die Zuweisung von Spektrumressourcen stellen neue Anforderungen an die Signalformung, und das Signalformungsschema muss angepasst werden. In den letzten Jahren sind viele effektive Methoden entstanden, wie z. B. auf Trägermodulation basierende Formungstechniken, Hermit-orthogonale Impulsformung und orthogonale Impulsformung mit ellipsoiden Wellen (PSWF).

Gaußscher Einzelzyklusimpuls:

Gaußsche Einzelzyklusimpulse, also die Ableitungen von Gaußschen Impulsen, sind die repräsentativsten trägerlosen Impulse. Die Impulswellenform jeder Ordnung kann durch sukzessive Ableitung der ersten Gaußschen Ableitung erhalten werden.

Mit zunehmender Ordnung des Impulssignals nimmt die Anzahl der Nulldurchgangspunkte allmählich zu und die Mittenfrequenz des Signals bewegt sich in Richtung Hochfrequenz, aber die Bandbreite des Signals ändert sich nicht wesentlich und die relative Bandbreite nimmt allmählich ab. Frühe UWB-Systeme verwendeten Impulse erster und zweiter Ordnung, und die Signalfrequenzkomponenten reichten von DC bis 2 GHz. Gemäß der neuen UWB-Definition der FCC müssen Subnanosekundenimpulse der Ordnung 4 oder höher verwendet werden, um die Anforderungen an das Strahlungsspektrum zu erfüllen. Abbildung 3 zeigt einen typischen 2-ns-Gauß-Einzelzyklusimpuls.

Trägermodulations-Bildungstechnologie:

Grundsätzlich können die UWB-Anforderungen erfüllt werden, solange die Signalbandbreite von -10 dB größer als 500 MHz ist. Daher können herkömmliche Signalformungsschemata für trägergestützte Kommunikationssysteme auf UWB-Systeme portiert werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das UWB-Signaldesign in ein Tiefpassimpulsdesign umgewandelt und das Signalspektrum kann durch Trägermodulation flexibel auf der Frequenzachse verschoben werden.

Ein geformter Impuls mit einem Träger kann wie folgt ausgedrückt werden:

w(t)=p(t)cos(2πfct)(0≤t ≤Tp) (4)

Dabei ist p(t) der Basisbandimpuls mit der Dauer Tp; fc ist die Trägerfrequenz, also die Mittenfrequenz des Signals. Wenn das Spektrum des Basisbandimpulses p(t) P(f) ist, ist das Spektrum des endgültig geformten Impulses:

Es ist ersichtlich, dass das Spektrum des geformten Impulses vom Basisbandimpuls p(t) abhängt und die UWB-Designanforderung erfüllt werden kann, solange die -10 dB-Bandbreite von p(t) größer als 250 MHz ist. Durch Anpassen der Trägerfrequenz fc kann das Signalspektrum flexibel im Bereich von 3,1 GHz bis 10,6 GHz verschoben werden. In Kombination mit der Frequenzsprungtechnik (FH) lässt sich bequem ein Frequenzsprung-Mehrfachzugriffssystem (FHMA) aufbauen. Diese Impulsformungstechnik wird in vielen IEEE 802.15.3a-Standardvorschlägen verwendet. Abbildung 4 zeigt einen typischen trägerkorrigierten Cosinusimpuls mit einer Mittenfrequenz von 3,35 GHz und einer -10 dB-Bandbreite von 525 MHz.

Hermite-orthogonaler Puls:

Hermite-Impulse sind eine Klasse orthogonaler Pulsformungsmethoden, die erstmals für Hochgeschwindigkeits-UWB-Kommunikationssysteme vorgeschlagen wurden. In Kombination mit mehrstufiger Pulsmodulation kann die Systemübertragungsrate effektiv erhöht werden. Diese Art von Pulswellenform wird aus dem Hermite-Polynom abgeleitet. Die Pulsformungsmethode zeichnet sich dadurch aus, dass die Energie auf die niedrige Frequenz konzentriert ist und die Wellenformen der Wellenformen der jeweiligen Ordnungen stark unterschiedlich sind. Die FCC-Anforderungen können erfüllt werden, indem der Träger zum Verschieben des Spektrums verwendet wird.

PSWF Quadraturpuls:

Der PSWF-Impuls ist ein ähnlicher Typ von „Zeitbegrenzungs-Bandbegrenzungs“-Signal, das eine sehr gute Wirkung bei der bandbegrenzten Signalanalyse hat.

Im Vergleich zu Hermite-Impulsen können PSWF-Impulse direkt auf das gewünschte Frequenzband und die Bandbreitenanforderungen abgestimmt werden, ohne dass eine komplexe Trägermodulation zur spektralen Verschiebung erforderlich ist. Daher gehört der PSWF-Impuls zur trägerlosen Formungstechnik, die für die Vereinfachung der Komplexität des Transceivers von Vorteil ist.

UWB-Modulation und Mehrfachzugriffstechnologie:

Die Modulationsmethode bezieht sich auf die Art und Weise, wie das Signal Informationen überträgt. Sie bestimmt nicht nur die Gültigkeit und Zuverlässigkeit des Kommunikationssystems, sondern beeinflusst auch die Spektrumstruktur und die Empfängerkomplexität des Signals. Da die Mehrfachzugriffstechnologie das Problem der gemeinsamen Nutzung von Kanälen durch mehrere Benutzer löst, kann ein vernünftiges Mehrfachzugriffsschema die Mehrbenutzerkapazität erheblich verbessern und gleichzeitig Interferenzen zwischen Benutzern reduzieren. Die in UWB-Systemen verwendeten Modulationsschemata können in zwei große Kategorien unterteilt werden: Modulation basierend auf Ultrabreitbandimpulsen und orthogonale Mehrträgermodulation basierend auf OFDM. Zu den Mehrfachzugriffstechnologien gehören: Zeitsprung-Mehrfachzugriff, Frequenzsprung-Mehrfachzugriff, Direktspreiz-Codemultiplex-Mehrfachzugriff und Wellenlängenmultiplex-Mehrfachzugriff. Im Systemdesign können der Modulationsmodus und der Mehrfachzugriffsmodus sinnvoll kombiniert werden.

UWB-Modulationstechnologie:

(1) Pulspositionsmodulation

Pulspositionsmodulation (PPM) ist ein Modulationsschema, das Pulspositionen verwendet, um Dateninformationen zu übertragen. Je nach Anzahl der verwendeten diskreten Datensymbolzustände kann es in binäre PPM (2PPM) und multiäre PPM (MPPM) unterteilt werden. In diesem Modulationsmodus gibt es zwei oder M Positionen, an denen Pulse in einer Pulswiederholungsperiode auftreten können, und die Pulspositionen stehen in einer Eins-zu-eins-Entsprechung zu den Symbolzuständen. Je nach der Beziehung zwischen dem Abstand zwischen benachbarten Pulspositionen und der Pulsbreite kann es in teilweise überlappende PPM und orthogonale PPM (OPPM) unterteilt werden. Bei der teilweise überlappenden PPM werden, um die Zuverlässigkeit der Systemübertragung zu gewährleisten, die negativen Pulspunkte der Pulsautokorrelationsfunktion normalerweise so ausgewählt, dass sie nebeneinander liegen, wodurch der euklidische Abstand benachbarter Symbole maximiert wird. Bei OPPM wird die Pulsposition normalerweise in Intervallen der Pulsbreite bestimmt. Der Empfänger verwendet den Korrelator, um an der entsprechenden Stelle eine kohärente Erkennung durchzuführen. Angesichts der Komplexität und Leistungsbeschränkung des UWB-Systems wird in praktischen Anwendungen häufig die Modulationsmethode 2PPM oder 2OPPM verwendet.

Der Vorteil von PPM besteht darin, dass es nur die Impulsposition entsprechend dem Datensymbol steuern muss und nicht die Impulsamplitude und -polarität, sodass Modulation und Demodulation mit geringerer Komplexität realisiert werden können. Daher ist PPM eine weit verbreitete Modulationsmethode in frühen UWB-Systemen. Da das PPM-Signal jedoch unipolar ist, gibt es im Strahlungsspektrum häufig diskrete Spektrallinien mit höheren Amplituden. Wenn diese Linien nicht unterdrückt werden, wird es schwierig sein, die FCC-Anforderungen für das Strahlungsspektrum zu erfüllen.

(2) Pulsamplitudenmodulation

Pulsamplitudenmodulation (PAM) ist eine der am häufigsten verwendeten Modulationsmethoden für digitale Kommunikationssysteme. In UWB-Systemen sollte Multi-ary PAM (MPAM) aus Gründen der Implementierungskomplexität und Energieeffizienz nicht verwendet werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, PAM zu verwenden, die häufig in UWB-Systemen verwendet werden: On-Off Keying (OOK) und Binary Phase Shift Keying (BPSK). Ersteres kann die Empfängerkomplexität durch Verwendung nichtkohärenter Erkennung reduzieren, während letzteres durch Verwendung kohärenter Erkennung die Übertragungszuverlässigkeit besser gewährleisten kann.

Im Vergleich zu 2PPM kann BPSK bei gleicher Strahlungsleistung eine höhere Übertragungszuverlässigkeit erzielen und es gibt kein diskretes Spektrum im Strahlungsspektrum.

(3) Wellenformmodulation

Wellenformmodulation (PWSK) ist ein Modulationsschema, das in Kombination mit multiorthogonalen Wellenformen wie Hermite-Impulsen vorgeschlagen wird. In diesem Modulationsmodus werden M zueinander orthogonale Pulswellenformen gleicher Energie verwendet, um Dateninformationen zu übertragen, und jede Pulswellenform entspricht einem M-fachen Datensymbol. Auf der Empfangsseite werden M parallele Korrelatoren zum Signalempfang verwendet, und die Datenwiederherstellung erfolgt mithilfe der Maximum-Likelihood-Erkennung. Da die verschiedenen Pulsenergien gleich sind, kann die Übertragungseffizienz verbessert werden, ohne die Strahlungsleistung zu erhöhen. Bei gleicher Pulsbreite kann eine höhere Symbolübertragungsrate als bei MPPM erreicht werden. Bei gleicher Symbolrate sind die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit höher als bei MPAM. Da diese Modulationsmethode mehr Formfilter und Korrelatoren erfordert, ist die Implementierung komplexer. Daher wird sie in praktischen Systemen selten verwendet und ist derzeit auf theoretische Forschung beschränkt.

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