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 ${\displaystyle \Delta F=(f_{upper}-f_{lower})}$ более октавы, то есть сигналы, у которых верхняя граница полосы частот ${\displaystyle f_{upper}}$ более чем в 2 раза превышает нижнюю границу ${\displaystyle f_{lower}}$^[1].

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

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

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

${\displaystyle c\tau \ll L}$,

т.е. пространственная длина радиоимпульса ${\displaystyle c\tau }$ (${\displaystyle \tau }$ — длительность сигнала или ширина его автокорреляционной функции, ${\displaystyle c}$ — скорость света) много меньше характерного размера ${\displaystyle L}$ 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

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

либо сигналы с абсолютной шириной полосы ${\displaystyle \Delta F\geqslant 500{\text{ MHz}}}$ (в диапазоне частот 3,1 — 10,6 ГГц) ^[4].

Регулирование

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 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 сверхкороткого импульса

Форма сверхкоротких импульсов^[7] описывается моноциклом Гаусса, то есть первой производной от известной кривой распределения Гаусса:

${\displaystyle A(t)=A_{0}{\sqrt {2e}}{\frac {t}{\Delta t}}\exp \left(-{\frac {t^{2}}{\Delta t^{2}}}\right)}$,

где ${\displaystyle \Delta t}$ — длительность импульса, ${\displaystyle A_{0}}$ — его амплитуда. Ширина ${\displaystyle \Delta F}$ спектра мощности импульса обратно пропорциональна длительности импульса ${\displaystyle \Delta t}$. Форма спектра мощности такого импульса описывается соотношением:

${\displaystyle S(f)=A_{0}{\sqrt {2\pi e}}f{\Delta t^{2}}\exp \left(-{\frac {f^{2}\Delta t^{2}}{2}}\right)}$.

Спектр пачки сверхкоротких импульсов

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

При использовании импульсов длительностью ${\displaystyle \Delta t}$ 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 ${\displaystyle \Delta F\approx 1/\Delta t}$.

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

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:

${\displaystyle A(t)=\exp \left(-{\frac {t^{2}}{2\Delta t^{2}}}\right)\cdot \sin(2\pi \cdot f_{c}\cdot t)}$,

где ${\displaystyle \Delta t}$ — характерная длительность огибающей радиоимпульса, ${\displaystyle f_{c}}$ — центральная частота колебаний. Спектр такого сигнала имеет вид

${\displaystyle S(f)=\exp \left(-2(\pi (f\pm f_{c})\Delta t)^{2}\right)}$.

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

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 ${\displaystyle N}$ гармоническими поднесущими, разнесенными по частоте на равные промежутки ${\displaystyle \Delta f}$[11]. Другими словами, занимаемая сигналом полная полоса частот ${\displaystyle \Delta F}$ делится на ${\displaystyle N}$ подканалов. Все поднесущие взаимно ортогональны на интервале длительности импульса ${\displaystyle T_{s}}$, в пределах которого располагается OFDM символ (${\displaystyle T_{s}=1/\Delta f}$). 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]. 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 ${\displaystyle \Delta F\approx \Delta f+2\Delta s}$, где ${\displaystyle \Delta f}$ — полоса хаотического сигнала, ${\displaystyle \Delta s}$ — характерная ширина спектра модулирующего видеоимпульса. При условии, что длительность модулирующего видеоимпульса ${\displaystyle \Delta t}$ удовлетворяет соотношению ${\displaystyle \Delta s=1/\Delta t\ll \Delta f}$, 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 ${\displaystyle B=\Delta t\Delta F}$ 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)

ЛЧМ-импульс

Спектр ЛЧМ-импульса

Сверхширокополосные ЛЧМ-импульсы представляют собой импульсные сигналы, внутри импульса частота меняется по линейному закону либо возрастая, либо убывая[16] ${\displaystyle A(t)=A_{0}(T)\sin \left(2\pi f_{0}t\pm \pi \alpha t^{2}\right)}$, где ${\displaystyle A_{0}(T)}$ — огибающая ЛЧМ импульса, описываемая колоколом Гаусса, ${\displaystyle f_{0}}$ — начальная частота колебаний (в начале импульса), ${\displaystyle \alpha }$ — скорость перестройки частоты. База ЛЧМ импульса составляет ${\displaystyle B=\Delta t\Delta F}$, 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.