Сверхширокополосные сигналы

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

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].

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.

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

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:

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

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 ${\displaystyle \Delta F\approx 1/\Delta t}$.

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^[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^[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.

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. 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 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.

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.

• Сверхширокополосная связь
• Прямохаотические системы связи
• Сверхширокополосная радиолокация
• Сети связи 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). 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.

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

• Сверхширокополосная связь
• Прямохаотические системы связи
• Беспроводные сенсорные сети