ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕХНОЛОГИИ UWB

PHYSICAL FOUNDATIONS AND OPERATING PRINCIPLES OF UWB TECHNOLOGY

Aleksei Iskorkin

master’s student, Department of Information Technology and Computing Systems, Moscow State Technological University «STANKIN»,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются физические основы и принципы работы технологии сверхширокополосной связи (UWB). Анализируются математические модели UWB-сигналов, методы модуляции и особенности распространения импульсов сверхкороткой длительности. Особое внимание уделено механизмам измерения расстояний и методам реализации высокоточного позиционирования. Представлены основные технические характеристики и области применения технологии UWB в современных системах беспроводной связи.

ABSTRACT

The article examines the physical foundations and operating principles of Ultra-Wideband (UWB) technology. Mathematical models of UWB signals, modulation methods, and features of ultra-short pulse propagation are analyzed. Special attention is paid to distance measurement mechanisms and methods for implementing high-precision positioning. The main technical characteristics and applications of UWB technology in modern wireless communication systems are presented.

Ключевые слова: UWB; сверхширокополосная связь; импульсная радиосвязь; позиционирование; измерение расстояний; IEEE 802.15.4a.

Keywords: UWB; ultra-wideband communication; impulse radio; positioning; distance measurement; IEEE 802.15.4a.

Технология сверхширокополосной связи (Ultra-Wideband, UWB) представляет собой революционный подход к беспроводной связи ближнего радиуса действия, основанный на передаче импульсов сверхкороткой длительности [1]. Фундаментальное отличие UWB от традиционных радиосистем заключается в использовании сигналов, занимающих полосу частот более 500 МГц или относительную полосу более 20% от центральной частоты [2]. Данная технология обеспечивает беспрецедентную точность позиционирования на уровне сантиметров, что делает её незаменимой для применений, требующих высокоточного определения местоположения объектов в пространстве.

Федеральная комиссия по связи США в 2002 году официально разрешила коммерческое использование UWB-технологии в диапазоне частот 3,1-10,6 ГГц, установив строгие ограничения на спектральную плотность мощности для обеспечения совместимости с существующими радиосистемами [3]. Это решение открыло путь для массового внедрения UWB в различных приложениях, от промышленной автоматизации до потребительской электроники.

UWB-сигналы характеризуются использованием импульсов экстремально короткой длительности, типично от 0,2 до 2 наносекунд, что обеспечивает уникальные физические свойства данной технологии [4]. Наиболее распространенной формой UWB-импульса является гауссов дублет, который может быть математически описан следующим выражением:

где A представляет амплитудный коэффициент, а τ является параметром формы импульса, определяющим его временную длительность и спектральные характеристики [5]. Данная форма импульса обеспечивает оптимальное распределение энергии в частотной области при минимальной длительности во временной области.

Короткая длительность UWB-импульсов обуславливает их исключительно широкий частотный спектр в соответствии с фундаментальным принципом неопределенности Гейзенберга [4], который устанавливает соотношение между временным и частотным разрешением:

где Δt представляет длительность импульса, а Δf — ширину занимаемого спектра [4]. Данное физическое ограничение объясняет, почему импульсы наносекундной длительности неизбежно занимают полосу частот в несколько гигагерц, что является характерной особенностью всех UWB-систем.

Регулятивными органами установлены строгие ограничения на спектральную плотность мощности UWB-сигналов для предотвращения интерференции с существующими радиосистемами. Эквивалентная изотропно излучаемая мощность не должна превышать -41,3 дБм/МГц в основном диапазоне работы 3,1-10,6 ГГц, что требует применения специальных методов формирования сигналов и антенных систем [3].

В UWB-системах применяются различные методы модуляции информации, каждый из которых обладает специфическими преимуществами и областями применения. Позиционно-импульсная модуляция заключается в кодировании информации временным сдвигом импульса относительно его номинального положения, что обеспечивает высокую помехоустойчивость в условиях многолучевого распространения [6]. Биполярная модуляция использует изменение полярности импульса для передачи бинарной информации, позволяя достичь высокой спектральной эффективности при простой реализации приемопередающих устройств.

Амплитудная модуляция основана на варьировании амплитуды импульса для кодирования многоуровневых сигналов, что увеличивает скорость передачи данных за счет некоторого снижения помехоустойчивости. Модуляция включения-выключения представляет собой наиболее простой метод, при котором информация передается наличием или отсутствием импульса в определенный временной интервал, что обеспечивает минимальное энергопотребление передающего устройства [7].

Фундаментальный принцип позиционирования в UWB основан на прецизионном измерении времени прохождения сигнала между передатчиком и приемником. Расстояние между устройствами определяется согласно базовому уравнению:

где c представляет скорость света в вакууме (приблизительно 3×10⁸ м/с), а t — измеренное время распространения сигнала [7]. Точность данного метода напрямую зависит от временного разрешения системы измерения, которое в современных UWB-устройствах может достигать пикосекундного уровня.

Стандарт IEEE 802.15.4a определяет два основных частотных диапазона для UWB-систем: низкочастотный диапазон 3,1-4,8 ГГц и высокочастотный диапазон 6,0-10,6 ГГц [2]. Выбор диапазона зависит от специфических требований приложения, при этом низкочастотный диапазон обеспечивает лучшее проникновение через препятствия, а высокочастотный — более высокое временное разрешение и точность позиционирования.

UWB-технология обеспечивает исключительно высокую точность позиционирования, которая в идеальных условиях прямой видимости может достигать уровня менее 10 сантиметров [4]. В реальных условиях эксплуатации, характеризующихся наличием препятствий и многолучевого распространения, точность обычно составляет от 30 сантиметров до 1 метра в зависимости от сложности окружающей среды и качества реализации алгоритмов обработки сигналов.

Ключевым преимуществом UWB перед традиционными технологиями позиционирования является высокая устойчивость к многолучевому распространению. Короткие импульсы позволяют разделить прямой сигнал и отраженные копии во временной области, что существенно повышает точность измерений в сложных indoor-средах с большим количеством металлических конструкций и движущихся объектов.

Технология UWB представляет собой уникальное решение для высокоточного позиционирования и передачи данных на короткие расстояния, основанное на фундаментальных физических принципах распространения импульсов сверхкороткой длительности. Разнообразие методов измерения расстояний от простого времени прохождения до сложных алгоритмов двустороннего обмена обеспечивает гибкость применения технологии в различных сценариях использования. Строгие регулятивные ограничения гарантируют совместимость с существующими радиосистемами при сохранении высоких характеристик точности и помехоустойчивости. Продолжающееся развитие стандартов и внедрение UWB в массовые потребительские устройства открывает новые возможности для создания интеллектуальных систем позиционирования и связи будущего.

Список литературы:

1. Win M.Z., Scholtz R.A. Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications // IEEE Transactions on Communications. — 2000. — Vol. 48, No. 4. — P. 679-689.
2. IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks. IEEE Std 802.15.4a-2007 (Amendment to IEEE Std 802.15.4-2006). — New York: IEEE, 2007. — P. 203
3. Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commission's Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems. First Report and Order, ET Docket 98-153, FCC 02-48. — Washington: FCC, 2002.
4. Новичков А.Р., Гончаров И.К., Егорушкин А.Ю., Фащевский Н.Н. Исследование технологии сверхширокополосных радиосигналов для решения задачи позиционирования внутри помещений. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, вып. 12. http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2021-12-2140 — 3 c.
5. Bai Z., Yuan D., Zhang H., Kwak K. Cognitive Pulse Shaping for M-ary Direct Sequence BPAM UWB System. 3rd International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications (CrownCom 2008). 2008.: https://doi.org/10.1109/CROWNCOM.2008.4562498 — p.1-4
6. Reed J.H. An Introduction to Ultra Wideband Communication Systems. — Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, 2005. — 656 p.
7. Ultra-Wideband Technology Overview - Qorvo. 2022. [электронный ресурс] — URL: https://www.qorvo.com/innovation/ultra-wideband/technology