Évaluer les avantages des systèmes à ultra-large bande grâce aux radios à impulsions

En utilisant les radios à impulsion comme exemple, nous examinerons les avantages de la technologie à ultra-large bande (UWB) par rapport aux autres technologies de communication sans fil à courte portée.

L'ultra large bande (UWB) est une technologie de communication sans fil à courte portée, comme le Wi-Fi ou le Bluetooth, qui utilise une très large bande de fréquence relative et/ou absolue pour envoyer et recevoir des informations. Conformément à la réglementation FCC, un appareil UWB peut être utilisé sans licence dans la bande 3,1 à 10,6 GHz (PDF).

Dans cet article, nous examinerons certaines des caractéristiques importantes de la technologie UWB.

UWB partage le spectre radio

Des parties de la gamme de fréquences allouée à l'UWB sont déjà utilisées par les systèmes de communication existants. Par exemple, comme indiqué ci-dessous, le 802.11ac, un protocole de communication WLAN à haut débit, et l'UWB sont autorisés à utiliser la bande de fréquences autour de 5 GHz.

Figure 1. Schéma de l'UWB fonctionnant sous le « plancher de bruit ». Image utilisée avec l'aimable autorisation de l'UIT

L'UWB tente d'utiliser plus efficacement les rares ressources spectrales.

Comment la technologie UWB peut-elle utiliser le même spectre que les systèmes sans fil existants sans provoquer d'interférences ? Ceci est réalisé en limitant la densité spectrale de puissance du signal électromagnétique émis par un émetteur UWB.

Selon la FCC (le régulateur de fréquence américain), la densité spectrale de puissance d'un émetteur UWB intérieur doit être inférieure à -41,3 dBm/MHz entre 3,1 et 10,6 GHz. Cela limite les interférences causées par un appareil UWB.

La figure 2 montre le masque spectral exigé par la FCC pour un émetteur UWB intérieur.

Figure 2. Le masque spectral pour un émetteur UWB d'intérieur. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Communications et réseaux sans fil ultra-large bande

L'UWB offre des avantages en termes de débit de transfert de données, d'immunité à l'effet de trajets multiples, de précision de portée élevée, de faible consommation d'énergie et de simplicité de mise en œuvre. Considérons une classe de systèmes UWB appelés radios à impulsions pour mieux comprendre les principales caractéristiques de cette technologie.

Radio à impulsion

Alors que les systèmes de communication conventionnels à bande étroite transmettent une forme d'onde continue, une radio à impulsions transmet des impulsions de durée ultra-courte (moins de 1 ns) pour communiquer des informations.

Après chaque impulsion, l'émetteur reste « silencieux » pendant une période de temps relativement longue. Par exemple, une radio à impulsions peut ne transmettre qu'une seule impulsion de 1 ns pendant tous les intervalles de temps de 100 ns. Dans ce cas, on dit que le rapport cyclique est de 1% (l'impulsion n'est présente que 1% du temps de transmission).

Figure 3. Une séquence d'impulsions typique transmise par une radio à impulsions

Ces impulsions peuvent être modulées de différentes manières pour véhiculer des informations. La figure 4 ci-dessous montre comment la modulation de position d'impulsion et la modulation biphasée modifient une séquence non modulée.

Figure 4. La position d'impulsion et les modulations biphasées modifient une séquence non modulée. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

A noter qu'une courte durée correspond à une large bande passante dans le domaine fréquentiel. Par conséquent, en fonction de la durée du signal, un signal à large bande sera émis par l'antenne émettrice UWB.

Figure 5. Les signaux émis par une radio impulsionnelle occupent une large bande de fréquence. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Time Domain Corporation

La fréquence centrale et la bande passante des signaux transmis dépendent entièrement de la largeur de l'impulsion.

Faible consommation d'énergie

Etant donné que les impulsions ne sont émises que pendant un faible pourcentage du temps d'émission, la puissance moyenne émise par l'émetteur est très faible. Ayant une puissance d'émission de l'ordre du microwatt, un dispositif UWB peut prolonger la durée de vie de la batterie.

Débit de données élevé

Bien que la puissance émise soit limitée, l'UWB permet l'utilisation sans licence d'un spectre à bande extrêmement large. Cela nous permet d'avoir des débits de données élevés (>100Mbit/s). Cependant, ce débit de données élevé ne peut être atteint que sur une distance de transmission relativement courte de 10 m. En effet, seule une très faible puissance est émise pour chaque bit d'information.

À des débits de données inférieurs (<1 Mbit/s), nous pouvons utiliser un facteur d'étalement important pour prendre en charge des distances plus longues. Le tableau suivant compare le débit de données et la portée de l'UWB avec d'autres technologies de communication sans fil en intérieur.

Système	Débit de données maximal (Mbit/s)	Distance de transmission (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB par rapport aux technologies de communication sans fil intérieures comparables. Données utilisées avec l'aimable autorisation de Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robuste à l'effet multi-trajets

Les signaux UWB présentent une plus grande robustesse à l'effet de trajets multiples que les technologies sans fil conventionnelles. Supposons qu'en plus d'un chemin direct pour la propagation des ondes électromagnétiques de l'émetteur au récepteur, il existe un autre chemin causé par les réflexions d'un objet.

Figure 6. Représentation d'un effet de trajets multiples

Le temps (t) qu'il faut au signal transmis pour parcourir la distance totale (d) d'un trajet donné peut être obtenu par l'équation suivante :

d =c x t

où c désigne la vitesse de l'onde électromagnétique qui est d'environ 3✕10 ⁸ Mme. Ainsi, pour chaque impulsion que nous transmettons, deux impulsions apparaissent à l'entrée du récepteur. Ceci est illustré sur la figure 7 dans laquelle les impulsions émises et reçues sont représentées dans un diagramme.

Figure 7. Pour chaque impulsion transmise, deux impulsions apparaissent à l'entrée du récepteur.

Sur cette figure, les deux impulsions reçues sont facilement reconnaissables car elles ne se chevauchent pas. Cependant, ce n'est pas le cas en général. En examinant la figure ci-dessus, nous pouvons voir que les impulsions n'interfèrent pas, uniquement si la différence de retard entre les deux chemins (t₁ -t₀ ) est plus grand que la largeur d'impulsion (PW).

Étant donné que les impulsions UWB ont une durée très courte, les impulsions provenant des différents chemins sont plus susceptibles de ne pas interférer avec notre impulsion souhaitée. Par conséquent, nous pouvons facilement extraire le signal souhaité de ceux provenant de réflexions indésirables. Cela donne à un système UWB une plus grande immunité à l'effet de trajets multiples. Alternativement, l'énergie peut être additionnée par un récepteur à râteau.

Précision de portée élevée

Comme indiqué ci-dessus, la résolution temporelle précise des signaux UWB nous permet de disposer d'un système capable de résoudre les composants à trajets multiples sans recourir à des algorithmes complexes. Cela rend l'UWB adapté aux applications d'estimation de distance basées sur l'heure d'arrivée (ToA).

Il est intéressant de mentionner que bien que ces schémas de télémétrie de base de temps bénéficient de la haute résolution temporelle des signaux UWB, ils ont leurs propres limites. Par exemple, du fait que les impulsions UWB ont une durée très courte, la gigue d'horloge devient un facteur limitant.

Conclusion

Comme nous l'avons vu avec les radios à impulsions, l'UWB peut être une technologie de communication à courte portée avantageuse en raison de son taux de transfert de données, de son immunité à l'effet multivoies, de sa précision de portée élevée, de sa faible consommation d'énergie et de sa facilité de mise en œuvre. Pour ces raisons, de nombreux développeurs commerciaux se tournent vers l'UWB au lieu des options de communication en champ proche (NFC) pour améliorer la mise en œuvre et la sécurité de la conception.