Introduction à la technologie ultra large bande (UWB)
Apprenez les bases du protocole sans fil ultra large bande à courte portée, une technologie que l'on retrouve dans les appareils de pointe.
L'ultra large bande (UWB), une communication vieille de 132 ans, est maintenant revitalisée pour la connexion sans fil d'appareils sur de courtes distances. De nombreux observateurs de l'industrie affirment que l'UWB pourrait s'avérer plus efficace que le Bluetooth, car il offre une vitesse supérieure, est moins cher, utilise moins d'énergie, est plus sécurisé et offre une détection de localisation et une plage d'appareils supérieures.
Des entreprises telles qu'Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch et Xtreme Spectrum recherchent et investissent dans la technologie UWB. En fait, Apple fournit déjà des puces UWB dans son iPhone 11 permettant une précision de positionnement supérieure et une plage de mesure du « temps de vol ».
Dans cet article, nous couvrirons les bases de la technologie ultra large bande, y compris ses origines, ses avantages et un aperçu de haut niveau des méthodes de transmission.
Qu'est-ce que la technologie UWB ?
L'Ultra-large bande (UWB) est un protocole de communication sans fil à courte portée, comme le Wi-Fi ou le Bluetooth, qui utilise des ondes radio d'impulsions courtes sur un spectre de fréquences allant de 3,1 à 10,5 GHz dans des applications sans licence.
Le terme UWB est utilisé pour une bande passante (BW) supérieure ou égale à 500 MHz ou une bande passante fractionnaire (FBW) supérieure à 20 % où FBW =BW/fc , où fc est la fréquence centrale.
Historique de l'UWB
L'histoire de la technologie UWB remonte à l'époque de la première radio artificielle lorsque Marconi utilisait des émetteurs à éclateur (impulsions électriques courtes) pour la communication sans fil.
En 1920, les signaux UWB ont été interdits d'utilisation commerciale. La technologie UWB était limitée aux applications de défense dans le cadre de programmes hautement classifiés pour une communication sécurisée. Ce n'est qu'en 1992 que l'UWB a commencé à attirer l'attention de la communauté scientifique.
Les développements dans les microprocesseurs à grande vitesse et les techniques de commutation rapide ont rendu l'UWB commercialement viable pour les communications à courte portée et à faible coût. Les premières applications incluent les systèmes radar, la communication, l'électronique grand public, les réseaux personnels sans fil, la localisation et l'électronique médicale. Depuis lors, une connaissance détaillée de l'électromagnétisme UWB, des composants et de l'ingénierie système a été développée.
En 2002, la Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis a été la première organisation au monde à publier des réglementations UWB autorisant l'utilisation sans licence du spectre alloué. Cependant, la limite de puissance autorisée a été fixée très bas pour éviter les interférences avec d'autres technologies qui fonctionnent dans cette bande de fréquences telles que le WiFi, le Bluetooth, etc.
La faible densité spectrale des signaux UWB est attrayante, ce qui rend l'UWB moins sensible aux interférences dans la bande provenant d'autres signaux à bande étroite et très sûr car ils sont difficiles à détecter en raison de la faible densité de puissance.
Les avantages de la technologie ultra large bande
La très large bande passante des signaux UWB permet des performances intérieures supérieures aux systèmes traditionnels à bande étroite.
Certaines des fonctionnalités de cette bande passante sont mises en évidence ci-dessous :
- La large bande passante offre une immunité contre l'effet de canal dans un environnement dense et permet des résolutions espace-temps très fines pour un positionnement intérieur très précis des nœuds UWB, par exemple, le nouvel iPhone 11.
- La faible densité spectrale, inférieure au bruit environnemental, garantit une faible probabilité de détection du signal et augmente la sécurité de la communication.
- Des débits de données élevés peuvent être transmis sur une courte distance à l'aide de la technologie UWB.
- Les systèmes UWB peuvent coexister avec des systèmes à bande étroite déjà déployés.
Transmission UWB
Deux approches différentes sont adoptées pour la transmission des données :
- Impulsions ultra-courtes de l'ordre de la picoseconde, qui couvrent toutes les fréquences simultanément (également appelées radios à impulsions)
- Subdiviser la bande passante UWB totale en un ensemble de canaux de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) à large bande
La première approche est rentable au détriment du rapport signal sur bruit dégradé. En général, la transmission radio impulsionnelle ne nécessite pas l'utilisation d'une porteuse, ce qui signifie une complexité réduite par rapport aux émetteurs-récepteurs traditionnels à bande étroite (c'est-à-dire une architecture d'émetteur-récepteur plus simple) car le signal est directement rayonné via l'antenne UWB. Le monocycle gaussien ou l'un de ses dérivés est un exemple d'impulsion UWB facile à générer.
La deuxième approche exploite le spectre plus efficacement et offre de meilleures performances et un meilleur débit de données au détriment d'une complexité accrue (c'est-à-dire nécessite un traitement du signal) et d'une consommation d'énergie.
Le choix entre les deux approches dépend des applications.
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