Découvrez comment les radios à impulsion ultra-large bande (UWB) surpassent Wi-Fi et Bluetooth

En utilisant les radios à impulsion comme exemple, nous examinerons les avantages de la technologie 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 bande de fréquence relative et/ou absolue très large pour envoyer et recevoir de l'information. Selon les réglementations FCC, un dispositif UWB peut être opéré sans licence dans la bande 3,1–10,6 GHz (PDF).

Dans cet article, nous jetterons un coup d'œil à certaines des caractéristiques importantes de la technologie UWB.

L'UWB partage le spectre radio

Des parties de la plage de fréquence allouée à l'UWB sont déjà utilisées par des systèmes de communication existants. Par exemple, comme montré ci-dessous, à la fois 802.11ac — un protocole de communication WLAN à haut débit — et l'UWB sont autorisés à utiliser la bande de fréquence autour de 5 GHz.

Figure 1. Diagramme de l'UWB fonctionnant sous le « plancher de bruit ». Image used courtesy of ITU

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

Comment la technologie UWB peut-elle utiliser le même spectre que les systèmes sans fil existants sans causer d'interférences ? Cela 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 d'intérieur devrait être en dessous de -41,3 dBm/MHz entre 3,1 et 10,6 GHz. Cela limite les interférences causées par un dispositif UWB.

La Figure 2 montre le masque spectral imposé par la FCC pour un émetteur UWB d'intérieur.

Figure 2. Le masque spectral pour un émetteur UWB d'intérieur. Image used courtesy of Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks

L'UWB offre des avantages en termes de débit de transfert de données, immunité à l'effet multipath, haute précision de localisation, faible consommation d'énergie et simplicité d'implémentation. Examinons une classe de systèmes UWB appelés radios à impulsion pour mieux comprendre les caractéristiques clés de cette technologie.

Radio à impulsion

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

Après chaque impulsion, l'émetteur reste « silencieux » pendant une période relativement longue. Par exemple, une radio à impulsion pourrait transmettre seulement une seule impulsion de 1 ns pendant chaque intervalle de temps de 100 ns. Dans ce cas, nous disons que le cycle de service est de 1 % (l'impulsion est présente seulement 1 % du temps de transmission).

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

Ces impulsions peuvent être modulées de différentes manières pour transmettre l'information. La Figure 4 ci-dessous montre comment la modulation de position d'impulsion et la modulation bi-phase changent une séquence non modulée.

Figure 4. La modulation de position d'impulsion et la modulation bi-phase changent une séquence non modulée. Image used courtesy of Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Notez qu'une courte durée temporelle correspond à une large bande passante dans le domaine fréquentiel. Par conséquent, selon la durée du signal, un signal à large bande sera émis par l'antenne d'émission UWB.

Figure 5. Les signaux transmis par une radio à impulsion occupent une large bande de fréquence. Image used courtesy of the Time Domain Corporation

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

Faible consommation d'énergie

Puisque les impulsions sont transmises seulement pendant un petit pourcentage du temps de transmission, la puissance moyenne émise par l'émetteur est très faible. Avec une puissance de transmission de l'ordre des microwatts, un dispositif UWB peut prolonger la durée de vie de la batterie.

Haut débit de données

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

À des débits plus faibles (<1 Mbit/s), nous pouvons employer un grand facteur d'étalement pour supporter 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 d'intérieur.

Système	Débit max (Mbps)	Distance (m)
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWB vs technologies de communication sans fil d'intérieur comparables. Données used courtesy of Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering

Robustesse à l'effet multipath

Les signaux UWB présentent une plus grande robustesse à l'effet multipath que les technologies sans fil conventionnelles. Supposons qu'en plus d'un chemin direct pour la propagation de l'onde électromagnétique de l'émetteur au récepteur, il y a un autre chemin causé par les réflexions d'un objet.

Figure 6. Représentation d'un effet multipath

Le temps (t) qu'il faut pour que le signal transmis parcoure la distance totale (d) d'un chemin 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 3×10⁸ m/s. Donc, pour chaque impulsion que nous transmettons, deux impulsions apparaissent à l'entrée du récepteur. Cela est illustré dans la Figure 7 où les impulsions transmises et reçues sont montrées dans un diagramme.

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

Dans 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'interféreront pas — seulement si la différence de délai entre les deux chemins (t₁-t₀) est plus grande que la largeur d'impulsion (PW).

Puisque les impulsions UWB ont une durée très courte, les impulsions provenant des différents chemins sont plus susceptibles de ne pas interférer avec notre impulsion désirée. Donc, nous pouvons facilement extraire le signal désiré de ceux provenant de réflexions indésirables. Cela donne à un système UWB plus d'immunité à l'effet multipath. Alternativement, l'énergie peut être sommée ensemble par un récepteur rake.

Haute précision de localisation

Comme discuté ci-dessus, la résolution temporelle aiguë des signaux UWB nous permet d'avoir un système qui peut résoudre les composantes multipath sans recourir à des algorithmes complexes. Cela rend l'UWB adapté pour les applications d'estimation de portée basées sur le temps d'arrivée (ToA).

Il vaut la peine de mentionner que bien que ces schémas de localisation basés sur le temps bénéficient de la haute résolution temporelle des signaux UWB, ils ont leurs propres limitations. Par exemple, parce que les impulsions UWB ont une durée très courte, le gigue d'horloge devient un facteur limitant.

Conclusion

Comme nous l'avons vu avec les radios à impulsion, l'UWB peut être une technologie de communication à courte portée bénéfique en raison de son débit de transfert de données, immunité à l'effet multipath, haute précision de localisation, faible consommation d'énergie et facilité d'implémentation. Pour ces raisons, de nombreux développeurs commerciaux se tournent vers l'UWB au lieu des options de communication en champ proche (NFC) pour améliorer l'implémentation de conception et la sécurité.