Introdução à tecnologia de banda ultralarga (UWB)

Aprenda os fundamentos do protocolo sem fio de banda ultralarga de curto alcance, uma tecnologia que pode ser encontrada em dispositivos de ponta.

Ultra-wideband (UWB), uma comunicação de 132 anos, agora está sendo revitalizada para conectar dispositivos sem fio em curtas distâncias. Muitos observadores da indústria afirmam que o UWB pode ser mais bem-sucedido do que o Bluetooth porque tem velocidade superior, é mais barato, usa menos energia, é mais seguro e fornece descoberta de localização e alcance de dispositivos superiores.

Empresas como Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch e Xtreme Spectrum estão pesquisando e investindo em tecnologia UWB. Na verdade, a Apple já fornece chips UWB em seu iPhone 11, permitindo uma precisão de posicionamento superior e variando através da medição de “tempo de voo”.

Neste artigo, cobriremos os fundamentos da tecnologia de banda ultralarga, incluindo suas origens, benefícios e uma visão de alto nível dos métodos de transmissão.

O que é UWB?

Ultra-wideband (UWB) é um protocolo de comunicação sem fio de curto alcance - como Wi-Fi ou Bluetooth - usa ondas de rádio de pulsos curtos em um espectro de frequências variando de 3,1 a 10,5 GHz em aplicativos não licenciados.

O termo UWB é usado para uma largura de banda (BW) maior ou igual a 500 MHz ou uma largura de banda fracionada (FBW) maior que 20%, onde FBW =BW / fc , onde fc é a frequência central.

História do UWB

A história da tecnologia UWB remonta à época do primeiro rádio feito pelo homem, quando Marconi usava transmissores de centelha (pulsos elétricos curtos) para comunicação sem fio.

Em 1920, os sinais UWB foram proibidos de uso comercial. A tecnologia UWB estava restrita a aplicativos de defesa em programas altamente classificados para comunicação segura. Não foi até 1992 que UWB começou a receber atenção notável na comunidade científica.

Desenvolvimentos em microprocessadores de alta velocidade e técnicas de comutação rápida tornaram o UWB comercialmente viável para comunicação de curto alcance e baixo custo. As primeiras aplicações incluem sistemas de radar, comunicação, eletrônicos de consumo, redes de área pessoal sem fio, localização e eletrônicos médicos. Desde então, foram desenvolvidos conhecimentos detalhados de eletromagnetismo UWB, componentes e engenharia de sistemas.

Em 2002, a Comissão Federal de Comunicação dos Estados Unidos (FCC) foi a primeira organização em todo o mundo a liberar regulamentações UWB permitindo o uso não licenciado do espectro alocado. No entanto, o limite de energia permitido foi definido muito baixo para evitar interferência com outras tecnologias que operam nesta banda de frequência, como WiFi, Bluetooth, etc.

A baixa densidade espectral dos sinais UWB é atraente, tornando o UWB menos suscetível à interferência dentro da banda de outros sinais de banda estreita e muito seguros, pois são difíceis de detectar devido à baixa densidade de potência.

As vantagens da tecnologia de banda ultralarga

A largura de banda muito ampla dos sinais UWB permite um desempenho interno superior em relação aos sistemas tradicionais de banda estreita.

Alguns dos recursos dessa largura de banda são destacados a seguir:

• A largura de banda ampla fornece imunidade contra o efeito de canal em um ambiente denso e permite resoluções de espaço-tempo muito finas para um posicionamento interno altamente preciso dos nós UWB, por exemplo, o novo iPhone 11.
• A baixa densidade espectral, abaixo do ruído ambiental, garante uma baixa probabilidade de detecção de sinal e aumenta a segurança da comunicação.
• Altas taxas de dados podem ser transmitidas em uma distância curta usando UWB.
• Os sistemas UWB podem coexistir com sistemas de banda estreita já implantados.

Transmissão UWB

Duas abordagens diferentes são adotadas para a transmissão de dados:

• Pulsos ultracurtos na faixa de picossegundos, que cobre todas as frequências simultaneamente (também chamados de rádios de impulso)
• Subdividindo a largura de banda UWB total em um conjunto de canais de multiplexação por divisão de frequência ortogonal de banda larga (OFDM)

A primeira abordagem é econômica em detrimento da relação sinal / ruído degradada. Em geral, a transmissão de rádio de impulso não requer o uso de uma portadora, o que significa complexidade reduzida em comparação com transceptores de banda estreita tradicionais (ou seja, arquitetura de transceptor mais simples), pois o sinal é irradiado diretamente através da antena UWB. Monociclo gaussiano ou um de seus derivados é um exemplo de pulso UWB fácil de gerar.

A segunda abordagem explora o espectro de forma mais eficiente e oferece melhor desempenho e rendimento de dados às custas de maior complexidade (ou seja, requer processamento de sinal) e consumo de energia.

A escolha entre as duas abordagens depende dos aplicativos.

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