Differential Binary PSK (Phase Shift Keying)-basierte UWB (Ultra Wideband)-Kommunikation

Ich versuche, eine Schaltung zu erstellen, die eine drahtlose Kommunikation über kurze Entfernungen (weniger als 10 Meter) mit einer sehr hohen Datenrate (ca. 10 Mbit / s) und einer geringen Leistung (im Bereich von 10 bis 20 mW) durchführen kann. Es gab IEEE-Papiere, in denen Leute dies mit UWB implementiert haben. Sie haben etwa 20–25 mW Leistung verbraucht, um mit 10–15 Mbps auf etwa 4–5 Meter zu übertragen.

Aus diesem Grund habe ich mich entschieden, dies mit der UWB-Technologie zu tun. Die UWB-Technologie verwendet eine große Bandbreite sogar in den lizenzierten Regionen, um eine gute Bandbreite zu erhalten. Die FCC hat einen oberen Schwellenwert von -41,3 dBm/MHz festgelegt, um die Reichweite und damit die Interferenz mit anderen lizenzierten Produkten zu begrenzen. Wegen der niedrigen spektralen Ausgangsdichte ist es möglich, eine gute Datenrate zu haben, die wenig Energie für kleine Reichweiten verbraucht.

UWB erfordert die Implementierung von Modulationstechniken. Es stehen verschiedene Optionen wie PPM und BPSK zur Verfügung. BPSK hat sich im Vergleich zu PPM als besser geeignet erwiesen, da das Leistungsspektrum von PPM Spitzen aufweist und daher die Nutzung stark einschränkt (denken Sie an den FCC-Schwellenwert von -41,3 dBm/MHz). Dadurch bin ich bei BPSK (Binary PSK) oder genauer gesagt DBPSK (Differential BPSK) gelandet. Differentielles BPSK erfordert keine kohärenten Takte auf dem Sender-Empfänger und wird daher bevorzugt.

Anstatt auf das Design der gesamten Modulations-/Demodulationsschaltung einzugehen, möchte ich kommerzielle ICs/Module verwenden. Design hat viele Herausforderungen:

  1. Das Design von Antennen und Modulations-/Demodulationsschaltungen ist bei solch hohen Frequenzen sehr schwierig.
  2. Die Wellenlänge bei solch hohen Frequenzen ist proportional zu den Schaltungsabmessungen und erzeugt daher eine ganze Reihe neuer Probleme.
  3. Zeit ist in meinem Fall kritisch. Ich habe weder die Zeit noch die Ressourcen, Schaltungssimulationen durchzuführen und eine gute Schaltung zu entwerfen. Das Entwerfen einer Schaltung kann eine Fortsetzung meiner Arbeit sein.

Wenn Sie also Ideen zu verschiedenen kommerziellen ICs oder Modulen haben, die für Folgendes verfügbar sind, wäre das wirklich großartig

  1. Sender: Modulator (+ Antenne) für differentielles BPSK. Es gibt Leistungsbeschränkungen und sollte in der Lage sein, mit hohen Frequenzen zu kommunizieren.
  2. Empfänger: Antenne + HF-Detektor gefolgt von Demodulator.

Nur um meine Anforderungen an den Sender zusammenzufassen:

  1. Gewicht: 100 Gramm oder weniger
  2. Datenrate: 10 Mbit/s
  3. Leistung: Weniger als 50 mW (kleiner desto besser)
  4. Reichweite: Weniger als 10 Meter

Receiver hat keine solchen Einschränkungen. Der Sender ist tragbar und batteriebetrieben und daher gibt es viele Beschränkungen.

Bitte lassen Sie es mich wissen, wenn Sie weitere Informationen benötigen. Vielen Dank im Voraus.

Bearbeiten: Vollständige Umstrukturierung der Frage

Warum überhaupt auf einen Träger aufmodulieren? Sie haben nichts darüber gesagt, dass ein drahtloser Betrieb erforderlich ist. Sowohl Ethernet als auch USB können sofort tun, was Sie wollen. Es scheint albern, ein eigenes Modulationsschema zu erfinden.
Es tut mir leid, dass ich es nicht ausdrücklich erwähnt habe, aber ich suche nach einem drahtlosen Schema.
Ist Ihnen klar, dass Sie ohne bidirektionale Kommunikation keine zuverlässige Kommunikation erhalten können? Wenn ein Gerät nur ein Sender ist, muss man sich auf eine gewisse Fehlerquote einstellen.
@NeelMehta Können Sie uns einige Links zu diesen IEEE-Papieren geben, von denen Sie sprechen?
Ich bin theoretisch etwas eingerostet ... aber bedeutet -41,3 dBm / MHz nicht, dass Ihre EIRP weniger als -41,3 dBm pro verwendetem MHz betragen muss? Um also eine Ausgangsleistung von bis zu 20 mW zu erreichen, müssten Sie sie über 270 GHz verteilen?
@Kellenjb: Eines der IEEE-Papiere ist hier . 20 mW ist nicht die Ausgangsleistung, sondern die vom System verbrauchte Leistung. Die Ausgangsleistung wird viel kleiner sein.
@OlinLathrop: Ja, ich bin auf eine Fehlerquote vorbereitet. Abhängig von der Fehlerrate plane ich, zusätzliche Daten wie Prüfsumme, CRC usw. zu senden, um die Fehlerrate zu reduzieren.

Antworten (4)

Ihre Frage scheint widersprüchlich zu sein - Sie scheinen zu sagen, dass Sie "eine Schaltung erstellen" möchten, ohne tatsächlich "eine Schaltung zu entwerfen".

Ich werde das so interpretieren, dass Sie sagen möchten, dass Sie "ein komplettes System aufbauen möchten, einschließlich des Entwerfens eines High-Level-Protokolls und des Auslegens einiger Leiterplatten und des Lötens integrierter Schaltkreise auf die Platinen und des Einsteckens von Unterbaugruppenmodulen in diese Platinen". aber Sie möchten lieber nicht "einen vollständig benutzerdefinierten ASIC von Grund auf neu entwerfen und herstellen" oder "etwas aus Dutzenden diskreter Transistoren anstelle eines Chips entwerfen" oder "EM-Simulationen entwerfen und durchführen und ein vollständig benutzerdefiniertes Antennensystem konstruieren und FCC erhalten Genehmigung".

Ich habe gehört, dass UWB zumindest für niedrige Datenraten mit einfachen Schaltungen mit handelsüblichen Chips hergestellt werden kann, die weit verbreitet waren, lange bevor irgendjemand jemals von UWB gehört hatte.

Leider kenne ich keine spezifischen Chips, die Sie für die gewünschte Datenrate verwenden könnten, geschweige denn, ob es handelsübliche Module gibt, die diese Chips verwenden, aber ich habe gehört, dass solche Chips existieren. Lassen Sie mich Ihnen einige Links geben, die zu diesen Chips führen könnten.

Soweit ich weiß, gibt es derzeit nur einen UWB-Standard – Multiband OFDM von WiMedia, standardisiert als ECMA-368 und ECMA-369. Mein Verständnis ist, dass „Certified Wireless USB“ und eine potenzielle zukünftige Version von „Bluetooth“ und eine potenzielle zukünftige Version von „Zigbee“ übergeordnete Schichten auf dem UWB-Standard von WiMedia sind.

Soweit ich weiß, gibt es mehrere Chiphersteller, die Chips herstellen, die diesem Standard entsprechen. ein b

Ich habe gehört, dass mehrere andere Chiphersteller nicht ECMA-konforme Chips herstellen, darunter Pulse~LINK , DecaWave , IMEC , WiLinx , Wisair . Vermutlich verwenden diese Chips einige andere vorgeschlagene Standard- oder proprietäre UWB-Techniken.

Wenn Sie kein handelsübliches Modul finden und nach einzelnen Chips suchen, vermute ich, dass viele der für HomePlug entwickelten Chips als Teil eines UWB-Systems verwendet werden können.

Ihre eigene HF-Kommunikation mit 10 Mbit/s zu betreiben ist nicht trivial und erfordert eine behördliche Genehmigung, ebenso wie jeder absichtliche Strahler. Da Sie hier nach den Grundlagen fragen, gehe ich davon aus, dass eine vollständig lizenzierte oder genehmigte HF-Entwicklung außerhalb Ihres Bereichs liegt. Es würde in jedem Fall viel Zeit und Geld kosten. Ich sehe daher zwei Möglichkeiten:

  1. Verwenden Sie etwas von der Stange. WiFi scheint die offensichtliche Wahl zu sein. Sie können bereits lizenzierte Module kaufen und die Datenrate unterstützen.

  2. Verwenden Sie keine HF. Sie sagten "kurze" Reichweite, also ist vielleicht eine Art Lichtmodulation eine Möglichkeit. Licht emittierende Vorrichtungen können mit diesen Geschwindigkeiten moduliert werden, aber Detektionsschaltungen mit dieser Bandbreite werden nicht trivial sein. Dann gibt es noch das Problem, die Ausgabe der Datenslices in einen aussagekräftigen und verifizierten Bitstrom umzuwandeln. Bei 10 Mbit/s muss das in einem FPGA erfolgen. Ich sehe keinen Mikrocontroller mit genügend Rechenleistung, um beispielsweise Manchester-Decodierung bei diesen Geschwindigkeiten durchzuführen.

Ich denke, 10MBit/sec sollten in nicht lizenzierter Bandbreite möglich sein. Es gibt handelsübliche Geräte, um Videos drahtlos in 900 MHz und 2,4 GHz zu senden. Ich würde denken, dass man ein Gerät entwickeln könnte, um einen Datenstrom von 1,25 MByte/Sekunde in einen Videostrom mit ausreichender Vorwärtsfehlerkorrektur umzuwandeln, um eine brauchbare Datenrate bereitzustellen (z vordere/hintere Porches leer, Senden von 320 Pixeln pro Zeile, 240 Zeilen/Halbbild, bei jeweils 8 Graustufen wäre eine Rohdatenrate von 13,8 Mbit/s.
Ich möchte das nicht als optimales Format für das Senden von drahtlosen Daten vorschlagen, aber die Bandbreite scheint vorhanden zu sein.
Es ist möglich, auf niedrigen Energieniveaus mit einer sehr großen Bandbreite zu übertragen. Hier kommt der UWB ins Spiel. Die FCC hat einen Emissionsgrenzwert für die spektrale Leistungsdichte von -41,3 dBm/MHz festgelegt. Der Wiki-Artikel zu UWB erklärt das Gleiche kurz. Da ich nach einem tragbaren System mit geringem Stromverbrauch suche, scheint WiFi keine gute Möglichkeit zu sein. Daher schaue ich auf UWB. Da es nicht sehr beliebt ist, gibt es keine kommerziellen Module. Daher versuche ich, eine Schaltung mit verschiedenen ICs herzustellen.
@Olin, Sie sagen, die "nicht lizenzierten Bänder mit geringem Stromverbrauch" haben nicht die Bandbreite, die zum Übertragen von 10 Mbit / Sekunde erforderlich ist, sagen dann aber weiter, dass sie WLAN verwenden können. Soweit ich weiß, fällt 2,4 GHz in das, was ich als nicht lizenziertes Band mit geringer Leistung betrachten würde. Sie müssen eine FCC-Genehmigung einholen, um das Gerät herzustellen/zu verkaufen, aber dies ist keine Lizenz zur Nutzung des Bandes, sondern eine Genehmigung, dass Sie die Richtlinien befolgen, aber Sie müssten dies sowieso für jedes Frequenzband tun ... Können Sie klarstellen, was Sie meinen?
@NeelMehta Es wäre hilfreich für Sie, Ihre Frage mit den Details zu Leistung und Portabilität zu bearbeiten, da dies die "richtige" Antwort ändert.
@Kellenjb: Ja, du hast Recht, WLAN ist technisch nicht lizenziert, obwohl bestimmte Frequenzen für WLAN unterhalb einer bestimmten Leistungsgrenze zugewiesen sind. Ich werde die Erwähnung lizenzierter Bands aus meiner Antwort entfernen.
@Neel: Diese UWB-Sache, über die Sie immer wieder sprechen, klingt nach einem Spread-Spectrum-Ansatz. Wie viel Leistung steht Ihnen an beiden Enden zur Verfügung, um diesen 10-Mbit/s-Datenkanal zu unterstützen?
@Kellenjb: Ich habe die Frage umstrukturiert und mehr Details und Informationen bereitgestellt. Bitte schauen Sie es sich noch einmal an. Ich danke Ihnen für Ihre Geduld.
@OlinLathrop: Der Sender hat Leistungsbeschränkungen. Die Leistung sollte weniger als 50 mW betragen. Auf der anderen Seite hat der Empfänger keine derartigen Beschränkungen.
Warum die Ablehnung? Stealth-Downvotes helfen niemandem. Niemand weiß, in welchen Punkten Sie anderer Meinung sind, noch kann jemand selbst beurteilen, wer von uns falsch liegt.

Realistischerweise haben Sie die Wahl, einen hochintegrierten Chipsatz (oder wahrscheinlicher ein Modul) auszuwählen oder ein großes FPGA und einige Datenkonverter oder Chips zu erwerben, die die verschiedenen Funktionsblöcke implementieren, und einen Spektrumanalysator und mehrere Generatoren zu mieten und 6 bis 24 Monate zu beginnen Odyssee des Lernens.

Was angemessener ist, hängt wirklich davon ab, ob Ihr Ziel darin besteht, ein aktuelles Anwendungsproblem zu lösen oder zukünftige Arbeiten im Low-Level-Design solcher Module zu suchen.

Können Sie einen hochintegrierten Chipsatz empfehlen?
@Kellenjb - Ich dachte, wir haben keine Einkaufsfragen gestellt. WLAN als eine Vielzahl von Schemata und spektralen Zuordnungen wurde bereits erwähnt und verdient sicherlich eine ernsthafte Überlegung. Es gibt viele Anbieter, die Lösungen für diese und andere Technologien anbieten, wobei die Wahl unter ihnen von zahlreichen Faktoren abhängt, die in der Frage nicht berücksichtigt wurden.
@ChrisStratton: Ich habe versucht, mehr Details bereitzustellen und alles explizit anzugeben. Bitte schauen Sie, ob Sie mir Hinweise zu Chipsätzen (oder Modulen) geben können.

Ihre Aussagen "sehr hohe Datenrate (ca. 10 Mbit/s)", "ich habe mich für die UWB-Technologie entschieden." und "ich möchte keine Schaltung mit so hohen Frequenzen entwerfen" scheinen widersprüchlich zu sein.

Ich denke, Sie müssen entweder Ihre Erwartungen an die Datenrate senken oder damit rechnen, einige der Herausforderungen des HF-Designs anzugehen.

Was ich mit "Ich möchte keine Schaltung entwerfen" meinte, war, dass ich nicht beabsichtige, eine Schaltung mit einfachen Komponenten zu erstellen. Ich möchte dafür handelsübliche Komponenten verwenden. dh ich möchte kommerzielle ICs für die Modulation usw. verwenden, anstatt die Schaltungen dafür zu entwerfen. Ich hoffe, das löst den Konflikt.
Das sieht für mich wie ein Kommentar aus.
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