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Dominique Paret / Jean-Paul Huon

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JESSICA oct. 2010

JESSICA14 octobre 2010

UWBUltra Wide Band

Quelques mots de techniques

Documents : Dominique PARET

dp-Consulting & cofondateur de FILRFID

Présentation : Jean-Paul HUON

Extelia – NFC/M2M Solution manager

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UWBC’est quoi au juste ?

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UWB vs Narrow Band communications?

Narrowband“NB” systems modulate continuous wave RF signals with a specific

carrier frequency to transmit and receive information.

A continuous waveform has a well-defined signal energy in a narrow

frequency band (kHz) that makes it vulnerable to intercept and detect.

UWBUWB systems use carrierless, short duration pulses with very low duty

cycle (<0.5%) for transmission and reception of the information.

The energy of such signals is spread over a very wide range of

frequencies (GHz); therefore, each frequency has very low power which

makes UWB signals very difficult to detect and intercept.

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What is UWB communications

Ultra-Wide Band communications is fundamentally different from all

other communication techniques

- UWB uses extremely short-time pulses (sub-nanosecond) to

communicate between transmitters and receivers.

- The short duration of UWB pulses instantaneously generates

very wide bandwidth (GHz) in frequency domain

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definition of a UWB signal? As defined by the Federal Communications Commission's (FCC) and

IEEE 802.15.4a standard, UWB signals must have

- bandwidths larger than 500 MHz

or - a fractional bandwidth larger than 20% at all times of transmission.

fractional bandwidth is the ratio of a signal's actual bandwidth to its center frequency (@ - 10 dB below peak density power center measurement).

- Example: fc = 3.1 GHz, fH = 3.6 GHz, fL = 2.6 GHz à FBW @ 33%

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RF signals classified on fractional bw?

The classification is based on their fractional bandwidth as follows:

Narrow Band signal Bf < 1 %

Wide Band signal 1% < Bf < 20%

Ultra Wide Band signal Bf > 20%

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Is UWB a new technology?

UWB is not a new technology !

It was first used by G. Marconi in 1901 for transmitting the Morse

code sequences across the Atlantic ocean using spark gap radio

transmitters.

However, the benefit of a large bandwidth and the capability of

implementing multi-user systems provided by electro-magnetic

pulses were never considered at that time.

UWB signal

- Radar history

- UWB communication made possible by DSP advances

- A sequence of pulses referred to as moncycles

- Sinusoidal carrier not required

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UWB

L’UWB présente les avantages suivants :

– technique :

la formule de Shannon de la Capacité d’un canal indique que

C = B log2(1+SNR)

- la capacité du canal (bits per second) croit linéairement avec la bande de fréquences B

- ne présente qu’une croissance logarithmique selon le rapport signal à bruit SNR.

Having several GHz of bandwidth available for UWB signals, high data

rate of Giga bits per second can be expected.

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UWB

L’UWB présente les avantages suivants :

– économique :

en effectuant des émissions de signaux dont la densité spectrale de puissance se situe en dessous du niveau de bruit ambiant, il n’y a pas besoin de demander des licences d’utilisation.

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UWB … signal generation

Il existe de nombreuses manières de générer des signaux dit UWB,

par exemple :

– radio impulsionnelle ou Impulse Radio (IR) consistant généralement à émettre en bande de base des impulsions de type gaussien de durée très brève et donc naturellement large bande.

– étalement de spectre par séquence directe – « DSSS » -, en utilisant un code pseudo aléatoire (ou PN : Pseudo Noise) à large bande (chirp).

– la modulation OFDM peut générer des signaux UWB grâce à une opération de IFFT.

- etc.

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UWB… localisation

… et techniques de localisation

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l’une des bases des systèmes de localisation

L(distance) = V (vitesse) x T(temps)

V = propagation du signal

Médium (air, eau, etc.)

Variation du milieu, absorption, réflexion, etc.

Précision de la vitesse

Temps ou delta temps

Précision / variation

Synchronisation des horloges

Mono horloge

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… mini rappel

L(distance) = V (vitesse) x T(temps)

1 m = 3 10^8 m/s x 1/3 10^-8 s

= 3 10^8 m/s x 3,33 ns

10 cm = ……………….. x 333 ps

1 cm = ……………….. x 33 ps

Problems :

time accuracy, spread, synchronization, very fast A/D converters, etc.

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Demands and performance measures in indoor localization

Major performance parameters to judge an localization system

- accuracy indicates how far the estimated location deviates from the true location.

- precision is a measure of the reproducibility of a measurement. accuracy is commonly supplemented by precision (e.g. 20 cm accuracy over 90% of the time).

For the robots applications, the required localization accuracy ranges

roughly from 5 cm (fine-grained robot positioning) to about 1m

(coarse-grained guidance system). In some cases, even less accuracy

is sufficient, for instance in occupancy detection in a room.

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outdoor

indoor

où

suis-je

où

est-il

Dm

m

dm

cm

précision

Exemple :choisissez votrecase !!

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Votre application … et ses points les plus marquants remarques

Cadre applicatif Localisation absolue relative

Zonage

Guidage

Traçage

à l’intérieur (indoor) en 2D en 3D

à l’extérieur (outdoor) en 2D en 3D

Contexte (para)humain

Je bouge vitesse d’évolution

Il bouge vitesse d’évolution

Contexte externe Environnement fixe

Environnement évolutif vitesse d’évolution

Exactitude demandée

…, Dm, m, dm, cm

Précisionsouhaitée

à ? % du temps

autres qui est il (RF) ID ?

que fait il RFID sensor ?

Etc.

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La matrice « n » dimensions de la localisation

Régulations ANRT / ARCEP … UWB bande / dBm/MHz

Position du problème de localisation Dm, m, dm, cm

indoor / outdoor

mobile ou non

2D / 3D / etc.

Technique de localisation souhaitée tri…xxx

TOA, AOA, etc.

Modulation du signal /à la régulation pulsée / Gauss.

(mise en forme du signal) DSSS, etc.

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UWB et localisation

En applications de dispositifs de « localisation » les impulsions UWB sont

souvent émises,

- avec un intervalle de répétition relativement important par rapport à la durée de l’impulsion émise (de 10 ns à 1 ms)

- forment ainsi un signal ayant un rapport cyclique très faible(moins de 1%)

- la puissance de l’impulsion émise étant étalée sur une très large bande,

la densité spectrale de puissance moyenne est donc très faible.

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UWB… signal generation,

bit coding

& modulation

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To exploit Shannon, we want a bandwidth as wide as possible.

To produce a practical modulation scheme using the properties of

very short pulses, several obvious problems arise immediately :

- What signal do we use to emulate the behaviour of an impulse ?

- How do we encode the modulation on to the UWB signal ?

- How to make a wideband antenna which is directional ?

- How to make the modulation hardware to produce UWB signals ?

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UWB… base band signal

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The modulation type has to produce a very short burst of energy,

followed by a big gap, to acquire the huge spreading ratio as required.

four main techniques for doing this:

- Singlet impulses, essentially a spike with a DC component.

- Doublets, or paired impulses.

- Monocycles, essentially a single cycle of a sine wave which has been shaped.

- Wavelets, essentially a small number of cycles of a sine wave, which have been shaped.

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UWB… la démarche technique

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La démarche technique de création du bit

- Impulsion de Dirac / spectre de Dirac

- Mono pulse / Spectre d’un mono pulse

- Maximalisation du rapport crête/valeur moyenne/distance

- Mise en forme du signal en bande de base

gaussienne / dérivée de gaussienne / autre

…………… et respect du spectre global / au gabarit

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La démarche technique du codage bit

- Environnement applicatif

Débit utile de communication

latence max de reconstruction de la base de données

rapport cyclique de communication et occupation UWB

- Environnement matériel

bruit S/N

absorption / réflexion/ trajet multiple

- Choix codage bit

standard / DSSS / PN code

sensibilité du récepteur ……… et re spectre global / au gabarit

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example

A monocycle ……………….....…and its associated spectrum

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Mise en forme de l’impulsion

En augmentant l’ordre de la dérivée, on observe une montée en fréquence de

l’énergie contenue dans l’impulsion. Ceci permet de monter légèrement en

fréquence la bande de fréquence en émission afin de respecter le masque

d’émission en puissance préconisé par la FCC.

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UWB… encoding

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Encoding UWB

The encoding scheme which has received the most coverage to

date is the Time Modulated UWB technique, pioneered by Time

Domain

This technique sees a stream of monocycles produced at a constant

average rate, each of which is extremely short in relation to the gaps

between them

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UWB… modulations..sss

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techniques de modulation pour l’UWBPour des applications de localisation, une modulation peut être

nécessaire (par exemple un code pseudo-aléatoire).

Deux types de modulations sont principalement utilisés.

PAM (Pulse Amplitude Modulation)

La modulation PAM généralement utilisée possède deux états.

Elle consiste à coder l’information par la polarité (positive ou négative) de l’impulsion. Soit en codage NRZ (Non Retour à Zero) soit en codage OOK (On Off Keying)

PPM (Pulse Position Modulation)

La modulation PPM consiste à associer à chaque symbole un délai temporel précis dans l’intervalle de répétition (PRI : Pulse Repetition Interval). Il est possible de créer des modulations avec un grand nombre d’états, mais au prix d’une dégradation de la probabilité de fausse détection et d’une augmentation de la complexité du récepteur.

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UWB modulation techniquesUWB Modulation Encoding Method Advantages Disadvantages

On Off Keying

(OOK)

Presence and absence of a

pulse represents digital bits

"1" and "0" respectively.

Simple and low power

transmitter.

Highly susceptible to noise.

UWB synchronization

becomes even more

challenging if a stream of

zeros is transmitted.

Pulse Amplitude

Modulation

(PAM)

A pulse with higher amplitude

represents a data bit "1" and a

pulse with lower amplitude

represents a data bit "0".

Simple transmitter,

since pulses with only

one polarity are needed

to represent data.

Attenuation in wireless

channel can convert them to

OOK case.

Pulse Position

Modulation

(PPM)

Signals are pseudo randomly

encoded based on the position

of the transmitted pulse trains

by shifting the pulses in a

predefined window in time.

Less vulnerable to false

detection due to noise

compared to OOK and

PAM pulses.

Requires very strict timing

synchronization. Time

uncertainties such as drift

and jitter cause unreliable

detection.

Bi-Phase

Modulation

Polarity of the pulse changes

to represent digital data bits.

Less susceptible to

distortion since the

difference between the

two pulse levels is twice

the pulse amplitude.

More complexity in physical

design of the transmitter to

generate two polarities.

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Exemples de signaux et de densité spectrale

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Exemples de signaux et de densité spectrale

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UWB… transciever implementation

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Example

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Il faudra néanmoins vérifier que la densité spectrale de puissance

e.i.r.p émise est

moyenne < à - 43 dbm/MHz

crete < 0.0 dbm/50 MHz

dans la bande UWB 6 à 8,5 GHz

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UWB

Débrouillez vous comme vous voulezmais il faut que ça rentre dedans !

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UWB… conclusions

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UWB et localisation indoor

À l’émission, il faut tenir compte :

– des réglementations actuelles (… différentes) de la FCC 47 part 15 (aux USA) / ERC 70 03 (en Europe) vis-à-vis de la (densité spectrale de) puissance émise et le gabarit du spectre d’émission.

– garantir un S/N acceptable en réception.

– de l’étalement des retards du canal de transmission afin d’éviter les interférences inter-symboles.

– des propriétés d’un code pseudo-aléatoire et d’inter corrélation

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À la réception, les points importants sont :

– le temps d’acquisition afin d’avoir assez d’énergie.

– le choix du template (gabarit) à utiliser dans un récepteur de type corrélation.

– retrouver le premier trajet dans un contexte multi-trajets important en minimisant l’erreur.

– choisir la méthode de localisation par mesure temporelle la mieux adaptée.

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Grâce à sa bonne résolution temporelle, l’UWB a des atouts pour

prétendre à être l’une des solutions pouvant être utilisée dans un

système de localisation …

… cependant, la tâche n’est pas aisée et de nombreux aspects sont à

traiter,

- au niveau de la réglementation

- au niveau des techniques utilisées.

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