Comunicación binaria diferencial PSK (Phase Shift Keying) basada en UWB (banda ultraancha)

Estoy tratando de crear un circuito que pueda realizar comunicaciones inalámbricas en rangos cortos (menos de 10 metros) a una velocidad de datos muy alta (aproximadamente 10 Mbps) y baja potencia (en el rango de 10-20 mW). Ha habido documentos de IEEE en los que las personas han implementado esto usando UWB. Han utilizado unos 20-25 mW de potencia para transmitir a unos 4-5 metros a 10-15 Mbps.

Como resultado, decidí hacer esto usando tecnología UWB. La tecnología UWB emplea un gran ancho de banda incluso en las regiones con licencia para obtener un buen ancho de banda. FCC ha establecido un umbral superior de -41,3 dBm/MHz para limitar su rango y, por lo tanto, la interferencia con otros productos con licencia. Debido a la baja densidad espectral de salida, es posible tener una buena velocidad de datos con un consumo de energía pequeño para rangos pequeños.

UWB requiere que se implementen técnicas de modulación. Hay varias opciones disponibles como PPM y BPSK. Se ha encontrado que BPSK es más adecuado en comparación con PPM porque el espectro de potencia de PPM tiene picos y, por lo tanto, limita severamente el uso (recuerde el umbral de la FCC de -41.3dBm/MHz). Como resultado, aterricé en BPSK (PSK binario) o, para ser más precisos, DBPSK (BPSK diferencial). El BPSK diferencial no requiere relojes coherentes en el transmisor-receptor y, por lo tanto, es el preferido.

En lugar de entrar en el diseño de todo el circuito de modulación/demodulación, quiero usar circuitos integrados/módulos comerciales. El diseño tiene muchos desafíos:

  1. El diseño de antenas y circuito de modulación/demodulación es muy difícil a frecuencias tan altas.
  2. La longitud de onda a frecuencias tan altas es proporcional a las dimensiones del circuito y, por lo tanto, crea toda una nueva gama de problemas.
  3. El tiempo es crítico en mi caso. No tengo el tiempo ni los recursos para hacer simulaciones de circuitos y diseñar un buen circuito. Diseñar un circuito puede ser una continuación de mi trabajo.

Entonces, si tiene alguna idea sobre varios circuitos integrados comerciales o módulos disponibles para lo siguiente, sería realmente genial

  1. Emisor: Modulador (+ Antena) para Diferencial BPSK. Hay limitaciones de energía y debería poder comunicarse a altas frecuencias.
  2. Receptor: Antena + detector RF seguido de Demodulador.

Solo para resumir mis requisitos para el transmisor:

  1. Peso: 100 gramos o menos
  2. Velocidad de datos: 10 Mbps
  3. Potencia: Menos de 50 mW (Cuanto más pequeño, mejor)
  4. Alcance: Menos de 10 metros

El receptor no tiene tales restricciones. El transmisor es portátil y funciona con pilas, por lo que existen muchas limitaciones.

Por favor, hágamelo saber si necesita más información. Gracias de antemano.

Editar: reestructuración completa de la pregunta.

¿Por qué modular en un portador en absoluto? No ha dicho nada acerca de requerir operación inalámbrica. Tanto ethernet como USB pueden hacer lo que quieras desde el primer momento. Parece una tontería inventar tu propio esquema de modulación.
Lamento no haberlo mencionado explícitamente, pero estoy buscando un esquema inalámbrico.
¿Se da cuenta de que no puede obtener una comunicación confiable sin una comunicación bidireccional? Si una unidad es solo un transmisor, debe estar preparado para una cierta tasa de error.
@NeelMehta ¿Puede darnos algunos enlaces a estos documentos IEEE de los que habla?
Estoy un poco oxidado en el lado teórico de las cosas... pero ¿-41,3 dBm/MHz no significa que su EIRP tiene que ser inferior a -41,3 dBm por MHz utilizado? Entonces, para obtener una salida de hasta 20 mW, ¿necesitaría distribuirla en 270 GHz?
@Kellenjb: Uno de los documentos de IEEE está aquí . 20 mW no es la potencia de salida sino la potencia consumida por el sistema. La potencia de salida va a ser mucho menor.
@OlinLathrop: Sí, estoy preparado para una tasa de error. Dependiendo de la tasa de error, planeo enviar datos adicionales como la suma de verificación, CRC, etc. para ayudar a reducir la tasa de error.

Respuestas (4)

Su pregunta parece ser contradictoria: parece estar diciendo que quiere "crear un circuito" sin realmente "diseñar un circuito".

Lo interpretaré como si quisiera "construir un sistema completo, incluido el diseño de un protocolo de alto nivel y la disposición de algunas placas de circuito y la soldadura de circuitos integrados a las placas y la conexión de módulos de subensamblaje en esas placas". pero preferiría no "diseñar y fabricar un ASIC completamente personalizado desde cero" o "diseñar algo a partir de docenas de transistores discretos en lugar de un chip" o "diseñar y hacer simulaciones EM y construir un sistema de antena completamente personalizado y obtener FCC aprobación".

Escuché que, al menos para velocidades de datos bajas, UWB se puede producir usando circuitos simples que usan chips estándar que eran comunes mucho antes de que alguien escuchara sobre UWB.

Por desgracia, no conozco ningún chip específico que pueda usar para la velocidad de datos que desea, mucho menos si existen módulos estándar que usan esos chips, pero escuché que tales chips existen. Déjame darte algunos enlaces que podrían conducir a esos chips.

Tengo entendido que actualmente solo hay un estándar UWB : OFDM multibanda de WiMedia, estandarizado como ECMA-368 y ECMA-369. Tengo entendido que "USB inalámbrico certificado" y una posible versión futura de "Bluetooth" y una posible versión futura de "Zigbee" son capas de nivel superior además del estándar UWB de WiMedia.

Tengo entendido que hay varios fabricantes de chips que producen chips que cumplen con este estándar. un segundo

Escuché que varios otros fabricantes de chips están produciendo chips que no cumplen con ECMA, incluidos Pulse~LINK , DecaWave , IMEC , WiLinx , Wisair . Presumiblemente, esos chips utilizan otras técnicas UWB estándar o propietarias propuestas .

Si no puede encontrar un módulo listo para usar y se encuentra buscando chips individuales, sospecho que muchos de los chips desarrollados para HomePlug podrían usarse como parte de un sistema UWB.

Hacer su propia comunicación de RF a 10 Mbit/s no es trivial y requerirá aprobación regulatoria, al igual que cualquier emisor intencional. Dado que está aquí preguntando sobre los conceptos básicos, asumiré que un desarrollo de RF autorizado o aprobado en toda regla está fuera de su alcance. Tomaría mucho tiempo y dinero en cualquier caso. Por lo tanto, veo dos opciones:

  1. Usa algo del estante. WiFi parece la opción obvia. Puede comprar módulos ya licenciados y puede admitir la tarifa de datos.

  2. No use radiofrecuencia. Dijiste rango "corto", así que tal vez algún tipo de modulación de luz sea una posibilidad. Los dispositivos emisores de luz se pueden modular a estas velocidades, pero los circuitos de detección en ese ancho de banda no serán triviales. Luego está el problema de convertir la salida de datos divididos en un flujo de bits significativo y verificado. A 10 Mbit/s, eso deberá hacerse en un FPGA. No veo un microcontrolador que tenga suficiente poder de cómputo para hacer la decodificación de Manchester, por ejemplo, a esas velocidades.

Creo que 10 MBit/seg debería ser posible en un ancho de banda sin licencia. Existen dispositivos estándar para enviar video de forma inalámbrica en 900Mhz y 2.4GHz. Yo pensaría que se podría diseñar un dispositivo para convertir un flujo de datos de 1,25 MByte/segundo en un flujo de video con suficiente corrección de errores de reenvío para proporcionar una velocidad de datos útil (por ejemplo, incluso si uno se restringe a datos de formato de video, dejando la horizontal y vertical los porches delantero/trasero están en blanco, enviando 320 píxeles por línea, 240 líneas/campo, a 8 niveles de gris cada uno sería una velocidad de datos sin procesar de 13,8 Mbits/seg.
No quiero sugerir que sea un formato óptimo para enviar datos inalámbricos, pero el ancho de banda parece estar ahí.
Es posible transmitir a bajos niveles de energía utilizando un ancho de banda muy grande. Aquí es donde el UWB entra en escena. La FCC ha establecido un límite de emisión de densidad espectral de potencia de -41,3 dBm/MHz. El artículo de wiki sobre UWB explica brevemente lo mismo. Dado que estoy buscando un sistema portátil y de baja potencia, WiFi no parece ser una buena posibilidad. Por lo tanto, estoy mirando UWB. Dado que no es muy popular, no hay módulos comerciales disponibles. Por lo tanto, estoy tratando de hacer un circuito usando varios circuitos integrados.
@Olin, dices que las "bandas sin licencia de baja potencia" no tienen el ancho de banda necesario para transmitir 10 Mbit/segundo, pero luego dices que pueden usar WiFi. Hasta donde yo sé, 2,4 GHz cae en lo que yo consideraría una banda sin licencia de baja potencia. Debe obtener la aprobación de la FCC para fabricar/vender el dispositivo, pero esto no es una licencia para usar la banda, sino una aprobación de que está siguiendo las políticas, pero tendría que hacer esto para cualquier banda de frecuencia de todos modos... ¿Puedes aclarar lo que quieres decir?
@NeelMehta Sería útil que edite su pregunta con los detalles sobre el poder y la portabilidad, ya que esto cambiará la respuesta "correcta".
@Kellenjb: Sí, tiene razón, WiFi técnicamente no tiene licencia, aunque se asignan frecuencias específicas para WiFi por debajo de un límite de potencia. Eliminaré la mención de bandas con licencia de mi respuesta.
@Neel: Esta cosa de UWB de la que sigues hablando suena como un enfoque de espectro ensanchado. ¿Cuánta energía tiene disponible en cada extremo para soportar este canal de datos de 10 Mbit/s?
@Kellenjb: He reestructurado la pregunta proporcionando más detalles e información. Por favor, míralo una vez más. Le doy gracias por su paciencia.
@OlinLathrop: El transmisor tiene limitaciones de energía. La potencia debe ser inferior a 50 mW. El receptor, por otro lado, no tiene tales restricciones.
¿Por qué el voto negativo? Los votos negativos sigilosos no ayudan a nadie. Nadie sabe en qué puntos no estás de acuerdo, ni nadie puede juzgar por sí mismo quién de nosotros está equivocado.

De manera realista, sus opciones son elegir un conjunto de chips altamente integrado (o un módulo más probable), o bien adquirir un FPGA grande y algunos convertidores de datos o chips que implementen los diversos bloques funcionales y arrendar un analizador de espectro y varios generadores y comenzar un 6-24 mes odisea de aprendizaje.

Cuál es más apropiado realmente depende de si su objetivo es resolver algún problema actual de la aplicación o buscar trabajo futuro en el diseño de bajo nivel de dichos módulos.

¿Tiene un conjunto de chips altamente integrado para recomendar?
@Kellenjb: pensé que no habíamos hecho preguntas sobre compras. Wifi como una variedad de esquemas y asignaciones espectrales ya se ha mencionado y ciertamente merece una consideración real. Hay muchos proveedores que ofrecen soluciones para esa y otras tecnologías, y la elección entre ellas depende de numerosos factores que no se han incluido en la pregunta.
@ChrisStratton: he tratado de proporcionar más detalles indicando todo explícitamente. Por favor, vea si puede proporcionarme sugerencias para conjuntos de chips (o módulos).

Sus declaraciones "velocidad de datos muy alta (aproximadamente 10 Mbps)", "Decidí hacer esto usando tecnología UWB" y "No quiero diseñar un circuito a frecuencias tan altas" parecen estar en conflicto.

Creo que debe reducir sus expectativas de velocidad de datos o esperar enfrentar algunos de los desafíos del diseño de RF.

Lo que quise decir con "No quiero diseñar un circuito" fue que no tengo la intención de hacer un circuito usando componentes básicos. Quiero usar componentes comerciales listos para usar para esto. es decir, quiero usar circuitos integrados comerciales para la modulación, etc. en lugar de diseñar los circuitos para lo mismo. Espero que esto aclare el conflicto.
Esto me parece un comentario.
Comunicación binaria diferencial PSK (Phase Shift Keying) basada en UWB (banda ultraancha)
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