La technologie UWB et ses applications

L’UWB a pendant longtemps désigné des formes d’ondes sans porteuse c’est-à-dire des signaux impulsionnels dont la durée peut-être de l’ordre de la nanoseconde. On trouve également d’autres désignations dans la littérature telles que : Impulse Radio (radio impulsionnelle), carrier-free radio (radio sans porteuse), time domain radio (radio du domaine temporel), nonsinusoid radio (radio non sinusoïdale), et large relative bandwith radio (radio à grande largeur de bande relative) [1]. Historiquement, l’utilisation de la technologie UWB remonte à 100 ans, à l’époque où G.Marconi réalise la toute première transmission sans fil longue distance d’un code Morse reliant l’île de Wight à Cornwall en Angleterre [2]. Bien que l’utilisation des transmissions à distances sur fil remonte à l’époque du XIXème siècle, les techniques de télécommunications modernes doivent leurs fondements théoriques aux publications de Claude Shannon en 1948. Depuis les travaux dans le domaine des télécommunications n’ont cessé d’évoluer. Néanmoins les travaux sur l’UWB ne débuteront réellement qu’à partir des années 60, aux Etats-Unis. C’est à cette époque que les systèmes émettant des signaux non sinusoïdaux commencent réellement à être exploités, dans un premier temps dans les systèmes Radar, pour des applications militaires tel que le GPR (Ground Penetrating Radar en Anglais ou Radar à pénétration de surface) pour la surveillance et la détection des mines enfouies dans le sol. Les systèmes émettant des impulsions brèves ont une bonne capacité de résolution temporelle, puisque la résolution est inversement proportionnel à la largeur de leurs bandes, plus la durée d’un signal est brève plus son spectre est large. Durant cette période plusieurs publication et communications rendent publiques les informations sur la conception d’émetteurs et récepteurs de signaux non sinusoïdaux [3]. En 1973, Gerald F.Ross et Kenneth W.Robbins déposent pour Sperry Rand Corporation le  premier brevet sur un système de communications reposant sur l’émission et la réception d’impulsions d’une durée inférieure à la nanoseconde [4]. Ce brevet est considéré comme le premier dans le domaine des communications UWB. A partir de 1994, les projets américains ne sont plus confidentiels. Ce fait marquera, d’abord les Etats-Unis puis le monde entier avec une augmentation fulgurante des travaux de recherches sur la technologie UWB, et suscite ainsi un intérêt important dans la communauté des communications car l’UWB laisse entrevoir la possibilité d’accéder à de très hauts débits. Depuis l’utilisation du terme UWB en 1989 et jusqu’en 2002, l’acronyme UWB désigne : l’Impulse Radio (IR), c’est-à-dire les techniques basées sur l’émission d’impulsions de très courtes durées soit inférieures à la nanoseconde et présentent un très faible rapport entre la durée de l’impulsion et sa période de répétition. Par conséquent on a un signal dont la largeur de bande est extrêmement grande, et possédant une très faible densité spectrale de puissance (DSP). Il en découle des propriétés importantes qui caractérisent les systèmes UWB :

➤ . Dans le cas de signaux impulsionnels, la forme d’onde émise peut disposer d’une grande largeur de bande. Aussi, les trajets multiples, avec des retards inférieurs à la nanoseconde, peuvent être résolus et additionnées de manière constructive, contrairement au cas des systèmes bande étroite. L’évanouissement du signal causé par propagation par trajet multiple est réduit par rapport aux systèmes classique bande étroite. Ainsi la technologie UWB peut être pratique et très performante dans des environnements encombrés.

➤ Une sensibilité moindre au brouillage. La FCC (Federal Communications Commission en Anglais) a fixé pour l’UWB un niveau bas de densité spectrale de puissance en émission (PIRE maximal par MHz : -41.3 dBm), grâce à cette caractéristique sa nuisance sur les autres systèmes est réduite.

➤ Des communications protégées. Les signaux UWB sont étalés sur une large bande et transmis à des niveaux de densité spectrale de puissance proches du plancher du bruit de  fond des récepteurs de radiocommunication classiques. Ce qui permet l’établissement de transmissions protégées et difficilement détectable par des récepteurs ordinaires.

➤ Des systèmes relativement simples. Toujours dans le cas des systèmes UWB impulsionnels, l’information en bande de base peut être codée directement à l’aide d’impulsions. Ceci permet de concevoir des émetteurs-récepteurs UWB qui ne comportent pas de mélangeurs, de VCO (voltage control oscillator), ce qui laisse percevoir une simplicité de réalisation en comparaison à un émetteur superhétérodyne, ainsi qu’un coût de réalisation réduit.

➤ Bonnes propriétés des signaux UWB à pénétrer les obstacles, les murs, en particulier pour les fréquences basses du spectre. Ceci a permis par exemple à la société américaine Time Domain, de développer une large activité autour de systèmes radar de vision au travers des murs [5].

Le potentiel important ainsi que l’intérêt des entreprises pour ce système, contraint la FCC à revoir les réglementations de l’UWB. En 2002 le FCC autorise l’utilisation de l’UWB aux Etats-Unis avec une réglementation précise et libre de licence. Depuis de nombreux travaux ont vu le jour que ce soit dans le monde industriel ou académique. Le FCC étends ainsi la définition de l’UWB à une catégorie plus large de signaux.