UWB技術在家庭和有線電視網(wǎng)絡中的應用

超寬帶技術UWB(Ultra Wideband)始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術，利用頻譜極寬的超短脈沖進行通信，又稱為基帶通信、無載波通信。由于其具有低功耗、高帶寬、高傳輸速率、低復雜性、抗多徑能力強、發(fā)射信號功率譜密度低、安全性高等優(yōu)點，預計未來幾年UWB技術將在和人們生活密切相關的數(shù)字家電和消費網(wǎng)絡設備中得到推廣，在有線電視網(wǎng)絡及家庭網(wǎng)絡中會得到廣泛應用。

一、超寬帶技術的基本原理

2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)修訂了第15標準，定義UWB信號為相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大于0.2，或在傳輸?shù)娜魏螘r刻絕對帶寬不小于500MHz的信號，其中信號帶寬定義為：低于最高發(fā)射功率10dB的截止頻率間的帶寬。FCC還規(guī)定，UWB的使用頻段范圍是3.1～10.6GHz，且其發(fā)射功率必須在1mW以下。

同傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，超寬帶系統(tǒng)是有著其獨特之處的。從時域上講，一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進行信號調(diào)制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖(幾十納秒)直接實現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程中所持續(xù)的時間來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。從頻域上講，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬小于1%，相對帶寬在1%～25%之間的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。

二、超寬帶技術在家庭網(wǎng)絡中的應用

1.家庭網(wǎng)絡

家庭網(wǎng)絡系統(tǒng)由有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)綜合構成。其中，有線系統(tǒng)采用國際數(shù)字接口標準IEEE 1394b，在IEEE 1394b基礎上，家庭網(wǎng)絡無線系統(tǒng)引入了頻譜高效率的超寬帶脈沖無線電技術，可提供靈活性和移動性的寬帶無線接入。直擴序列超寬帶的家庭網(wǎng)絡把移動高速高性能無線網(wǎng)無縫隙的擴展至有線1394骨干網(wǎng)。

2.直接序列超寬帶通信子網(wǎng)技術

采用單頻帶體制的DS-UWB系統(tǒng)是家庭網(wǎng)絡比較理想的方案。DS-CDMA建議采用了雙頻帶(3.1～5.15GHz加5.825～10.6GHz)的方法，即在每個超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，該方法也稱為脈沖無線電。DS-UWB無線通信系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

與無線1394網(wǎng)橋綜合的家庭網(wǎng)絡結構支持IEEE1394固定連接和DS-UWB無線連接。無線UWB總線系統(tǒng)的拓撲結構是呈現(xiàn)星形，HUB位置不是固定不變，管理所有掛在無線總線上的子站，負責維護幀結構，分配周期定時信息。要監(jiān)控在總線注冊的子站狀態(tài)，在子站和子站間廣播通信質(zhì)量信息，顯示同步和等時模式子站的時隙安排，控制多址接入過程，保證輸出功率在某一電平之下。數(shù)據(jù)流的傳輸是自組織網(wǎng)絡中對等通信的模式，當一對子站之間直接鏈路被阻隔時，子站和HUB也可以承擔中繼多條數(shù)據(jù)的功能。

直接序列超寬帶系統(tǒng)的物理層采用二進制相移鍵控調(diào)制技術，為了避免多徑衰落的影響，使用RAKE接收機接收信號。其多址接入技術采用直擴碼分多址技術。由于UWB信號產(chǎn)生的特殊性，其脈沖成型技術為甚窄高斯單周脈沖，并使用空時編碼對其進行編碼。典型高斯單周脈沖寬帶為0.2～2.0 ns，脈沖間隔為10～100ns，脈沖位置可以是等間隔、隨機或偽隨機間隔。

直接序列超寬帶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)是由一系列幀長為1394周期數(shù)倍的DLC幀構成的，該幀由管理區(qū)域、數(shù)據(jù)區(qū)域、隨機區(qū)域等組成。數(shù)據(jù)鏈路控制層把資源分成兩部分，分別是用于等時時隙的預留帶寬和用于同步時隙的動態(tài)帶寬。UWB總線協(xié)議棧結構如圖2。

直接序列超寬帶的1394匯聚層(CL)含有IEEE1394特定業(yè)務會聚子層(SSCS)和公共部分會聚子層(CPCS)，它類似IEEE1394b鏈路層，負責1394事務處理層和UWB低層次之間的映射。

三、超寬帶技術在有線電視網(wǎng)絡中的應用

1.有線電視網(wǎng)絡及高清晰度電視技術

有線電視網(wǎng)是高效廉價的綜合網(wǎng)絡，它具有頻帶寬、容量大、多功能、成本低、抗干擾能力強、支持多種業(yè)務連接千家萬戶的優(yōu)勢，它的發(fā)展為信息高速公路的發(fā)展奠定了基礎。有線電視網(wǎng)成為最貼近家庭的多媒體渠道，只不過它目前還是靠同軸電纜向用戶傳送電視節(jié)目，還處于模擬水平。高清晰度電視，屬于數(shù)字電視的最高標準，擁有最佳的視頻、音頻效果。它與當前采用模擬信號傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)電視系統(tǒng)不同，采用了數(shù)字信號傳輸。由于高清晰度電視從電視節(jié)目的采集、制作到電視節(jié)目的傳輸，以及到用戶終端的接收全部實現(xiàn)數(shù)字化，因此給我們帶來了極高的清晰度，除此之外，信號抗噪能力也大大加強。數(shù)字電視具有高清晰畫面、高保真立體聲伴音、電視信號可以存儲、可與計算機完成多媒體系統(tǒng)、頻率資源利用充分等多種優(yōu)點，成為家庭影院的主力。

2.有線電視網(wǎng)絡中的超寬帶技術應用

交互式電視點播系統(tǒng)和高清晰度電視業(yè)務的碼率高、數(shù)據(jù)量大，需要占用很大的帶寬和網(wǎng)絡資源，而數(shù)量巨大的用戶數(shù)引起了資源的短缺。為了解決有線電視網(wǎng)絡的帶寬問題，引入超寬帶技術，因為它使用無載波結構，網(wǎng)絡配置成本低，只需要在系統(tǒng)前端和用戶側增加相應裝置，就可以在不改變現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡結構的基礎上傳輸UWB數(shù)據(jù)流。

UWB技術具有類噪聲特性，傳送數(shù)據(jù)時在時域產(chǎn)生持續(xù)時間非常短的脈沖信號，而有線電視系統(tǒng)中發(fā)送的載波信號會受到外界噪聲和其他信號的干擾后，系統(tǒng)可用帶寬和有線網(wǎng)絡的傳輸容量會受到很大影響，UWB的短脈沖信號則不會對載波信號造成干擾，于是在有線電視網(wǎng)絡的公共傳輸媒質(zhì)中實現(xiàn)了UWB脈沖信號與其他頻域信號的共存。

在有線電視網(wǎng)絡中使用UWB技術存在一個固有的問題，即有線電視網(wǎng)絡本身的固有頻率損耗會改變UWB脈沖信號的形狀和幅度，為了解決這個問題，可以采用預補償?shù)姆椒?。UWB數(shù)據(jù)進入有線電視網(wǎng)之前先進行預補償，這樣信號就容易通過同軸電纜系統(tǒng)，同時，UWB信號具有偽隨機特性，混合光纖同軸電纜網(wǎng)的噪聲電平高于其功率譜密度，信號傳送就不會受到影響。

有線電視網(wǎng)絡傳送UWB信號時，首先將數(shù)據(jù)分成視頻、音頻和數(shù)據(jù)流，頻道調(diào)制器將每一路信號與射頻混頻同時分配一臺號，RF信號進入混合器后，混合器將這些信號合并為一個輸出信號，其他的視頻數(shù)據(jù)流調(diào)制成射頻信號后同混合器輸出的普通節(jié)目混合，然后轉換為光信號，經(jīng)過光纖傳輸。在接收端，系統(tǒng)將混合信號里的UWB信號提取出來，同時視頻和音頻數(shù)據(jù)被解調(diào)器解調(diào)出來。該技術的顯著特點就是在現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡中加入UWB信號調(diào)制解調(diào)器，而無需對有線電視網(wǎng)絡進行較大的改變。UWB信號被擴展到50MHz～1GHz頻段范圍內(nèi)，在任何頻率處的信號能量都能低于該頻段處的噪聲電平。普通的有線電視系統(tǒng)或者混合光纖同軸電纜網(wǎng)一般使用的最大頻率范圍為870MHz，但系統(tǒng)仍具有1GHz左右的帶寬，這樣，UWB窄脈沖可以在同軸電纜中可靠地傳輸，可在相同時間內(nèi)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

四、應用UWB技術的有線電視網(wǎng)絡和家庭網(wǎng)絡的連接

將UWB技術應用于有線電視網(wǎng)絡中，充分利用其技術優(yōu)點，基本不干擾現(xiàn)有的電視頻道，同時沒有占用或者很少占用頻道資源。同時，UWB的多址方式，可以實現(xiàn)數(shù)量不少的并發(fā)用戶，有線電視網(wǎng)絡服務商可以充分利用現(xiàn)有的資源提供各種寬帶接入業(yè)務，不用升級網(wǎng)絡。而IEEE 1394b以其低廉的價格、簡易的操作和較穩(wěn)定的應用領域等等特性，將會在家庭網(wǎng)絡和其他高速通信應用領域占據(jù)重要的位置?；贗EEE 1394b和直接序列超寬帶的家庭網(wǎng)絡把兩種技術合理的結合起來，UWB作為一種新的無線家庭網(wǎng)絡接入方式，其動態(tài)網(wǎng)格網(wǎng)絡允許家庭網(wǎng)絡中的每個設備既可以充當網(wǎng)絡中的一個用戶，也可以作為網(wǎng)絡基礎設備中的一個部分，實現(xiàn)全宅的覆蓋。把利用UWB技術的無線家庭網(wǎng)絡和傳輸UWB信號的有線電視網(wǎng)絡連接起來，同時發(fā)揮UWB技術的寬帶優(yōu)勢，會極大的提高生活的信息化水平，使人們充分享受UWB技術帶來的寬帶便利。