UWB技術(shù)在家庭和有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

超寬帶技術(shù)UWB(Ultra Wideband)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，利用頻譜極寬的超短脈沖進(jìn)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(fù)雜性、抗多徑能力強(qiáng)、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來幾年UWB技術(shù)將在和人們生活密切相關(guān)的數(shù)字家電和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中得到推廣，在有線電視網(wǎng)絡(luò)及家庭網(wǎng)絡(luò)中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

一、超寬帶技術(shù)的基本原理

2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)修訂了第15標(biāo)準(zhǔn)，定義UWB信號(hào)為相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率之比)大于0.2，或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻絕對(duì)帶寬不小于500MHz的信號(hào)，其中信號(hào)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(dú)特之處的。從時(shí)域上講，一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，而UWB是利用起、落點(diǎn)的時(shí)域脈沖(幾十納秒)直接實(shí)現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個(gè)非常寬的頻帶上進(jìn)行，而且以這一過程中所持續(xù)的時(shí)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(duì)帶寬小于1%，相對(duì)帶寬在1%～25%之間的被稱為寬帶，相對(duì)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(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1.家庭網(wǎng)絡(luò)

家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)綜合構(gòu)成。其中，有線系統(tǒng)采用國際數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1394b，在IEEE 1394b基礎(chǔ)上，家庭網(wǎng)絡(luò)無線系統(tǒng)引入了頻譜高效率的超寬帶脈沖無線電技術(shù)，可提供靈活性和移動(dòng)性的寬帶無線接入。直擴(kuò)序列超寬帶的家庭網(wǎng)絡(luò)把移動(dòng)高速高性能無線網(wǎng)無縫隙的擴(kuò)展至有線1394骨干網(wǎng)。

2.直接序列超寬帶通信子網(wǎng)技術(shù)

采用單頻帶體制的DS-UWB系統(tǒng)是家庭網(wǎng)絡(luò)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(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

與無線1394網(wǎng)橋綜合的家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持IEEE1394固定連接和DS-UWB無線連接。無線UWB總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)維護(hù)幀結(jié)構(gòu)，分配周期定時(shí)信息。要監(jiān)控在總線注冊(cè)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(shí)模式子站的時(shí)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(luò)中對(duì)等通信的模式，當(dāng)一對(duì)子站之間直接鏈路被阻隔時(shí)，子站和HUB也可以承擔(dān)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(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)，為了避免多徑衰落的影響，使用RAKE接收機(jī)接收信號(hào)。其多址接入技術(shù)采用直擴(kuò)碼分多址技術(shù)。由于UWB信號(hào)產(chǎn)生的特殊性，其脈沖成型技術(shù)為甚窄高斯單周脈沖，并使用空時(shí)編碼對(duì)其進(jìn)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(jī)或偽隨機(jī)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(zhǎng)為1394周期數(shù)倍的DLC幀構(gòu)成的，該幀由管理區(qū)域、數(shù)據(jù)區(qū)域、隨機(jī)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(shí)時(shí)隙的預(yù)留帶寬和用于同步時(shí)隙的動(dòng)態(tài)帶寬。UWB總線協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2。

直接序列超寬帶的1394匯聚層(CL)含有IEEE1394特定業(yè)務(wù)會(huì)聚子層(SSCS)和公共部分會(huì)聚子層(CPCS)，它類似IEEE1394b鏈路層，負(fù)責(zé)1394事務(wù)處理層和UWB低層次之間的映射。

三、超寬帶技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1.有線電視網(wǎng)絡(luò)及高清晰度電視技術(shù)

有線電視網(wǎng)是高效廉價(jià)的綜合網(wǎng)絡(luò)，它具有頻帶寬、容量大、多功能、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、支持多種業(yè)務(wù)連接千家萬戶的優(yōu)勢(shì)，它的發(fā)展為信息高速公路的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。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(biāo)準(zhǔn)，擁有最佳的視頻、音頻效果。它與當(dāng)前采用模擬信號(hào)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)電視系統(tǒng)不同，采用了數(shù)字信號(hào)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(shí)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(hào)抗噪能力也大大加強(qiáng)。數(shù)字電視具有高清晰畫面、高保真立體聲伴音、電視信號(hào)可以存儲(chǔ)、可與計(jì)算機(jī)完成多媒體系統(tǒng)、頻率資源利用充分等多種優(yōu)點(diǎn)，成為家庭影院的主力。

2.有線電視網(wǎng)絡(luò)中的超寬帶技術(shù)應(yīng)用

交互式電視點(diǎn)播系統(tǒng)和高清晰度電視業(yè)務(wù)的碼率高、數(shù)據(jù)量大，需要占用很大的帶寬和網(wǎng)絡(luò)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(luò)的帶寬問題，引入超寬帶技術(shù)，因?yàn)樗褂脽o載波結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)配置成本低，只需要在系統(tǒng)前端和用戶側(cè)增加相應(yīng)裝置，就可以在不改變現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上傳輸U(kuò)WB數(shù)據(jù)流。

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

在有線電視網(wǎng)絡(luò)中使用UWB技術(shù)存在一個(gè)固有的問題，即有線電視網(wǎng)絡(luò)本身的固有頻率損耗會(huì)改變UWB脈沖信號(hào)的形狀和幅度，為了解決這個(gè)問題，可以采用預(yù)補(bǔ)償?shù)姆椒?。UWB數(shù)據(jù)進(jìn)入有線電視網(wǎng)之前先進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，這樣信號(hào)就容易通過同軸電纜系統(tǒng)，同時(shí)，UWB信號(hào)具有偽隨機(jī)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(hào)傳送就不會(huì)受到影響。

有線電視網(wǎng)絡(luò)傳送UWB信號(hào)時(shí)，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(hào)與射頻混頻同時(shí)分配一臺(tái)號(hào)，RF信號(hào)進(jìn)入混合器后，混合器將這些信號(hào)合并為一個(gè)輸出信號(hào)，其他的視頻數(shù)據(jù)流調(diào)制成射頻信號(hào)后同混合器輸出的普通節(jié)目混合，然后轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)過光纖傳輸。在接收端，系統(tǒng)將混合信號(hào)里的UWB信號(hào)提取出來，同時(shí)視頻和音頻數(shù)據(jù)被解調(diào)器解調(diào)出來。該技術(shù)的顯著特點(diǎn)就是在現(xiàn)有有線電視網(wǎng)絡(luò)中加入U(xiǎn)WB信號(hào)調(diào)制解調(diào)器，而無需對(duì)有線電視網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較大的改變。UWB信號(hào)被擴(kuò)展到50MHz～1GHz頻段范圍內(nèi)，在任何頻率處的信號(hào)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(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

四、應(yīng)用UWB技術(shù)的有線電視網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)的連接

將UWB技術(shù)應(yīng)用于有線電視網(wǎng)絡(luò)中，充分利用其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，基本不干擾現(xiàn)有的電視頻道，同時(shí)沒有占用或者很少占用頻道資源。同時(shí)，UWB的多址方式，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)量不少的并發(fā)用戶，有線電視網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商可以充分利用現(xiàn)有的資源提供各種寬帶接入業(yè)務(wù)，不用升級(jí)網(wǎng)絡(luò)。而IEEE 1394b以其低廉的價(jià)格、簡(jiǎn)易的操作和較穩(wěn)定的應(yīng)用領(lǐng)域等等特性，將會(huì)在家庭網(wǎng)絡(luò)和其他高速通信應(yīng)用領(lǐng)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(luò)把兩種技術(shù)合理的結(jié)合起來，UWB作為一種新的無線家庭網(wǎng)絡(luò)接入方式，其動(dòng)態(tài)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)允許家庭網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備既可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)用戶，也可以作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備中的一個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)全宅的覆蓋。把利用UWB技術(shù)的無線家庭網(wǎng)絡(luò)和傳輸U(kuò)WB信號(hào)的有線電視網(wǎng)絡(luò)連接起來，同時(shí)發(fā)揮UWB技術(shù)的寬帶優(yōu)勢(shì)，會(huì)極大的提高生活的信息化水平，使人們充分享受UWB技術(shù)帶來的寬帶便利。