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[導(dǎo)讀]簡介 隨著無線技術(shù)的日益普及,人們對消費類電子產(chǎn)品的要求越來越高。根據(jù)需求,這些設(shè)備可以劃分為兩大不同陣營:(1)室內(nèi)無線影像播放(壓縮或非壓縮的形式)(2)低功耗手持設(shè)備的高速連接。在影像播放應(yīng)用方面

簡介
隨著無線技術(shù)的日益普及,人們對消費類電子產(chǎn)品的要求越來越高。根據(jù)需求,這些設(shè)備可以劃分為兩大不同陣營:(1)室內(nèi)無線影像播放(壓縮或非壓縮的形式)(2)低功耗手持設(shè)備的高速連接。在影像播放應(yīng)用方面,為不同的用戶提供相對來說較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較強的性能以及低功耗的要求(因為視頻源及顯示一般都連接到外部的電源上)。而相反,手持設(shè)備對低成本和低功耗有很高的要求,同時,在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面要求能夠擴展到極高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率(1 Gbps及更高)。
在本文中,我們將介紹兩種能夠滿足這些應(yīng)用需求的無線技術(shù),直序列超寬帶技術(shù)(DS-UWB ,這是IEEE組織首推的UWB標準化提議)以及802.11無線局域網(wǎng)技術(shù)(802.11 a/g及在此基礎(chǔ)上的802.11n仍處于研發(fā)階段)。在這些技術(shù)的對比當(dāng)中,我們可以發(fā)現(xiàn)DS-UWB和WLAN技術(shù)之間的明顯差別,就是說超寬帶技術(shù)將誘發(fā)不同的解決方案以及功耗效率方面的不同水準,因為這兩項技術(shù)經(jīng)過改進都要滿足人們對高數(shù)據(jù)傳輸速率手持設(shè)備的需求。
 

 

關(guān)于兩項技術(shù)的介紹
    DS-UWB 是為無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)而開發(fā)的,并借鑒了超寬帶(UWB)通訊技術(shù)的長處。目前,IEEE組織正在考慮的DS-UWB方案將使基于802.15.3a 標準的設(shè)備既能提供高性能,又能為高速率的多媒體及手持設(shè)備提供低功耗和低成本的擴展能力。
    DS-UWB 設(shè)備的應(yīng)用將依據(jù)FCC針對美國市場而制定的超寬帶規(guī)則并且與為世界其它地區(qū)制定的規(guī)則基本一致。目前的FCC規(guī)則允許使用7.5 GHz的頻譜(
DS-UWB設(shè)備在任何時間都將占用1.5或3 GHz的頻譜),但其傳輸功率非常低,請參見圖表。實際上,DS-UWB的傳輸水平基本上達到每MHz頻譜-41.3 dBm的極限。
     與DS-UWB相比, 802.11 無線局域網(wǎng)技術(shù)是為不同F(xiàn)CC規(guī)則下的操作所開發(fā)的,并且可以在特別針對非授權(quán)無線設(shè)備的頻道上進行操作。802.11a/g/n操作帶寬比DS-UWB要窄,所占用的頻譜約為 17 MHz(或者說比DS-UWB的帶寬低80倍,或比使用34 MHz的11n系統(tǒng)低40倍),但傳輸功耗卻更高。一個802.11設(shè)備的額定傳輸功耗約為50 mW。請注意,這一平均傳輸功耗的水平比其某一DS-UWB設(shè)備的平均功耗高500倍,或者說其差值在27 dB。
    上述兩個不同的特性以及信號帶寬以及傳輸功耗導(dǎo)致了通訊系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中諸多方面的迥異。
    我們注意到,這兩項技術(shù),傳輸功耗方面存在著500倍的差異(但在總功耗方面不是這樣,即:由天線發(fā)射出的功率及所有電路所消耗的功率)。是什么原因?qū)е铝巳绱舜蟮牟町惸兀客ㄓ嵪到y(tǒng)方面的一個基本規(guī)則就是所接收到的信號功率在較為接近的范圍內(nèi)反而衰減——這是否意味著802.11技術(shù)在相同數(shù)據(jù)傳輸速率方面具有_(500)或大約22倍的范圍呢?實際上,DS-UWB技術(shù)在多信道環(huán)境下,為110 Mbps提供了10 m或更合適的范圍——這與802.11a/g技術(shù)為其最高速率54 Mbps所提供的范圍大致相等。802.11n擴展技術(shù)也同樣在這些范圍內(nèi)可以提供100 Mbps或更高的速率,但具體的范圍還要依據(jù)天線及多信道假想上。那么除了轉(zhuǎn)輸范圍因素之外是什么導(dǎo)致了傳輸功率方面如此大的差異呢?通過了解這一差異的內(nèi)因,可以使我們進一步了解DS-UWB 和 802.11技術(shù)方面的根本不同之處,同時要求我們要考慮無線系統(tǒng)設(shè)計和性能上的諸多方面。

 

 

信號帶寬及傳輸功率
    與DS-UWB相比,有兩個基本原因使得信號帶寬上的差別導(dǎo)致802.11a/g/n系統(tǒng)對傳輸功率有更高的要求。其一是由于在一個相對狹窄的無線電信道中,通過調(diào)制而獲得較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率;第二,是由于多信道中射頻傳播的基本物理特性。調(diào)制格式描述了如何將數(shù)據(jù)編碼為一個射頻信號,用于無線介質(zhì)中的傳輸。
    對于802.11a/g系統(tǒng)來說,在一個17 MHz帶寬的射頻信道中要想獲得54 Mbps的數(shù)據(jù)速率,要求使用“high-order調(diào)制”方式來取得較高的光譜效率。特別是802.11a/g (和 11n)使用64-QAM來將6個數(shù)位繪制進每一個傳輸符號中(802.11a/g將此64-QAM 與 OFDM結(jié)合起來,其意圖大致相同)。當(dāng)引入用來進行正向糾錯 (forward-error-correction,F(xiàn)EC)的帶寬消耗與OFDM之向?qū)в嵦柤扒熬Y,802.11a/g 為每一個所占用的頻譜Hertz 獲得了大約每秒3.3 數(shù)位。通過利用64- QAM取得這種更高的頻譜效率,其成本在于接收器需求有一個更強的SNR以便在相同水平的錯誤率性能上對信號進行解調(diào)(相對于作為底限的BPSK 或QPSK系統(tǒng)而言)。新近推出的802.11n技術(shù)也同樣在其最高數(shù)據(jù)速率方面使用64-QAM,但添加了更為成熟的技術(shù),以便通過多天線技術(shù)來取得更好的頻譜效率。
    DS-UWB運營環(huán)境與802.11a/g 或801.11n 技術(shù)有所不同。由于能夠獲得較寬的帶寬,DS-UWB 使用 BPSK來提供功率系數(shù)的解調(diào)。兩項技術(shù)之間一個簡單的比較就是在BPSK 和64-QAM 存在的功效方面的差異。針對這兩種調(diào)制格式,BPSK在接收器所需要的Eb/N0是9.6 dB,速率為 10-5 bit-error-rate (BER),而64-QAM在同樣的BER上可以獲得高出10 dB的水平。需要注意的是:這些數(shù)字是用來描述在純AWGN通道中非加碼技術(shù)的運行狀態(tài),但基本結(jié)果是high order調(diào)制方式要求更高的傳輸功率從而在接收器上提供相同的BER。在現(xiàn)實操作系統(tǒng)中,還有許多其它的因素影響著接收器SNR的需求,包括使用成熟的FEC。對實際操作系統(tǒng)需求具有影響的一個關(guān)鍵性環(huán)境因素就是多通道傳播功效。

 

 

信號帶寬對復(fù)雜性和功耗的作用
    我們知道,窄帶系統(tǒng)需要有較高的傳輸功率,來支持接收器對SNR更高的要求,因為不同的調(diào)制方式要求較高的調(diào)制和多通道衰件。對于OFDM,較高傳輸功率的影響與OFDM信號的高峰值和平均值的比率混雜在一起,因為后者要求有一個低功耗的功率放大器。例如,一個50 mW傳輸功率的輸出也許會要求有幾百到 500 mW 的總功耗,以達到較好的系統(tǒng)性能所需要線性。而相反的是,任何一個DS-UWB系統(tǒng)都不需要PA,因為較小的傳輸功率(-10 dBm) 可以直接通過RF ASIC來驅(qū)動。
不同的信號帶寬對系統(tǒng)的復(fù)雜性和功耗還具有其他影響,因為信號處理要求方面存在差異。
_模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器: DS-UWB 接收器可以在高速率(1.35GHz )上使用低解析度 (如: 3 位)的 ADCs,來模擬寬帶信號。802.11 OFDM系統(tǒng)在較低的速率(在80MHz上9位)上使用高解析度的 ADCs來支持64-QAM的解調(diào)。
_ 前向差錯糾正: 兩種方式都采用卷積編碼(convolutional code)來糾正傳輸中產(chǎn)生數(shù)位錯誤。802.11a/g/n利用更高復(fù)雜性的 FEC對多通道衰減進行補償。DS-UWB編碼可以降低解碼的復(fù)雜性(低2-8倍),因為編碼的性能在超寬帶運行狀態(tài)下受到的多信道衰減的影響較小。當(dāng)設(shè)備達到500Mbps或DS-UWB中更高的速率或?qū)嵤?02.11n時,這一差異更加明顯。
    當(dāng)我們在考慮將DS-UWB 或802.11n提升到更高的速率來滿足未來的應(yīng)用而產(chǎn)生 的其他作用時,我們有必要了解 如何通過增加符號速率(縮短符號長度)來將DS-UWB提升到更高的速率,如 1 Gbps 。大多數(shù)的接收器數(shù)字處理復(fù)雜性(斜度化合,符號均等,F(xiàn)EC解碼,等)與數(shù)據(jù)速率呈線性增加。對均衡器長度的要求可以隨著符號長度的減少而有所增加,但在最高數(shù)據(jù)速率模式下以較小的范圍提升延遲傳播時,此作用會被化解。
    目前關(guān)于將 802.11系統(tǒng)升級到802.11n中的更高速率  (500 Mbps或更高 ) 的建議是基于64-QAM的繼續(xù)使用。通過MIMO技術(shù)(多重輸入輸出)我們可以提升到較高的速率,因為它利用多天線在無線頻道中平行發(fā)送多數(shù)據(jù)流。對此,處理的復(fù)雜性也隨之增加((FEC 解碼, FFT/iFFT, 均衡等)。 由于要求高達4個傳輸/接收處理鏈(多個 ADC/DAC , 過濾器, 放大器等),復(fù)雜性和功耗也將有所增加。
    當(dāng)我們對這兩種技術(shù)進行高速率、低功耗應(yīng)用等方面的評估時,我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的帶寬在很多領(lǐng)域具有較大影響。由于窄帶設(shè)計被擴展到更高的速率,那幺利用high order調(diào)制和多天線技術(shù)可以提供擴展的較強性能,但也可能會導(dǎo)致更大的復(fù)雜性和功耗。那些利用寬帶的系統(tǒng),如 DS-UWB, 可以采用完全不同的設(shè)計手段提供無線連接解決方案,獲得更高的速率,更具有可擴展性和低復(fù)雜性。

圖表: 不同無線技術(shù)上的功率頻譜密度和帶寬

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