淺談超寬帶互聯(lián)及其調(diào)制方法

UWB技術(shù)是一種新型的無線通信技術(shù)。它通過對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。 1 超寬帶信號及其特點(diǎn) 美聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定： 部分帶寬號稱為UWB信號。其中，部分帶寬為信號功率譜密度在-10dB處測量的值。

　　UWB最早出現(xiàn)于60年代，當(dāng)時(shí)主要研究受時(shí)域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)動(dòng)作。通過Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技術(shù)在70年代獲得了重要的發(fā)展，其中多數(shù)集中在雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用中，包括探地雷達(dá)系統(tǒng)。到80年代后期，該技術(shù)開始被稱為“無載波”無線電，或脈沖無線電。美國國防部在1989年首次使用了“超帶寬”這一術(shù)語，而到現(xiàn)在UWB理論和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近30年。在UWB的發(fā)展過程中，其中有兩項(xiàng)進(jìn)展十分重要：其一是UWB系統(tǒng)可以與其它使用更高頻譜密度的通信系統(tǒng)共存而不產(chǎn)生任何干擾；其次是FCC于2002年2月14日發(fā)布的02-48號報(bào)告及規(guī)則，該規(guī)則定義了不同類UWB設(shè)備的發(fā)射限制。該規(guī)則出臺后，UWB設(shè)備立即獲得了廣泛的市場機(jī)會，業(yè)界對于今后的UWB標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品也表示出濃厚的興趣。

　　由于FCC對UWB進(jìn)行了一定限制，UWB最初的應(yīng)用主要集中在無線PAN上，傳輸距離約為10米，數(shù)據(jù)速率為110Mbps到480Mbps。這種高速率可輕易地實(shí)現(xiàn)客廳內(nèi)各種數(shù)字娛樂設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)，如DVD、衛(wèi)星/有線電視機(jī)頂盒、電視機(jī)及環(huán)繞音響。此外，它還可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、攝像機(jī)及MP3播放機(jī)等設(shè)備與電腦之間的無線連接，從而為采用USB2.0或IEEE 1394有線連接的設(shè)備提供了另一種互聯(lián)方式，甚至可以取代這些有線連接。此外，還可以通過UWB對多個(gè)房間內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。但是，由于UWB的傳輸功率較低，信號處理可能會有些困難，其頻率范圍為3~10GHz也不易穿透墻壁等障礙。

　　UWB的調(diào)制頻段定義為超過中心頻率20%的帶寬比(或500MHz)，因此現(xiàn)有的多種方法均可以產(chǎn)生滿足要求的信號，包括直接序列擴(kuò)頻、啁啾調(diào)制、時(shí)間調(diào)制UWB(TM-UWB)和子頻段方法。

　　DS-UWB

　　產(chǎn)生UWB信號的一個(gè)簡單方法是用一個(gè)非常長的偽隨機(jī)噪聲(PN)序列來直接擴(kuò)展信息位，這樣的系統(tǒng)可看作是CDMA的一種特例。目前已有研究人員提議使用這種方法，不過更為流行的是另一種稱為直接序列UWB(DS-UWB)的方法，它的原理與前者基本相同，但是采用了一個(gè)單脈沖作為碼片波形。因此DS-UWB要同時(shí)承受碼間干擾(ISI)和信道間干擾(ICI)，尤其是在采用短代碼序列的時(shí)候。

　　啁啾調(diào)制

　　碼片信號的傳輸和反向壓縮(converse compression)技術(shù)最初用于雷達(dá)設(shè)備。在通信應(yīng)用中，線性啁啾信號更為適用。這些操作通常由聲表面波(SAW)器件來實(shí)現(xiàn)，而使用SAW器件會增加產(chǎn)品尺寸和成本，降低廠商的競爭優(yōu)勢。此外，SAW器件在不同的溫度條件下變化較大，使可靠性降低。因此，寬帶啁啾調(diào)制目前尚未在通信領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

　　TM-UWB

　　TM-UWB系統(tǒng)采用的信號基于短周期脈沖序列，這些脈沖序列由單個(gè)基本脈沖波形形成。脈沖波的周期為0.2ns到1ns，而脈沖重復(fù)間隔則為25ns到1ms。因此，每兩個(gè)脈沖間有一段很長的靜默期，通道脈沖響應(yīng)可回落到零。這樣無需均衡器便可將碼間干擾降低到可以忽略不計(jì)的程度。

　　在不同的調(diào)制方法中，有各種不同的脈沖波形可供選用，其中高斯脈沖最為常用(見圖3)。在這種脈沖中，為了獲得有效的天線發(fā)送效果，直流分量為零。

　　頻率子頻段應(yīng)用

　　目前，很多公司都已開發(fā)出單頻段脈沖無線電技術(shù)，這些公司同時(shí)還獨(dú)立開發(fā)了多頻段技術(shù)，以解決一些共性問題。這些問題包括由于大部分頻譜為脈沖波形所占據(jù)而產(chǎn)生固定干擾的處理，通常這些固定干擾很難消除，例如高斯單脈沖有一種特殊的頻譜形狀，可在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行縮放但無法改變其形狀。

　　除了上述討論過的脈沖無線電調(diào)制技術(shù)外，子頻段也可作為一種新的調(diào)制技術(shù)。它使得碼集更豐富，可在每個(gè)脈沖周期內(nèi)增加更多的信息位。這些豐富的碼集有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1. 可以提高數(shù)據(jù)速率并且不會引發(fā)碼間干擾問題，而碼間干擾問題通常在脈沖重復(fù)率較高時(shí)會出現(xiàn)。

　　2. 由于它的脈沖重復(fù)率低，因此可以使多個(gè)未經(jīng)協(xié)調(diào)的微型網(wǎng)絡(luò)(piconet)設(shè)備能及時(shí)地交替工作。

　　3. 增強(qiáng)了抗多徑干擾能力。

　　多頻段的另一個(gè)重要特點(diǎn)是具有可擴(kuò)展性和靈活性。多頻段方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

　　1. 滿足規(guī)則的靈活性(可以在不同國家或地區(qū)使用，滿足不同國家的相關(guān)規(guī)定和要求)。

　　2. 消除干擾(例如，它不占用802.11a的頻段)。

　　3. 使UWB可與其它通信技術(shù)共存。

　　4. 多頻段技術(shù)的可擴(kuò)展性意味著在數(shù)據(jù)速率和可支配成本較低時(shí)，可使用較少的子頻段并使用成本較低的IC工藝，這樣便可實(shí)現(xiàn)更低的市場售價(jià)。

　　多頻段技術(shù)的缺點(diǎn)則是如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，那么所有子頻段電路都會出現(xiàn)同樣的問題，增加了成本。

　　UWB的應(yīng)用前景及標(biāo)準(zhǔn)化

　　如前所述，UWB 系統(tǒng)在很低的功率譜密度的情況下，已經(jīng)證實(shí)能夠在戶內(nèi)提供超過480Mbps 的可靠數(shù)據(jù)傳輸。與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比，UWB 具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢，最大可以提供高達(dá)1000Mbps 以上的傳輸速率。UWB技術(shù)在無線通訊方面的創(chuàng)新性、利益性已引起了全球業(yè)界的關(guān)注。與藍(lán)牙、802111b、802115 等無線通信相比， UWB 可以提供更快、更遠(yuǎn)、更寬的傳輸速率，越來越多的研究者投入到UWB 領(lǐng)域，有的單純開發(fā)UWB技術(shù)，有的開發(fā)UWB應(yīng)有，有的兼而有之。相信UWB技術(shù)， 不僅為低端用戶所喜愛，且在一些高端技術(shù)領(lǐng)域，在軍事需求和商業(yè)市場的推動(dòng)下，UWB 技術(shù)將會進(jìn)一步發(fā)展和成熟起來。據(jù)聯(lián)合商業(yè)情報(bào)公司在《關(guān)于UWB 的預(yù)測和潛在市場應(yīng)用的報(bào)告》指出，2007 年全球配備UWB的電子設(shè)備和芯片的生產(chǎn)量將達(dá)到4510 萬套，當(dāng)年的收益將達(dá)到13. 9 億美元。

　　最近一些標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)表明，多頻段UWB技術(shù)已獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)同。隨著業(yè)界對多頻段技術(shù)的支持越來越多，它將在上述各種同類技術(shù)中脫穎而出。越來越多的消費(fèi)者會采用UWB技術(shù)作為家庭多媒體互聯(lián)技術(shù)，該技術(shù)將帶來一個(gè)廣闊的市場。因此，UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化十分重要，而目前還不能確定該標(biāo)準(zhǔn)制定完成的時(shí)間。此外，與未經(jīng)協(xié)調(diào)的UWB Piconet共存也十分重要。