超寬帶互聯(lián)技術(shù)及其調制方法的比較

超寬帶互聯(lián)技術(shù)(UWB)具有極高的帶寬，可以廣泛應用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)絡(luò )連接、短距離雷達等應用中，該技術(shù)可用的調制方法包括直接序列擴頻、啁啾調制、時(shí)間調制和子頻段方法。這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本文對這些方法進(jìn)行比較，并分析了該技術(shù)的應用前景和趨勢。

超寬帶(UWB)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程與擴頻無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相似，在過(guò)去多年內一直被視為軍用技術(shù)，而現在將在各種民用產(chǎn)品中得到廣泛的應用。根據美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)的最新定義，中心頻率大于2.5GHz的UWB系統至少需要500MHz、-10dB的帶寬，中心頻率在2.5GHz以下的UWB系統則需要至少20%的帶寬比(fractional bandwidth)。相比之下，傳統的無(wú)線(xiàn)電系統只需要不足1%的帶寬比(帶寬比=2(fh-fl)/(fh+fl)，其中fh為最高頻率，fl為最低頻率，采用這種計算方式無(wú)需知道具體的中心頻率)。

UWB最早出現于60年代，當時(shí)主要研究受時(shí)域脈沖響應控制的微波網(wǎng)絡(luò )的瞬態(tài)動(dòng)作。通過(guò)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，其中多數集中在雷達系統應用中，包括探地雷達系統。到80年代后期，該技術(shù)開(kāi)始被稱(chēng)為“無(wú)載波”無(wú)線(xiàn)電，或脈沖無(wú)線(xiàn)電。美國國防部在1989年首次使用了“超帶寬”這一術(shù)語(yǔ)， 而到現在UWB理論和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近30年。在UWB的發(fā)展過(guò)程中，其中有兩項進(jìn)展十分重要：其一是UWB系統可以與其它使用更高頻譜密度的通信系統共存而不產(chǎn)生任何干擾；其次是FCC于2002年2月14日發(fā)布的02-48號報告及規則，該規則定義了不同類(lèi)UWB設備的發(fā)射限制。該規則出臺后，UWB設備立即獲得了廣泛的市場(chǎng)機會(huì )，業(yè)界對于今后的UWB標準產(chǎn)品也表示出濃厚的興趣。

由于UWB設備種類(lèi)繁多，它們可用于多種場(chǎng)合，包括無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)、短距離雷達(包括用于汽車(chē)、防碰系統、智能高速公路及液位感應的傳感器)、探地雷達和用于醫療監測的人體區域網(wǎng)(body area network)等。本文主要講述UWB在局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)PAN/LAN中的互聯(lián)應用。

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

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

DS-UWB

產(chǎn)生UWB信號的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是用一個(gè)非常長(cháng)的偽隨機噪聲(PN)序列來(lái)直接擴展信息位，這樣的系統可看作是CDMA的一種特例。目前已有研究人員提議使用這種方法，不過(guò)更為流行的是另一種稱(chēng)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。擴展波形是一個(gè)單脈沖短序列，序列中每個(gè)單脈沖的極性可通過(guò)CDMA中一些擴展碼推理出來(lái)，如Gold、 Kasami及Barker碼集。與脈沖無(wú)線(xiàn)電不同，這種序列在兩個(gè)單脈沖間沒(méi)有靜默期(如圖1所示)。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。

啁啾調制

碼片信號的傳輸和反向壓縮(converse compression)技術(shù)最初用于雷達設備。在通信應用中，線(xiàn)性啁啾信號更為適用。這些操作通常由聲表面波(SAW)器件來(lái)實(shí)現，而使用SAW器件會(huì )增加產(chǎn)品尺寸和成本，降低廠(chǎng)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，寬帶啁啾調制目前尚未在通信領(lǐng)域獲得廣泛應用。

TM-UWB

TM-UWB系統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，而脈沖重復間隔則為25ns到1ms。因此，每?jì)蓚€(gè)脈沖間有一段很長(cháng)的靜默期，通道脈沖響應可回落到零。這樣無(wú)需均衡器便可將碼間干擾降低到可以忽略不計的程度。


我們可以采用不同的方法，用數據來(lái)調制脈沖序列。但這些脈沖序列在傳輸時(shí)通常沒(méi)有轉換成較高的載波頻率，因此這里稱(chēng)之為“無(wú)載波”。這里用到的調制技術(shù)包括脈位調制(PPM)及脈幅調制(PAM)，后者則包括了開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)和極性鍵控(polarity keying)。

在不同的調制方法中，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(jiàn)圖3)。在這種脈沖中，為了獲得有效的天線(xiàn)發(fā)送效果，直流分量為零。

頻率子頻段應用

目前，很多公司都已開(kāi)發(fā)出單頻段脈沖無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，這些公司同時(shí)還獨立開(kāi)發(fā)了多頻段技術(shù)，以解決一些共性問(wèn)題。這些問(wèn)題包括由于大部分頻譜為脈沖波形所占據而產(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，可在頻域范圍內進(jìn)行縮放但無(wú)法改變其形狀。

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

1. 可以提高數據速率并且不會(huì )引發(fā)碼間干擾問(wèn)題，而碼間干擾問(wèn)題通常在脈沖重復率較高時(shí)會(huì )出現。

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

3. 增強了抗多徑干擾能力。

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

1. 滿(mǎn)足規則的靈活性(可以在不同國家或地區使用，滿(mǎn)足不同國家的相關(guān)規定和要求)。

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)的可擴展性意味著(zhù)在數據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)現更低的市場(chǎng)售價(jià)。


多頻段技術(shù)的缺點(diǎn)則是如果設計不當，那么所有子頻段電路都會(huì )出現同樣的問(wèn)題，增加了成本。

UWB的應用前景及標準化

由于FCC以法律形式限定了UWB的傳輸，因此首要障礙已獲得解決。目前允許使用的頻段尤其適用于高速PAN應用，包括圖像處理及多媒體，這些應用在IEEE任務(wù)組的802.15.3a中已進(jìn)行了標準化。2002年12月11日IEEE標準委員會(huì )通過(guò)了UWB技術(shù)，指出它滿(mǎn)足標準開(kāi)發(fā)的五個(gè)要求，即，具有廣泛的市場(chǎng)潛力、兼容性、定位獨特(即它所針對的領(lǐng)域是其它標準沒(méi)有涉及的)、技術(shù)可行性及經(jīng)濟可行性。TG3a項目的時(shí)間表已經(jīng)確定，并在2003年3月的會(huì )議中公布物理層(PHY)規范提議。進(jìn)一步的相關(guān)介紹及篩選過(guò)程將持續到今年8月，并在11月份推出完整的草案。UWB的標準化日程表如此的緊湊，因此從中可預見(jiàn)其巨大的市場(chǎng)潛力，將成為多媒體消費類(lèi)設備下一種流行的高速無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)。

最近一些標準化活動(dòng)表明，多頻段UWB技術(shù)已獲得業(yè)界的廣泛認同。隨著(zhù)業(yè)界對多頻段技術(shù)的支持越來(lái)越多，它將在上述各種同類(lèi)技術(shù)中脫穎而出。越來(lái)越多的消費者會(huì )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(lái)一個(gè)廣闊的市場(chǎng)。因此，UWB技術(shù)的標準化十分重要，而目前還不能確定該標準制定完成的時(shí)間。此外，與未經(jīng)協(xié)調的UWB Piconet共存也十分重要。