UWB雷達

　　UWB雷達(超寬帶雷達)在心臟病學(xué)、呼吸、發(fā)聲機能方面的應用;尤其是對發(fā)聲聲帶的探測,可以遠程監控對象的說(shuō)話(huà)的一舉一動(dòng)或者默讀的聲帶震動(dòng),并通過(guò)計算機的處理,可以探測某人的說(shuō)的話(huà)或思想。

　　美國國防部的研究機構DARPA(國防高級研究計劃局)正致力于一個(gè)稱(chēng)為“高級語(yǔ)音編碼”的計劃，旨在用通過(guò)說(shuō)話(huà)人的神經(jīng)和聲帶肌肉運動(dòng)，而不是聲音本身，來(lái)識別語(yǔ)音的無(wú)聲感應器來(lái)取代麥克風(fēng)。

　　摘要

　　對微功率超寬帶雷達的定義、原理、特點(diǎn)進(jìn)行了討論和描述，并利用本課題組研制的超寬帶雷達進(jìn)行了人體實(shí)驗。實(shí)驗結果表明采用這種技術(shù)能夠檢測到人體的呼吸和心跳信號，這種方法不需要任何電極和傳感器接觸人體，實(shí)現了對人體生命信號的無(wú)創(chuàng )檢測.
　　與激光、紅外探測和聲波探測技術(shù)相比，利用超寬帶雷達檢測人體的生命信號不受環(huán)境溫度、熱物的影響，能有效穿透介質(zhì)，較好地解決了激光、紅外探測受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效及誤報翠高的司越，也克服超聲探測受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、量土阻擋失效的問(wèn)題。超寬帶雷達能夠在l時(shí)和平時(shí)得到廣泛的應用，如：戰后傷員自探尋、地震或塌方后人員的探尋、傳染病.
　　1995年3月23日，美國麻省理工學(xué)院(MIT)從事了題目為雷達聽(tīng)診器的教學(xué)項目的工作。1996年1月，在Sci．enceandTechnologyReview雜志上，通過(guò)照片和實(shí)驗數據較好地描述UWB雷達在生物醫學(xué)上的應用，并介紹了一種由美國斯坦福尼亞大學(xué)LawrenceLivermoreNationallaboratory(LLNL)研制的特殊超寬帶雷達(微功率脈沖雷達，MicmpowerImpulseRadar(MIR))，可以檢測到人體的呼吸和心跳信號，并采用距離門(mén)(RangGating)技術(shù)進(jìn)行斷層掃描(最小距離為2cm)，可以最大程度地抑制外界環(huán)境的干擾對人體呼吸、心跳信號的影響，采用高增益的天線(xiàn)最大作用距離為1oomIq。1996年10月12日研究所的McEwan研究項目：人體監測、成像的裝置與方法獲得美國專(zhuān)利一項(專(zhuān)利號為US5573012)，該裝置能夠將檢測到人體的心臟、肺、動(dòng)脈、聲帶的相關(guān)信號轉換成聲音信號，可以裝在室內為人體生理參數監護儀使用目。1998年1月16日，McEwan的該研究項目又獲得美國專(zhuān)利一項(專(zhuān)利號為US5766208)~。McEwan開(kāi)創(chuàng )了超寬帶雷達的先河，由他研制的MIR至今在美國共申請到56項專(zhuān)利，在全世界共有214項專(zhuān)利或應用專(zhuān)利。從1999年開(kāi)始，由于超寬帶雷達的小體積、低功耗、低成本、高空間分辨率等特點(diǎn)，超寬帶雷達在生物醫學(xué)研究中取得突破性的進(jìn)展，主要在心臟病學(xué)(心臟監護)、產(chǎn)科學(xué)(嬰兒監護)、兒科(嬰兒猝死綜合征監護)、呼吸內科(障礙性睡眠呼吸暫停監護)、腦外科(顱內血腫監護)等領(lǐng)域開(kāi)始應用。2002年2月美國的FCC允許該技術(shù)應用于商用后，許多公司都在投入一定的人力、物力、財力來(lái)開(kāi)發(fā)和研究相關(guān)領(lǐng)域的超寬帶雷達。

　　UWB標準現狀分析

　　UWB是一種短距離的無(wú)線(xiàn)通訊方式，在10米以?xún)鹊姆秶镆灾辽?00Mbps的速率傳輸數據。這種通訊方式比較適合在家庭內部使用，市場(chǎng)應用前景非常廣闊，因此圍繞UWB的標準之爭從一開(kāi)始就非常激烈。曾經(jīng)有二十幾個(gè)標準參與競爭，今天只剩下了兩個(gè)。它們是來(lái)自Freescale的DS-UWB和由TI倡導的MBOA。

　　從技術(shù)上來(lái)講，MBOA和DS-CDMA是無(wú)法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個(gè)通用信令模式，希望與MBOA兼容。但這種模式顯然在技術(shù)上無(wú)法實(shí)現，所以被MBOA、IEEE和無(wú)線(xiàn)USB協(xié)會(huì )拒絕。MBOA在最近的一次表決中占了約10%的優(yōu)勢，但仍然沒(méi)有達到75%的絕對多數。

　　從產(chǎn)品上來(lái)講，DS-UWB在開(kāi)始的時(shí)候走在了前面。它的樣品在2004年初的時(shí)候已經(jīng)在拉斯維加斯的消費電子展上展出，但看來(lái)之后的進(jìn)展比較緩慢，當時(shí)存在的問(wèn)題今天依然存在，例如功耗很大、需要兩根天線(xiàn)分別收發(fā)、在天線(xiàn)與接收器中間有阻擋時(shí)會(huì )出現花屏等。而另一方的MBOA正迎頭趕上，來(lái)自Staccato公司芯片級的物理層芯片（PHY）在2004年的第一季度已經(jīng)完成，八、九月份的時(shí)候，配合TI公司可編程門(mén)陣列（FPGA）的媒體存取控制器（MAC）已經(jīng)可以工作。FPGA還不是芯片級的產(chǎn)品，是在芯片生產(chǎn)之前用來(lái)驗證和測試邏輯功能的，完全芯片級的平臺要到今年年底實(shí)現。這將是兩個(gè)芯片的方案，相比較于DS-UWB目前的四芯片方案在成本、體積和功耗上占有較大的優(yōu)勢。

　　在理解UWB的時(shí)候有必要知道UWB不僅僅指的是DS-CDMA或MBOA，他們僅僅是處于UWB完整架構的最底層。讓我們看一下除了這最底下的一層，UWB還有哪些內容。

　　Wireless USB:無(wú)線(xiàn)USB；

　　Wireless 1394:無(wú)線(xiàn)1394；

　　Application Profile:應用層協(xié)議子集；

　　DLNA compliant: DLNA兼容，DLNA是數字化客廳網(wǎng)絡(luò )聯(lián)盟的縮寫(xiě)（Digital Living Network Alliance）；

　　PAL:協(xié)議適應層,（Protocol Adaption Layer）；

　　UPnP/IP:即插即用多媒體IP電話(huà)；

　　Wimedia Convergence Platform: Wimedia匯聚平臺。Wimedia是無(wú)線(xiàn)多媒體的縮寫(xiě)（Wireless Multimedia）；

　　DS-CDMA or MBOA Specification: DS-CDMA或MBOA規格。DS-CDMA是直接序列CDMA的縮寫(xiě)（Direct Sequence）；MBOA是多頻帶OFDM聯(lián)盟的縮寫(xiě)（Multi-Band OFDM Alliance）。

　　DS-CDMA或MBOA相當于物理層，位于整個(gè)架構的最底層，她還分成兩個(gè)子層，即物理層（PHY）和物理層的控制器層（MAC）。在其上面是WiMedia的匯聚層，有點(diǎn)類(lèi)似于鏈路層或事務(wù)層，介于物理層和應用層的中間。在WiMedia匯聚層的上面就是應用層面的無(wú)線(xiàn)USB、無(wú)線(xiàn)1394和其他的應用環(huán)境，這些層多已被IEEE802.15.3a確認。

　　無(wú)線(xiàn)USB的規格將在今年年底之前頒布，這里大家首先要弄清楚這個(gè)無(wú)線(xiàn)USB的標準是得到USB IF確認的，而并不是之前由Cypress公司推出的那個(gè)企業(yè)標準。無(wú)線(xiàn)USB的推動(dòng)者小組成員包括英特爾、惠普、微軟、德州儀器、飛利浦、三星、NEC和Agere。它們將負責建造一個(gè)與USB兼容的應用軟件棧，以及和1394及WiMedia合作創(chuàng )建分享UWB射頻的規則。

　　獲得USB的支持和支持USB對UWB是非常重要的，大家都知道USB的應用已經(jīng)非常普遍，但現在的USB外設都是有線(xiàn)的，需要通過(guò)一根線(xiàn)纜與PC主機相連，例如打印機、數碼相機和外置硬盤(pán)等。這個(gè)數字非常巨大，今天已經(jīng)有15億條USB的線(xiàn)纜存在于我們的生活中，而這個(gè)數字到2006年時(shí)將大幅增長(cháng)到35億，這表示有差不多這個(gè)數量的USB設備和主機。無(wú)線(xiàn)USB的目的是消除線(xiàn)纜，而用無(wú)線(xiàn)的方式收發(fā)信號。在PC主機和外設這兩端依然以USB的方式工作，所以必須有一個(gè)與USB兼容的應用軟件棧。而無(wú)線(xiàn)發(fā)射這一塊需要使用UWB的射頻，由于1394的設備和其他設備（非USB和1394）也需要通過(guò)UWB的射頻來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)，他們將在WiMedia這一層匯聚，不管原來(lái)是什么信號，在經(jīng)過(guò)WiMedia匯聚層后轉換成相同的信號傳送給物理層發(fā)射。換句話(huà)說(shuō)，就是要分享UWB射頻。

　　MBOA已經(jīng)得到無(wú)線(xiàn)USB的批準，而DS-CDMA尚未，這對于DS-CDMA是一個(gè)嚴重的缺憾。

　　同樣1394也是非常重要的，特別是在消費電子市場(chǎng)上。我們今天比較熟悉的1394設備是數碼攝像機（Camcorder或DV），1394與USB最大的不同是外設與外設之間可以直接通訊。USB采用主/從的架構，比較多見(jiàn)的主機是PC機，而其他外設都是從設備，他們或直接或經(jīng)由集線(xiàn)器（Hub）連到主機，所有的操作必須由主機來(lái)主導，這很適合于PC及其周邊設備的應用，但顯然不適合于消費電子產(chǎn)品的互聯(lián)；1394采用對等的架構（peer-to-peer），聯(lián)網(wǎng)的設備彼此之間都可以通訊，例如機頂盒和DVD機可以同時(shí)播放，而電視機和刻錄機可以選擇其中的任何一個(gè)節目源，而這并不需要一臺主機的控制。今天在市場(chǎng)上已經(jīng)有3億條1394的線(xiàn)纜，這個(gè)數字將隨著(zhù)數字電視的普及在今后幾年中大幅增長(cháng)。

　　與無(wú)線(xiàn)USB不同，無(wú)線(xiàn)1394對DS-CDMA和MBOA都支持。無(wú)線(xiàn)1394的主任成員較之于無(wú)線(xiàn)USB的推動(dòng)者小組成員的范圍要更廣泛一些，盡管英特爾和飛利浦不在其中，但有索尼、松下、三菱這樣的消費電子制造巨頭，也有蘋(píng)果、昆騰和牛津半導體（昆騰是做硬盤(pán)的）這樣的PC及其外設制造商，還有軟件商，像Mindready、Vividlogic和Newnex等，以及Molex。它們將負責構建一個(gè)1394協(xié)議適應層（PAL）以支持400Mbps的無(wú)線(xiàn)1394，還要與WiMedia協(xié)會(huì )合作以實(shí)現兼容性和互操作性。

　　WiMedia協(xié)會(huì )的任務(wù)看起來(lái)比較多一些，它需要建立一套程序用于認證和保證互操作性；要能支持多協(xié)議的架構，比如無(wú)線(xiàn)USB、無(wú)線(xiàn)1394和DLNA，要支持公平競爭和傳輸數據的安全性；要支持即插即用和建立基于IP的應用程序棧來(lái)支持多媒體數據流。該協(xié)會(huì )成員包括英特爾、惠普、德州儀器、飛利浦、三星、LG、意法半導體、夏普、柯達等,摩托羅拉亦在此成員之列中。

　　所以我們應該看到所謂的UWB是一個(gè)完整的系統，而不僅僅是現在人們熱衷討論的DS-CDMA或MBOA。只有充分理解這一點(diǎn)才算是理解了真正的UWB，而只有全面地支持所有這些協(xié)議層，才可以說(shuō)是一個(gè)完整的UWB系統。

　　回到DS-CDMA或MBOA的標準之爭，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢？其實(shí)兩方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。DS-CDMA技術(shù)是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個(gè)傳輸任務(wù)可共享整個(gè)頻帶的頻率，對現有的、許可頻帶內的用戶(hù)造成的干擾比較少，成本可以做得比較低、上市的時(shí)間較短，易于實(shí)現低功耗、低速數據流的無(wú)線(xiàn)傳輸，可實(shí)現更高速的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，應用于媒體流及大量的數據傳輸；MBOA技術(shù)是多頻帶方式，技術(shù)上易于實(shí)現、功耗很低，頻帶的利用率高，多個(gè)頻率子帶并列，可以避開(kāi)某些頻帶、靈活配置，速率的擴展性好。

　　以無(wú)線(xiàn)電頻率管理來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)基本的原則：1.新的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不得對已有的無(wú)線(xiàn)電臺（系統）造成有害干擾；2.受到干擾不得提出保護要求，既要能忍受已有無(wú)線(xiàn)電臺的各種干擾。這對于DS-CDMA比較頭疼，因為它使用整個(gè)3.1-10.6GHz頻段，而有些無(wú)線(xiàn)技術(shù)就使用其中的一些頻率，例如802.11p的載頻是5.8GHz；而MBOA使用多個(gè)頻率子帶，可以很方便地避開(kāi)這個(gè)頻率。

　　在市場(chǎng)推廣方面，兩個(gè)陣營(yíng)分別組建了自己的聯(lián)盟，都建有自己的網(wǎng)站。DS-UWB組建的聯(lián)盟是UWB論壇（UWB FORUM），網(wǎng)站地址是http://www.uwbforum.org。MBOA的組織就是這個(gè)名稱(chēng)，網(wǎng)站地址是http://www.multibandofdm.org。

　　UWB論壇目前有77家會(huì )員，其中有十幾家高校和研究所，占了近15%。MBOA聯(lián)盟已有170多個(gè)成員，幾乎集中了所有的大型跨國公司和集團，這是一種優(yōu)勢，因為開(kāi)發(fā)、推廣、應用一個(gè)新的技術(shù)和產(chǎn)品需要大量的投入，遠遠不是一二家企業(yè)所能承受的。而且UWB一個(gè)很重要的應用是把家庭中的電器產(chǎn)品連接成微微網(wǎng)（Piconet），需要有大量的電器產(chǎn)品支持，這就要求有大批的家用電器和計算機制造商提供這樣的產(chǎn)品。

　　那么UWB的現狀究竟是如何的呢？還有多久用戶(hù)才能享受到這一新技術(shù)和新標準帶來(lái)的全新體驗呢？其實(shí)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需要經(jīng)過(guò)以下四個(gè)階段：1.芯片階段；2.模塊階段；3.系統階段；4.產(chǎn)品階段。DS-UWB已處于模塊階段，而MBOA剛剛進(jìn)入芯片階段。用戶(hù)仍需要等待一段時(shí)間。即便是達到了產(chǎn)品階段，還需要經(jīng)受市場(chǎng)的考驗，不然重蹈藍牙技術(shù)的覆轍，曇花未現便已凋零，不管誰(shuí)贏(yíng)得了標準之爭也只能是一個(gè)失敗的嘗試，這需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力。

　　撇開(kāi)UWB內部的標準之爭，我們還應該看到在數字化家庭這樣一個(gè)應用領(lǐng)域UWB還遠遠談不上一花獨放。802.11也正在躍躍欲試，WLAN的劣勢是她的傳輸速率比較低和對多媒體數據流的支持不夠，但傳輸距離長(cháng)卻是她的優(yōu)勢。802.11正在試圖突破這些技術(shù)瓶頸，能否在不久的將來(lái)實(shí)現值得我們關(guān)注。UWB傳輸距離短的局限（10米）也使得她只能構建微微網(wǎng)，即便在一個(gè)家庭內部也無(wú)法真正實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化，這需要結合有線(xiàn)的傳輸技術(shù)，例如1394a/b、USB2.0或USB OTG。有線(xiàn)技術(shù)同樣具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如電磁干擾小、傳輸穩定、安全性高等等，另一個(gè)優(yōu)勢是這些標準已經(jīng)成熟，產(chǎn)品經(jīng)受過(guò)市場(chǎng)的考驗，也符合消費者的使用習慣。另外, 在關(guān)注UWB的同時(shí)，開(kāi)發(fā)其他更實(shí)用與更迫切的數字接口技術(shù)也逐步提上日程。

　　基于FPGA的UWB雷達PPM調制解調系統

　　超寬帶UWB無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是一種基于直接發(fā)射窄脈沖的新技術(shù),因其具有低功耗、良好的抗干擾和抗多徑能力、穿透性能好等特點(diǎn),特別適用于隱藏活動(dòng)目標檢測和近距離數據傳輸.用于檢測隱藏活動(dòng)目標的超寬帶雷達就是基于基帶無(wú)載波極窄脈沖的,有著(zhù)廣闊的應用前景.對比超寬帶的多種調制解調方式選取了脈沖位置調制.介紹了使用Verilog語(yǔ)言在FPGA上實(shí)現PPM調制解調器,實(shí)現了UWB雷達發(fā)送窄脈沖進(jìn)行基帶調制.