超寬帶互聯(lián)技術(shù)及其調(diào)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(yīng)用于無線局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)絡(luò)連接、短距離雷達(dá)等應(yīng)用中，該技術(shù)可用的調(diào)制方法包括直接序列擴(kuò)頻、啁啾調(diào)制、時間調(diào)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(yīng)用前景和趨勢。

超寬帶(UWB)技術(shù)的發(fā)展過程與擴(kuò)頻無線電技術(shù)相似，在過去多年內(nèi)一直被視為軍用技術(shù)，而現(xiàn)在將在各種民用產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)的最新定義，中心頻率大于2.5GHz的UWB系統(tǒng)至少需要500MHz、-10dB的帶寬，中心頻率在2.5GHz以下的UWB系統(tǒng)則需要至少20%的帶寬比(fractional bandwidth)。相比之下，傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)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需知道具體的中心頻率)。

UWB最早出現(xiàn)于60年代，當(dāng)時主要研究受時域脈沖響應(yīng)控制的微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)動作。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UWB設(shè)備種類繁多，它們可用于多種場合，包括無線局域網(wǎng)(WLAN)、個人局域網(wǎng)(PAN)、短距離雷達(dá)(包括用于汽車、防碰系統(tǒng)、智能高速公路及液位感應(yīng)的傳感器)、探地雷達(dá)和用于醫(yī)療監(jiān)測的人體區(qū)域網(wǎng)(body area network)等。本文主要講述UWB在局域網(wǎng)和無線PAN/LAN中的互聯(lián)應(yīng)用。

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、時間調(diào)制UWB(TM-UWB)和子頻段方法。

DS-UWB

產(chǎn)生UWB信號的一個簡單方法是用一個非常長的偽隨機(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，但是采用了一個單脈沖作為碼片波形。擴(kuò)展波形是一個單脈沖短序列，序列中每個單脈沖的極性可通過CDMA中一些擴(kuò)展碼推理出來，如Gold、 Kasami及Barker碼集。與脈沖無線電不同，這種序列在兩個單脈沖間沒有靜默期(如圖1所示)。因此DS-UWB要同時承受碼間干擾(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的程度。


我們可以采用不同的方法，用數(shù)據(jù)來調(diào)制脈沖序列。但這些脈沖序列在傳輸時通常沒有轉(zhuǎn)換成較高的載波頻率，因此這里稱之為“無載波”。這里用到的調(diào)制技術(shù)包括脈位調(diào)制(PPM)及脈幅調(diào)制(PAM)，后者則包括了開關(guān)鍵控(OOK)和極性鍵控(polarity keying)。

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)率較高時會出現(xiàn)。

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

3. 增強(qiáng)了抗多徑干擾能力。

多頻段的另一個重要特點(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，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。


多頻段技術(shù)的缺點(diǎn)則是如果設(shè)計不當(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

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(yīng)用，包括圖像處理及多媒體，這些應(yīng)用在IEEE任務(wù)組的802.15.3a中已進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。2002年12月11日IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會通過了UWB技術(shù)，指出它滿足標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的五個要求，即，具有廣泛的市場潛力、兼容性、定位獨(dú)特(即它所針對的領(lǐng)域是其它標(biāo)準(zhǔn)沒有涉及的)、技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)可行性。TG3a項(xiàng)目的時間表已經(jīng)確定，并在2003年3月的會議中公布物理層(PHY)規(guī)范提議。進(jìn)一步的相關(guān)介紹及篩選過程將持續(xù)到今年8月，并在11月份推出完整的草案。UWB的標(biāo)準(zhǔn)化日程表如此的緊湊，因此從中可預(yù)見其巨大的市場潛力，將成為多媒體消費(fèi)類設(shè)備下一種流行的高速無線互聯(lián)技術(shù)。

最近一些標(biāo)準(zhǔn)化活動表明，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)制定完成的時間。此外，與未經(jīng)協(xié)調(diào)的UWB Piconet共存也十分重要。