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超寬頻互聯技術及其調變方法的比較

上網時間: 2003年06月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Ultra-Wideband  超寬頻  Philips semiconductor  飛利浦半導體公司  spread spectrum radio 

超寬頻互聯技術(UWB)具有極高的頻寬,可以廣泛應用於無線區域網路、家庭網路連接、短距離雷達等應用中,該技術可用的調變方法包括直接序列擴頻、Chirp調變、時間調變和子頻段方法。這些方法各具優缺點,本文對這些方法進行比較,並分析了該技術的應用前景和趨勢。

超寬頻(UWB)技術的發展過程與擴頻無線電技術相似,在過去多年內一直被視為軍用技術,而現在將在各種民用產品中得到廣泛的應用。根據美國聯邦通訊委員會(FCC)的最新定義,中心頻率大於2.5GHz的UWB系統至少需要500MHz、-10dB的頻寬,中心頻率在2.5GHz以下的UWB系統則需要至少20%的頻寬比(fractional bandwidth)。相較之下,傳統的無線電系統只需要不足1%的頻寬比(頻寬比=2(fh-fl)/(fh+fl),其中fh為最高頻率,fl為最低頻率,採用這種運算方式無需知道具體的中心頻率)。


圖1: DS-UWB與TM-UWB的比較。

UWB最早出現於60年代,當時主要研究受時域脈衝響應控制的微波網路的瞬態動作。透過Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究,UWB技術在70年代獲得了重要的發展,其中多數集中在雷達系統應用中,包括探地雷達系統。到80年代後期,該技術開始被稱為‘無載波’無線電,或脈衝無線電。美國國防部在1989年首次使用了‘超頻寬’這一術語,而到現在UWB理論和技術已經發展了近30年。在UWB的發展過程中,其中有兩項進展十分重要:其一是UWB系統可以與其它使用更高頻譜密度的通訊系統共存而不產生任何干擾;其次是FCC於2002年2月14日發佈的02-48號報告及規則,該規則定義了不同類UWB設備的發射限制。該規則推出後,UWB設備立即獲得了廣泛的市場機會,業界對於今後的UWB標準產品也表示出濃厚的興趣。

由於UWB設備種類繁多,它們適用於多種場合,包括無線區域網路(WLAN)、個人區域網(PAN)、短距離雷達(包括用於汽車、防碰系統、智慧高速公路及液位感應的感測器)、探地雷達和用於醫療監測的人體區域網(body area network)等。本文主要講述UWB在區域網和無線PAN/LAN中的互聯應用圖2: 線性調頻波形示例。

由於FCC對UWB進行了一定限制,UWB最初的應用主要集中在無線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現客廳內各種數位娛樂設備間的聯網,如DVD、衛星╱有線電視視訊轉換盒、電視機及環繞音響。此外,它還可實現數位相機、掃描儀、印表機、相機及MP3播放器等設備與電腦之間的無線連接,因而為採用USB2.0或IEEE 1394有線連接的設備提供了另一種互聯方式,甚至可以取代這些有線連接。此外,還可以透過UWB對多個房間內的設備進行互聯。但是,由於UWB的傳輸功率較低,訊號處理可能會有些困難,其頻率範圍為3~10GHz也不易穿透牆壁等障礙。

UWB的調變頻段定義為超過中心頻率20%的頻寬比(或500MHz),因此現有的多種方法均可以產生滿足要求的訊號,包括直接序列擴頻、Chirp調變、時間調變UWB(TM-UWB)和子頻段方法。

DS-UWB

產生UWB訊號的一個簡單方法是用一個非常長的偽隨機噪音(PN)序列來直接擴展資訊位,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,但是採用了一個單脈衝作為碼片波形。擴展波形是一個單脈衝短序列,序列中每個單脈衝的極性可透過CDMA中一些擴展碼推理出來,如Gold、Kasami及Barker碼集。與脈衝無線電不同,這種序列在兩個單脈衝間沒有靜默期(如圖1所示)。因此DS-UWB要同時承受碼間干擾(ISI)和訊息通道間干擾(ICI),尤其是在採用短代碼序列的時候。

Chirp調變圖3: 高斯單脈衝。

碼片訊號的傳輸和反向壓縮(converse compression)技術最初用於雷達設備。在通訊應用中,線性Chirp訊號更為適用。這些作業通常由聲表面波(SAW)元件來實現,而使用SAW元件會增加產品尺寸和成本,降低廠商的競爭優勢。此外,SAW元件在不同的溫度條件下變化較大,使可靠性降低。因此,寬頻Chirp調變目前尚未在通訊領域獲得廣泛應用。

TM-UWB

TM-UWB系統採用的訊號基於短周期脈衝序列,這些脈衝序列由單個基本脈衝波形形成。脈衝波的周期為0.2ns到1ns,而脈衝重覆間隔則為25ns到1ms。因此,每兩個脈衝間有一段很長的靜默期,通道脈衝響應可回落到零。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。

我們可以採用不同的方法,用數據來調變脈衝序列。但這些脈衝序列在傳輸時通常沒有轉換成較高的載波頻率,因此這?稱之為‘無載波’。這?用到的調變技術包括脈位調變(PPM)及脈幅調變(PAM),後者則包括了開關鍵控(OOK)和極性鍵控(polarity keying)。

在不同的調變方法中,有各種不同的脈衝波形可供選用,其中高斯脈衝最為常用(見圖3)。在這種脈衝中,為了獲得有效的天線發送效果,直流分量為零。

頻率子頻段應用

目前,很多公司都已開發出單頻段脈衝無線電技術,這些公司同時還獨立開發了多頻段技術,以解決一些共性問題。這些問題包括由於大部份頻譜為脈衝波形所佔據而產生固定干擾的處理,通常這些固定干擾很難消除,例如高斯單脈衝有一種特殊的頻譜形狀,可在頻域範圍內進行縮放但無法改變其形狀。圖4: UWB的多頻段概念。

除了上述討論過的脈衝無線電調變技術外,子頻段也可作為一種新的調變技術。它使得碼集更豐富,可在每個脈衝周期內增加更多的資訊位。這些豐富的碼集有以下優點:


1. 可以提高數據速率並且不會引發碼間干擾問題,而碼間干擾問題通常在脈衝重覆率較高時會出現。


2. 由於它的脈衝重覆率低,因此可以使多個未經協調的微型網路(piconet)設備能及時地交替工作。


3. 增強了抗多徑干擾能力。


多頻段的另一個重要特點是具有可擴展性和靈活性。多頻段方法的優點如下:


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


2. 消除干擾(例如,它不佔用802.11a的頻段)。


3. 使UWB可與其它通訊技術共存。


4. 多頻段技術的可擴展性意味著在數據速率和可支配成本較低時,可使用較少的子頻段並使用成本較低的IC製程,這樣便可實現更低的市場售價。圖5: 多頻段技術不佔用802.11a的頻段。

多頻段技術的缺點則是如果設計不當,那麼所有子頻段電路都會出現同樣的問題,增加了成本。

UWB的應用前景及標準化

由於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於高速PAN應用,包括圖像處理及多媒體,這些應用在IEEE任務組的802.15.3a中已進行了標準化。2002年12月11日IEEE標準委員會透過UWB技術,指出它滿足標準開發的五個要求,即,具有廣泛的市場潛力、相容性、定位獨特(即它所針對的領域是其它標準沒有涉及的)、技術可行性及經濟可行性。TG3a計畫的時間表已經確定,並在2003年3月的會議中公佈實體層(PHY)規格提議。進一步的相關介紹及篩選過程將持續到今年8月,並在11月份推出完整的草案。UWB的標準化日程表如此的緊密,因此從中可預見其巨大的市場潛力,將成為多媒體消費性設備下一種流行的高速無線互聯技術。

最近一些標準化活動顯示,多頻段UWB技術已獲得業界的廣泛認同。隨著業界對多頻段技術的支援越來越多,它將在上述各種同類技術中脫穎而出。越來越多的消費者會採用UWB技術作為家庭多媒體互聯技術,該技術將帶來一個廣闊的市場。因此,UWB技術的標準化十分重要,而目前還不能確定該標準制定完成的時間。此外,與未經協調的UWB Piconet共存也十分重要。

作者:Charles Razzell


系統架構經理


飛利浦半導體公司互聯業務產品線




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