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(wú)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(shí)間調(diào)制和子頻段方法,。這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，本文對(duì)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(shì),。
超寬帶(UWB)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程與擴(kuò)頻無(wú)線電技術(shù)相似，在過(guò)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(guó)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(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(wú)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(jì)算方式無(wú)需知道具體的中心頻率),。
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(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(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(kāi)始被稱(chēng)為“無(wú)載波”無(wú)線電,，或脈沖無(wú)線電,。美國(guó)國(guó)防部在1989年首次使用了“超帶寬”這一術(shù)語(yǔ)，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(guò)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(hào)報(bào)告及規(guī)則,，該規(guī)則定義了不同類(lèi)UWB設(shè)備的發(fā)射限制,。該規(guī)則出臺(tái)后，UWB設(shè)備立即獲得了廣泛的市場(chǎng)機(jī)會(huì),，業(yè)界對(duì)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(lèi)繁多，它們可用于多種場(chǎng)合,，包括無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN),、個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)、短距離雷達(dá)(包括用于汽車(chē),、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(cè)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(wú)線PAN/LAN中的互聯(lián)應(yīng)用,。
由于FCC對(duì)UWB進(jìn)行了一定限制，UWB最初的應(yīng)用主要集中在無(wú)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(lè)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(wú)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(guò)UWB對(duì)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(hào)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(diào)制頻段定義為超過(guò)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(mǎn)足要求的信號(hào)，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(hào)的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是用一個(gè)非常長(zhǎng)的偽隨機(jī)噪聲(PN)序列來(lái)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(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(kuò)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(kuò)展碼推理出來(lái),，如Gold、 Kasami及Barker碼集,。與脈沖無(wú)線電不同，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(diào)制
碼片信號(hào)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(hào)更為適用。這些操作通常由聲表面波(SAW)器件來(lái)實(shí)現(xiàn),，而使用SAW器件會(huì)增加產(chǎn)品尺寸和成本,，降低廠商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(hào)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?jī)蓚€(gè)脈沖間有一段很長(zhǎng)的靜默期,，通道脈沖響應(yīng)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(jì)的程度。
我們可以采用不同的方法,，用數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制脈沖序列,。但這些脈沖序列在傳輸時(shí)通常沒(méi)有轉(zhuǎn)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(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(kāi)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(jiàn)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(kāi)發(fā)出單頻段脈沖無(wú)線電技術(shù),，這些公司同時(shí)還獨(dú)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(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(wú)法改變其形狀,。
除了上述討論過(guò)的脈沖無(wú)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(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(fù)率較高時(shí)會(huì)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(mǎn)足規(guī)則的靈活性(可以在不同國(guó)家或地區(qū)使用,，滿(mǎn)足不同國(guó)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(chǎng)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(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)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(huì)通過(guò)了UWB技術(shù),，指出它滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)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(dú)特(即它所針對(duì)的領(lǐng)域是其它標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有涉及的)、技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)可行性,。TG3a項(xiàng)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(guī)范提議。進(jìn)一步的相關(guān)介紹及篩選過(guò)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(jiàn)其巨大的市場(chǎng)潛力,，將成為多媒體消費(fèi)類(lèi)設(shè)備下一種流行的高速無(wú)線互聯(lián)技術(shù),。
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(duì)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(fèi)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(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,。