商用UWB技术在无线视频中的应用正在加速

目前我们再一次站在推出一种新型无线技术的边缘，这一新技术将改变我们目前的使用电子产品的方式。与其他无线技术很相似的是，这一改变将是非常正面的。

借助UWB，我们将享受到消费电子产品(尤其是TV和PC)之间的高速无线连接。但像大多数其他无线技术一样，USB步出闺房的时间比我们预期的要多。USB是一种比较复杂的无线技术，但又有哪一种无线技术是容易的呢？

不过，我们在本世纪初的宣传还是很成功的。现在，各家公司正潜心在做产品推出前的最后准备工作。的确，目前市场上已有好几种UWB产品，但更大的上市高潮将陆续到来。事实上，今年1月份于美国拉斯维加斯举行的消费电子展上，各厂商已经纷纷推出了新的UWB产品。

那么，UWB技术适合用在哪一块无线应用领域呢？让我们来看看图1，它给出了UWB技术的缝隙市场。在图中的作用距离/数据速率曲线上，它达到了所有现有无线技术的的最高数据速率，但作用距离也最短。UWB轻易就能达到100Mbps至1Gbps的数据速率，但作用距离通常小于10米。

你可能会想不通这种陌生技术的真正用途。但如果你仔细想一想，你就会发现还有一样东西我们没有实现无线：它就是视频。

UWB的工作原理

UWB是一种宽带无线技术，就像扩频与正交频分多路复用(OFDM)技术一样，UWB将信号扩展到一个令人难以置信的宽带上，但却是以极低的功率，这就提供了以下四种优势。

首先，宽带无线技术更适合用于一些具有多径传播问题的应用。带宽越宽，消除反射及相关传播问题的能力也就越强。其次，借助宽带无线技术，很多信号都能叠加在其他信号上，从而能采用复用技术。第三，宽带技术产生的信号一般很少干扰同频带内的其他信号，这是因为极低的功率使它看起来更像噪声而不是干扰信号。第四，它天生安全性强，因为你很难检测到和复原它。

UWB概念大约于上世纪60年代初提出，其时它首次被发现并秘密开发用于军事保密通信和雷达等应用。在其最早形式中，它采用超窄基带脉冲将信号扩展到一个极宽的频带上。当时它被称为“脉冲雷达”，依靠产生一个称为“单脉冲”的独特形状脉冲工作(图2)。它产生一个占用大于其中心频率20%带宽的信号，且其带宽近似为脉冲宽度的倒数。这一特性通常使UWB能很好地运用于微波频段。

2002年，联邦通信委员会(FCC)将从3.1到10.6 GHz的频段分配给UWB。这一7.5GHz宽的频段包括了一些使用最广泛的无线业务，包括2.4与5.8GHz频段内的蓝牙和Wi-Fi、WiMAX、ZigBee、卫星通信、雷达、某些3G手机以及一些“只有天知道的”政府与军用无线。不过由于其发射功率被设置在极低的-41.3dBm/Hz上，因此实际上任何UWB信号对其他任何业务来说都更像低电平背景噪声。

人们最初担心UWB会带来潜在的电磁干扰(EMI)问题，但现在大多数专家都同意这不成为一个问题。脉冲UWB通常被称为时间调制或TM-UWB。脉冲位置调制(PPM)是最常用的调制方法。用滤波器形成的窄脉冲可提供极宽的带宽。

在直接序列(DS)UWB中，发送的数据首先被一个独特的较高速码整形信号调制，就像直接序列扩频中的信号一样(如CDMA手机)。这将信号扩展到一个宽带上，并为多个信号的同时发射及恢复提供一种将带宽“信道化”的手段。调制可以是移相键控(PSK)或PPM。DS-UWB发射器极其简单且发射功率很低，但接收机与其复杂的相关恢复电路则对设计者提出了一些挑战。

今天，市场上已有好几个版本的TM/DS UWB，例如Artimi公司的PPM产品、飞思卡尔公司的Xtreme Spectrum Trinity PSK产品以及Pulse-Link公司的CWave DS产品等。这些产品都很出色，功耗很小，且很容易在10米距离上达到100Mbps以上的数据速率。

尽管出于某些原因，行业并未将这些技术作为标准。但实际上大多数公司都已经放弃了脉冲方法，转而开发新的技术，即更复杂的OFDM UWB标准，即多频段OFDM(MB-OFDM)。该标准将成为大多数即将推出的UWB产品的基础。

MB-OFDM将UWB频段分为多个528-MHz宽的子频段，使用时以三个为一组。较低的3个频段(3.168 - 4.952 GHz)为最初使用的频谱，这主要是因为今天比较容易在此尺寸内制造所有CMOS无线电IC。这三个528MHz频段的中心频率如图3所示。

128个频段的OFDM信号依次覆盖每一个频段，每个频段的带宽均为4.125 MHz。在128个载波中，100个用于数据，12个为引导载波，其余则用于殿后。根据数据速率，采用二进制PSK或正交PSK数据流对每一个载波进行调制。所产生的信号再用三个频段中的一个连续发射。此外，数据也可以以四种基本方式中的一种从一个频段跳到另一个频段。

MB-OFDM无线电采用标准编码、加扰及快速傅立叶逆变换(IFFT)来产生发射信号，再于接收端用FFT来恢复原始信号。因此，数据信号处理是MBOFDM UWB无线电的核心。尽管如此，128个点的FFT并不怎么复杂，且今天可以用较小的尺寸以CMOS逻辑来实现。所得到的无线电可在大约2到3米的距离上达到480 Mbps的数据速率，以及10米距离上达到110 Mbps的数据速率。

UWB应用

UWB的一种最经常提到的应用是视频流传送。这的确有意义，因为数字视频即使采用压缩格式也需要很宽的带宽。此外，有时也缺少实际的视频处理技术，尤其在便携式或移动应用中。

从总体上讲，UWB可为视频应用提供所需的电缆替代，或成为至视频监视器或屏幕的连接，尤其对一些大型墙式安装等离子体或LCD监视器。任何数字视频设备均可成为UWB无线连接的应用对象，包括数码摄像机(或数码相机)等。

由于UWB使用很低的功率，因此它对数码相机、摄像机、MP3播放机及无线扬声器等电池供电设备特别具有吸引力。

尽管视频最可能是UWB的主要应用，但其发展重点却已转向另一种电缆替代方案，即无线USB端口。由于USB端口已成为至PC及笔记本电脑的最容易使用及最普遍的连接方式，因此有必要开发一种数据速率最高可达480Mbps的无线USB版本。

大多数UWB厂商都将无线USB看成是UWB的“杀手”应用。只要他们使其对用户完全透明，它就能找到自己的位置。但如果它们需要有特殊的配置步骤或新的驱动器，则消费者将会变得不耐烦。

另一个可能的主要应用是网状网络。网状网络采用带有(主要为无线传感器网络设计的)收发器的很小、低功率(且在大多数情况下)及电池供电节点。且大多数应用只要求低速。

迄今为止，ZigBee/802.15.4标准收发器占据了网状网络市场的最大份额。而Wi-Fi(或802.11a/b/g)也占有一定的份额，但价格更贵且需要更多的功率。其优势是作用距离及数据速率比ZigBee高。

网状网络被设计成每个节点都是一个转发器，可将数据从一个节点传递给另一个节点，故能极大地延长单个节点的距离。但问题是数据速率严重受ZigBee及其他技术的限制，这就是为何采用UWB的原因。

UWB的作用距离限制在大约10米以内，采用多个互相靠近的节点可将作用距离延长很多倍，并且还能保持100 Mbps或以上的数据速率。只有带适当软件的标准DS-UWB或MB-UWB才最终能形成快速网状网络。

UWB的一个潜在应用机会是成为蓝牙的新物理层 (PHY)。蓝牙特别兴趣组(Bluetooth SIG)最近宣布，它正在考虑将UWB用作未来的蓝牙高速PHY。蓝牙1 Mbps的基本数据速率对于大多数音频应用来说已经足够。最近一个称为“增强数据速率(EDR)”的版本可提供3Mbps的数据速率。但为了保持可行，蓝牙必须提供更高的数据速率才能增加新的应用机会。尽管尚未最后决定是否采用UWB，但正在考虑所有的事项。不管怎样，当要求在蓝牙的短距离上提供更高的数据速率时，UWB都不失为一个很好的选择。

有趣的是，一旦芯片推出我们还将看到其他应用出现。可能的无线应用包括IEEE1394接口或高分辨率多媒体接口(HDMI)的无线版本。很多消费电子设备厂商都采用在其产品间传输音视频。

UWB存在的问题

有时，标准的缺乏阻碍了UWB的发展。当2002年2月FCC批准UWB后，标准工作即开始在IEEE无线个人区域网(WPAN)工作组(802.15.3a)中展开。众多最初的提案迅速归结为两种主要技术：DS-UWB与MB-OFDM。

过去几年间，人们为了就一项标准达成一致付出了大量精力，但从未达成过。代表迄今较多厂家的MBOFDM一方的得票数，从未能超过以飞思卡尔/摩托罗拉为代表的DS-UWB一方。在这一僵局下，双方都各行其是。

最近，多频段OFDM联盟与WiMedia联盟联合制定了一项其成员公司同意的标准。WiMedia将管理该标准并提供像Wi-Fi这样的测试与鉴定，来确保互相竞争的芯片组与产品之间的互操作性。

以这么多公司支持此项标准，很明显UWB技术将被大多数最终产品所采用。不过DS-UWB技术也找到了它自己的位置，因此它无疑将与WiMedia MB-UWB技术相共存。

在这一点上，IEEE标准似乎已经胎死腹中，但过程仍在继续。难道会是一项可在消费领域提供真正需要的广泛互操作性的标准？

另一个影响UWB的问题是这种产品的全球市场状况。任何一种无线产品要想取得成功，都必须拥有全球市场。美国以外的主要视频与无线USB市场为欧洲、日本与韩国。但这些国家和地区至今尚未有任何正式的规定，预计将于2006年出台。它们虽不同于美国的UWB，但足够接近，所开发的产品将基本相同或很容易修改。

继续困扰一些供应商的一个问题是与其他无线技术、尤其是802.11a/g及即将出炉的11n标准之间的竞争。Wi-Fi已经能传输视频，因其54Mbps的上限数据速率已经足够快，且其作用距离也大于UWB。问题是复杂性和电源，尽管对于大多数采用墙式电源插座的消费电子产品来说，电源不是个问题。

仍在IEEE N工作组协商的802.11n标准，将具有从100-250 Mbps的数据速率，且通过使用多进多出(MIMO)天线可达到50到100米的更长作用距离。这对于采用交流供电的UWB产品来说将是一个威胁。

一个新的工作组，即增强无线联盟(EWC)，由27个正设法使该迟迟未能推出的标准尽快出台的厂家组成。IEEE目前正在着手讨论的两项主要技术为TGn Sync及WwiSE。迄今为止，仍未达成一致，且只有很少的进展。但有望最终达成一项标准或两项标准同时推出，就像WiMedia工作组一样。

由EWC提出的标准结合了目前正在IEEE讨论的两项标准提案的特点。它支持采用20-MHz指定频段或40个可用频段的600 Mbps数据速率，与802.11a/g标准兼容，并支持以4付天线实现的空间复用同时传输。Atheros、Broadcom、思科、Dlink及英特尔等“巨头” Wi-Fi公司，正在施加压力以尽快推出802.11n，拟或EWC将走自己的路。不会有两项标准来竞争消费视频应用，究竟谁将率先胜出仍不确定。

目前，大多数厂家都已做好推出其自己的芯片组及相关产品的准备。预计终端产品将首次于2006年推出。