谈UWB的过去、进展和技术归纳

[导语] 超宽频技术的发展模式类似Wi－Fi一样，有一段很长的时间被归类为军事技术，但如今极有可能扩展至一般消费性产品领域。

超宽频技术的发展历程

超宽频技术的发展模式类似Wi－Fi一样，有一段很长的时间被归类为军事技术，但如今极有可能扩展至一般消费性产品领域。根据最新的美国联邦通讯委员会(FCC)的定义，超宽频(UWB)系统的中心频率大于2.5GHz，并具备至少500MHz的-10dB频宽。频率较低的UWB系统必须具备至少20%的频宽比(fractional bandwidth)。这些特性让UWB明显异于传统的无线电系统，以往的无线电系统的频宽比不会超过1%或20MHz，例如像2.4 GHz的IEEE 802.11无线局域网络。

UWB的历史可回溯至60年代，当时发展的主轴为研究微波网络在面对时域脉冲所产生的瞬间行为。在Harmuth、Ross、以及Robbins等研发先锋的努力下，UWB技术在70年代有重大的发展，其中大部份集中在雷达系统，包括穿地雷达系统。到80年代后期，该技术开始被称为无载波或脉冲无线电。美国国防部在1989年首次使用「超频宽」这个名词，在当时UWB的理论与技术已经发展将近30年之久。自从1994年开始，美国大部份的UWB研发工作都是在没有分类限制的状况下进行。这种情况大幅加快研发的速度，业界对其商业化发展的兴趣亦大幅提高。

其中有2项发展激发商业界对这项技术的兴趣，包括UWB系统可以与其它使用较高频谱密度的通讯系统并存，而且不会对其它系统产生干扰；另外FCC于2002年2月14日发布的02-48号报告与规范，定义各项并存规则，其中包括针对各种类型的UWB装置制定电波发射限制。这套法律架构针对各种专利型UWB装置立即开拓市场商机，长期而言，市场对标准型产品也有更强烈的兴趣。

由于UWB种类众多，因此潜在的用途也相当广泛。其中包括无线局域网络(WLAN)、个人局域网络(PAN)、短距离雷达(例如汽车传感器、防撞系统、智能型高速公路感测系统、液态物体水位侦测系统)、穿地雷达、以及应用在医疗监视与运动员训练等领域的人体局域网络。

UWB的技术归纳

由于FCC对UWB设定功率频谱密度的限制，因此早期的发展主要集中在传输距离约10公尺的无线PAN，其数据传输速度为110Mbps至480Mbps。如此高速的传输能力可轻易让客厅中的娱乐系统(例如DVD、卫星/有线电视的视讯转换器、电视屏幕、以及环绕立体声音响)建立起多媒体传输的管道。

此外，我们可轻易预见到包括数字相机、扫描仪、打印机、摄录像机、以及MP3播放器等装置，未来将能与消费性PC建立无线连接，让配备有线型USB2.0或IEEE 1394接口的装置扩增其应用价值，也许有一天会让有线接入技术完全被淘汰。多个房间的应用模式亦是可能发生的场景之一，未来可能会运用多重转接站的技术来克服10公尺的距离限制。

UWB的调变范围超过20%的频宽比或500MHz，因此目前许多讯号产生机制就属于UWB。包括直接序列展频、极窄型脉冲(也称为脉冲无线电)、正交分频多任务(OFDM)。以上这些机制亦可以结合跳频技术进一步扩大频谱范围，进一步掌握讯号处理的需求。所有这些技术的衍生版本都是根据IEEE 802.15.3a的无线个人局域网络实体层标准作为基础。

直接序列UWB

产生UWB讯号的一种方式就是透过展频讯号码传递信息位，这种系统被视为CDMA(分码多任务存取)的极端型式。802.15.3a其中一项提案就是使用长度为24的三元码( ±1, 0)字符，将资料在1.368GHz的芯片速度下进行展频。32码的字符被切分成4组8码字符，让4组piconet能同时运作。每个piconet的8码字符能设定成正极性或负极性，建构出16字符的字符集，或是每个字符有4个位来搭配双相位调变机制。长度为24字符的序列在piconet之间提供约14dB的隔离效果。

IEEE在这个提案中每个芯片的脉冲波型为传统的根升余弦曲线。以往研发业者在序列中的每个芯片中采用一组窄波段单脉冲来描述系统，故能达到更大的能量分布效果。

OFDM UWB

正交分频多任务技术被应用在许多宽频通讯系统，这类具备多重频道的系统需要极高的数据传输速度。最显著的例子就是IEEE 802.11a无线局域网络标准，802.11a占用16.6MHz的频宽，每一百万分之4秒传送48组承载信息的独立字符(symbol)。在10公尺传输距离下，UWB频道在最坏状况的r.m.s.延迟为25ns，远低于无线局域网络的150ns至200ns。这让字符周期能大幅缩短，因此不必大幅提高FFT高速傅立叶转换的参数就能提供500MHz的传输频宽。

另一项IEEE 802.15.3a提议就是采用128组长度242.4ns的OFDM字符来使用528MHz的传输频宽。之后再套用一套跳频机制，让所有占用频宽提高3倍，增加至1.6GHz。周期前导符(cyclic prefix)会增加60.6ns的作业时间以及9.5ns的保护时间，让每个频率的总间隔时间(dwell time)变成312.5ns，每个子载波采用的调变机制为QPSK。这种机制的频谱如所示。

选择适合的字符长度运用OFDM机制，能让UWB无线PAN达到预期的多重频道传输效能。然而，运用3频道跳频机制所得到的频宽扩充幅度，可能无法为同一个实体位置中多个未经协调的piconet网络提供足够的隔离效果，无法有效达到频谱分配的目标。要改进这方面的缺点，跳频模式的频率数量必须提高。

脉冲无线电UWB

脉冲无线电系统使用一连串的短脉冲来建构单一基本脉冲波型。脉冲短波长度为0.2ns至1ns，脉冲重复间隔可至25ns至1ms。这种模式让每个脉冲之间出现较长的无讯号状态，让每个频道脉冲反应能逐渐衰减至零，并将字符间干扰降至可忽略的程度，因此不需要使用均衡器。有许多不同的方法可用来调变传递资料的脉冲讯号，这些方法有其中一项显著的共同点，就是脉冲列(pulse train)不必转换成较高的载波频率然后再进行传输；因此这种模式使用「无载波」无线电机制。

调变技术包括脉冲位置调变与各种脉冲振幅调变，其中包括开关键控以及极性键控。这些过程会采用各种脉冲波型，其中包括高斯脉冲的第1导函数与第2导函数。当频谱必须相当接近特定的频谱才能配合法律规范时，就需要达到更复杂的脉冲波型。

在脉冲无线电机制方面要考量的一项重点，就是若接收器使用的是分散的能量(dispersed energy)，频道脉冲反应就需要相当长的匹配过滤器。

这类长型匹配过滤器以及频道预测机制的成本与复杂度，需要设定适当的tap加权参数，但这样一来就违背脉冲无线电技术原先要简化处理流程的本意。

多频带UWB(跳频)

在数Giga Hertz的频谱上直接建立UWB讯号所衍生的各种建置问题，可以执行一套2阶段的步骤加以解决，首先建立一套占用500MHz频宽的调变机制，其次针对讯号套用跳频技术得到最终的传输频宽。上述所有调变机制都可再套用跳频机制来扩增频宽。这种模式成为业界所称的多频带 UWB，最近更获得许多著名厂商的支持，可参考www.uwbmultiband.org。

总结而言，跳频序列应事先决定，且每个piconet都采用不同的设定。这种作法让多组piconet能使用相同的频谱，且能限制碰撞的次数。相反地，若多组并存的piconet不需要以跳频来改变次序，则可用来转换调变信息(虽然这种模式在每个频带需要多组平行的接收器)。多频带模式的重点包括扩充性与弹性。其利益可归纳如下:

1 规范上的弹性(符合FCC在发射方面的规范以及地域和未来政府单位所制定的法规限制)

2 抗干扰性(例如，能弹性地避免802.11a所使用的频带)。

3 在成本与功耗上的可调整性。实际能力与使用次频带的数量以及启用次频带的数量有关。

UWB与标准化的进展

第一个被排除的主要障碍为美国联邦通讯委员会解除UWB传输在某些方面的限制。频谱发射上的解禁尤其对高速PAN应用的发展特别有利，这类应用涉及影像与多媒体，并已透过IEEE工作小组制定的802.15.3a规格所标准化。工作小组已在2002年12月11日接获IEEE标准委员会的核准，认定新标准符合5项审核准则，例如广泛的市场发展潜力、兼容性、明确的定位(代表它涵盖其它标准所没有具备的独特基础)、技术上的可行性、以及经济上的可行性。TG3a计画的时间蓝图已确定，约有20家厂商于2003年3月于达拉斯提出实体层方案。更新版的实体层方案在5月的802.15.3a会议中提出，并将在今年7月于旧金山举行的IEEE会议中进行决选。如此紧凑的标准化时程反映出下一波支持高速无线功能的数字多媒体消费性装置，的确潜藏着极可观的市场商机。

尽管在无法预测的一段时间内，标准化程序是决定消费者是否会采纳UWB技术作为家庭多媒体联机机制的关键因素。但彼此未经协调的UWB piconet之间是否能并存运作同样也会产生决定性的影响。面临这种环境加上包括Philips在内各大厂商的投入，业界有相当大的动力去找寻一套方法，以能够吸引最终使用者的价位推出标准化的产品。