利用超宽带(UWB)组建高速家庭网络

无线技术日趋发达的今天，各种各样的无线终端和数码设备等多媒体设备和应用在不断增加。数字高清电视、数字高清影碟机、数码音响系统、数码相机和数码摄像机等都已经进入寻常百姓家，家庭市场对于这些多媒体设备间的高速无线互连的需求也更为迫切，人们的愿望已经不单单局限于“连接”，而是希望有更高的速率。

便携设备当中日益强大的内存功能、数字图像及不断增大的档案容量，以及多媒体应用中对更高质量和更高清晰度图像及影像的需求，都要求有更高的无线数据速率，同时要缩小设备的体积和降低功耗。但是传统的技术方案显然很难满足家庭市场的特殊要求，厂商需要开发新的无线技术用于家庭网络。

几十年来，经典的无线设计一直在数据速率、实施成本及系统总功耗之间进行权衡。家庭无线市场比较特殊，因为它同时要求高数据速率(支持多个数字音视频流)、非常低的成本(以利于消费者广泛接受)，以及非常低的功耗(以便能嵌入到电池供电的手持设备)。超宽带(UWB)无线通信系统能够满足家庭市场的这些特殊需求。

家庭的无线高速互连首先必须是无缝连接，最大程度地降低干扰，实现高速率的数据传输，满足高清晰度电视、音响系统和数字摄像机等的音视频数据流的需求。此外，它还应能传输大容量的多媒体文件，如MP3曲目库和MPEG电影文件等。

现在的消费电子多以娱乐为主，有很多是由电池驱动的手持设备，成本也在不断下降。另外，支持多个数字音视频流的网络互连要求更高的数据带宽。数字显示设备(等离子、液晶显示器)、PDA和MP3播放器等全数据格式的设备，其数据率从数百kb/s(如MP3的数据率为320kb/s)，到几十Mb/s(如MPEG2格式的DVD数据率为10Mb/s，而MPEG2 HD则高达25Mb/s)。要想为这些设备增加无线连接功能，必须做到速度快、功耗低和价格便宜。

在过去的一年里，超宽带(Ultra Wideband，UWB)无线通信技术以其独有的技术优势，在世界各国受到了普遍关注和研究开发。超宽带(UWB)系统目前被应用于家庭娱乐系统的无线连接，而且也非常适用于各种移动设备和娱乐设备之间的连接，如手机和电脑等，被认为是未来短距离高速无线系统的最佳解决方案之一。

图1 基于全向天线的室内UWB发射功率限制

图1给出了FCC对室内超宽带UWB系统的发射功率的限制。FCC的频率规划是将3.1～10.6GHz的频段分给UWB的设备做带内频段使用，而在这个频率范围之外的DS-UWB的发射是带外的(OOB)且是无意发射，而且UWB系统不受瑞利衰落的影响。

目前提交给IEEE 802.15.3a的直接序列UWB(DS-UWB)方案将带内频谱分为两段，低频段为3.1～4.9GHz，高频段为6～10.6GHz。UWB以猝发的高码片速率的冲激小波脉冲发射数据分组，其中直扩序列中的一个“码片”就是一个小波。小波的连续发射可以获得很高的码片速率。这些小波是由每码片三个射频周期组成的，小波之间的间隔为三个周期，使中心频率恰好三倍于码片速率。在DS-UWB方案中，高频段与低频段的波形看起来完全一样，它们之间只是一种简单的2倍关系，即两者的中心频率与持续时间都是两倍的关系，两者都是采用三个周期的小波。

三周期小波的包络通过滤波器整形以满足FCC对带外发射功率的限制。用反极性BPSK或QPSK调制小波来携带信息。数据比特通过一个白化器与前向纠错，这些经过前向纠错编码的比特被用来调制由L个码片组成的符号，而这L个码片对应于L个长度的符号码。发射的符号根据前向纠错编码比特的值被翻转或者不翻转，符号码是三元码{+1，0，-1}。通过改变符号长度L及选择BPSK、QPSK的调制方式来控制原始数据速率。

无线电通过由连续发射的一系列符号组成的数据分组来交流信息，数据分组结构包括一些前导码、头比特及净荷。前导码由一个基于伪随机噪声序列的多项式和帧起始标志序列组成，前导码可用于时钟捕获及数据对齐，也可用于信号处理算法的训练，诸如Rake及判决反馈均衡。分组头携带关于数据分组的有关信息，诸如净荷长度、净荷所用速率(或码长及FEC速率)、确保数据完整性的校验和、接收机的地址等。最终的分组长度取决于净荷中包含的数据比特、FEC的速率、码长以及前导码和分组头的长度。构成数据分组的发射能量的猝发脉冲的长度和占空比取决于分组大小，MAC开销及特定链路的吞吐量需求。最后，802.15.3a MAC层的协调器通过给每个链路分配时隙来管理数据分组的持续时间与相互间隔。对于相同的吞吐量与覆盖范围而言，射频速率越高占空比越低，从而活动因子越低而且总的容量越大。

DS-UWB被称为无载波技术有几个原因。首先，其系统带宽等于基础小波或脉冲的带宽。通常，基于载波的系统都采用具有固定带宽的信号，而且通过与载波混频可以将其搬移到任意中心频率上。这种固定带宽的搬移不同于DS-UWB的情形。DS-UWB与冲激UWB密切相关，基础脉冲就是位于射频RF并不需要频谱搬移。其次，其系统带宽并不固定，即带宽并不是与中心频率“载波“无关，而是与中心频率成比例，因此并不是固定带宽的信号做频谱搬移。

最后，其带宽与脉冲宽度或小波长度成反比。DS-UWB技术指标中的基础脉冲或小波的长度总是三周期，其结果是带宽随中心频率的增大而增大。如以4GHz为中心的DS-UWB射频带宽为2GHz，而以8GHz为中心的DS-UWB射频带宽为4GHz，因为当中心频率加倍，小波长度减半，所以带宽也随之变化。小波长度减半是因为射频周期减半。选择三周期长的脉冲是为了产生3.1～4.9GHz带宽，射频周期数再少则生成发射带宽就会太宽，射频周期数再多则发射带宽就会太窄。三个射频周期恰好实现DS-UWB的双频带的规划。

虽然也可以将系统所使用的小波改成其他不同的周期数，但是将码片速率与射频中心频率之间保持整数倍的关系是有好处的。码片速率与射频中心频率之间的整数关系使得所有脉冲都完全一样，就像脉冲是用经典的脉冲成形网络产生的一样。整数关系的另一个优点是每个脉冲的积分都为零，即没有直流分量。当不是整数关系时，一些脉冲有正分量，一些脉冲有负的分量。在窄带系统中，这点并不明显，因为直流偏置相对于主要脉冲能量较小的缘故。窄带系统在任何调制状态变化之间都有很多射频周期，因此通常忽略直流DC项。即便是在最坏的情况下，窄带系统在其众多射频周期中也只1/2个周期会受到影响。例如，500个周期中的1/2个周期再加上缓慢的上升和下降沿其所占的比重远小于-30dB，一般可以忽略。但是对于DS-UWB而言，脉冲如此短以至于DC偏置的影响非常明显。例如，一个周期信号积分所得DC分量比三周期脉冲全部的能量低8dB。除了DC分量，这些半周期或分数周期瞬态过程也导致了频谱扩展噪声，会屏蔽有用信号。整数关系强制BPSK调制仅在过零点处进行，从而将频谱扩展最小化。

整数关系也有利于简化用于信号捕获和跟踪的硬件。保持整数关系甚至可以不使用中心频率“载波”来对信号进行相干解码，就像非相干的方式一样，只需要码片速率。在典型CDMA系统中，码片速率和符号速率均与射频中心频率无关。然而，DS-UWB固有的无载波特性，使得构建DS-UWB系统的非常简单。在通常的CDMA系统中，必须使用多个跟踪环来锁定输入信号，一个环用于锁定载波。一旦载波被锁定，另一个环就将锁定码片速率。因为DS-UWB是无载波的，就无须载波跟踪环。而只需要锁定某一时钟，即码片速率或符号速率。其主要原理是因为所有时钟都相关的，知道一个就知道所有的时钟了。

最后还有一个优点，捕获和跟踪电路可以工作在频率相对较低的码片速率或符号速率上，而不是在射频上，因为它们是相关的。例如，早期的DS-UWB概念验证系统，就是使用硬件实现的模拟编码处理器，分析来自于天线的射频信号，而这个处理器的输出是脉冲重复频率为符号速率的冲激脉冲串。这种情形下，DS-UWB只需要锁定符号速率时钟即可。跟踪符号速率也是有其优点的，因为符号信噪比远大于码片的信噪比。