超宽带互联技术及其调制方法的比较

      超宽带互联技术(UWB)具有极高的带宽，可以广泛应用于无线局域网、家庭网络连接、短距离雷达等应用中，该技术可用的调制方法包括直接序列扩频、啁啾调制、时间调制和子频段方法。这些方法各具优缺点，本文对这些方法进行比较，并分析了该技术的应用前景和趋势。 

        超宽带(UWB)技术的发展过程与扩频无线电技术相似，在过去多年内一直被视为军用技术，而现在将在各种民用产品中得到广泛的应用。根据美国联邦通信委员会(FCC)的最新定义，中心频率大于2.5GHz的UWB系统至少需要500MHz、-10dB的带宽，中心频率在2.5GHz以下的UWB系统则需要至少20%的带宽比(fractional bandwidth)。相比之下，传统的无线电系统只需要不足1%的带宽比(带宽比=2(fh-fl)/(fh+fl)，其中fh为最高频率，fl为最低频率，采用这种计算方式无需知道具体的中心频率)。 
                 
        UWB最早出现于60年代，当时主要研究受时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态动作。通过Harmuth、Ross和Robbins等先行公司的研究，UWB技术在70年代获得了重要的发展，其中多数集中在雷达系统应用中，包括探地雷达系统。到80年代后期，该技术开始被称为"无载波"无线电，或脉冲无线电。美国国防部在1989年首次使用了"超带宽"这一术语， 而到现在UWB理论和技术已经发展了近30年。在UWB的发展过程中，其中有两项进展十分重要：其一是UWB系统可以与其它使用更高频谱密度的通信系统共存而不产生任何干扰；其次是FCC于2002年2月14日发布的02-48号报告及规则，该规则定义了不同类UWB设备的发射限制。该规则出台后，UWB设备立即获得了广泛的市场机会，业界对于今后的UWB标准产品也表示出浓厚的兴趣。

        由于UWB设备种类繁多，它们可用于多种场合，包括无线局域网(WLAN)、个人局域网(PAN)、短距离雷达(包括用于汽车、防碰系统、智能高速公路及液位感应的传感器)、探地雷达和用于医疗监测的人体区域网(body area network)等。本文主要讲述UWB在局域网和无线PAN/LAN中的互联应用。

        由于FCC对UWB进行了一定限制，UWB最初的应用主要集中在无线PAN上，传输距离约为10米，数据速率为110Mbps到480Mbps。这种高速率可轻易地实现客厅内各种数字娱乐设备间的联网，如DVD、卫星/有线电视机顶盒、电视机及环绕音响。此外，它还可实现数码相机、扫描仪、打印机、摄像机及MP3播放机等设备与电脑之间的无线连接，从而为采用USB2.0或IEEE 1394有线连接的设备提供了另一种互联方式，甚至可以取代这些有线连接。此外，还可以通过UWB对多个房间内的设备进行互联。但是，由于UWB的传输功率较低，信号处理可能会有些困难，其频率范围为3~10GHz也不易穿透墙壁等障碍。

        UWB的调制频段定义为超过中心频率20%的带宽比(或500MHz)，因此现有的多种方法均可以产生满足要求的信号，包括直接序列扩频、啁啾调制、时间调制UWB(TM-UWB)和子频段方法。 
      
DS-UWB

        产生UWB信号的一个简单方法是用一个非常长的伪随机噪声(PN)序列来直接扩展信息位，这样的系统可看作是CDMA的一种特例。目前已有研究人员提议使用这种方法，不过更为流行的是另一种称为直接序列UWB(DS-UWB)的方法，它的原理与前者基本相同，但是采用了一个单脉冲作为码片波形。扩展波形是一个单脉冲短序列，序列中每个单脉冲的极性可通过CDMA中一些扩展码推理出来，如Gold、 Kasami及Barker码集。与脉冲无线电不同，这种序列在两个单脉冲间没有静默期(如图1所示)。因此DS-UWB要同时承受码间干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)，尤其是在采用短代码序列的时候。

啁啾调制

        码片信号的传输和反向压缩(converse compression)技术最初用于雷达设备。在通信应用中，线性啁啾信号更为适用。这些操作通常由声表面波(SAW)器件来实现，而使用SAW器件会增加产品尺寸和成本，降低厂商的竞争优势。此外，SAW器件在不同的温度条件下变化较大，使可靠性降低。因此，宽带啁啾调制目前尚未在通信领域获得广泛应用。

TM-UWB

        TM-UWB系统采用的信号基于短周期脉冲序列，这些脉冲序列由单个基本脉冲波形形成。脉冲波的周期为0.2ns到1ns，而脉冲重复间隔则为25ns到1ms。因此，每两个脉冲间有一段很长的静默期，通道脉冲响应可回落到零。这样无需均衡器便可将码间干扰降低到可以忽略不计的程度。 
           

        我们可以采用不同的方法，用数据来调制脉冲序列。但这些脉冲序列在传输时通常没有转换成较高的载波频率，因此这里称之为"无载波"。这里用到的调制技术包括脉位调制(PPM)及脉幅调制(PAM)，后者则包括了开关键控(OOK)和极性键控(polarity keying)。

        在不同的调制方法中，有各种不同的脉冲波形可供选用，其中高斯脉冲最为常用(见图3)。在这种脉冲中，为了获得有效的天线发送效果，直流分量为零。

频率子频段应用

        目前，很多公司都已开发出单频段脉冲无线电技术，这些公司同时还独立开发了多频段技术，以解决一些共性问题。这些问题包括由于大部分频谱为脉冲波形所占据而产生固定干扰的处理，通常这些固定干扰很难消除，例如高斯单脉冲有一种特殊的频谱形状，可在频域范围内进行缩放但无法改变其形状。

        除了上述讨论过的脉冲无线电调制技术外，子频段也可作为一种新的调制技术。它使得码集更丰富，可在每个脉冲周期内增加更多的信息位。这些丰富的码集有以下优点：

1. 可以提高数据速率并且不会引发码间干扰问题，而码间干扰问题通常在脉冲重复率较高时会出现。

2. 由于它的脉冲重复率低，因此可以使多个未经协调的微型网络(piconet)设备能及时地交替工作。

3. 增强了抗多径干扰能力。 

        多频段的另一个重要特点是具有可扩展性和灵活性。多频段方法的优点如下：

1. 满足规则的灵活性(可以在不同国家或地区使用，满足不同国家的相关规定和要求)。

2. 消除干扰(例如，它不占用802.11a的频段)。

3. 使UWB可与其它通信技术共存。

4. 多频段技术的可扩展性意味着在数据速率和可支配成本较低时，可使用较少的子频段并使用成本较低的IC工艺，这样便可实现更低的市场售价。 
    

        多频段技术的缺点则是如果设计不当，那么所有子频段电路都会出现同样的问题，增加了成本。

UWB的应用前景及标准化

        由于FCC以法律形式限定了UWB的传输，因此首要障碍已获得解决。目前允许使用的频段尤其适用于高速PAN应用，包括图像处理及多媒体，这些应用在IEEE任务组的802.15.3a中已进行了标准化。2002年12月11日IEEE标准委员会通过了UWB技术，指出它满足标准开发的五个要求，即，具有广泛的市场潜力、兼容性、定位独特(即它所针对的领域是其它标准没有涉及的)、技术可行性及经济可行性。TG3a项目的时间表已经确定，并在2003年3月的会议中公布物理层(PHY)规范提议。进一步的相关介绍及筛选过程将持续到今年8月，并在11月份推出完整的草案。UWB的标准化日程表如此的紧凑，因此从中可预见其巨大的市场潜力，将成为多媒体消费类设备下一种流行的高速无线互联技术。

        最近一些标准化活动表明，多频段UWB技术已获得业界的广泛认同。随着业界对多频段技术的支持越来越多，它将在上述各种同类技术中脱颖而出。越来越多的消费者会采用UWB技术作为家庭多媒体互联技术，该技术将带来一个广阔的市场。因此，UWB技术的标准化十分重要，而目前还不能确定该标准制定完成的时间。此外，与未经协调的UWB Piconet共存也十分重要。