談UWB的過去,進展和技術歸納

2019-11-03 09:23:24

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供稿：網友

Charles Razzell

　　超寬頻技術的發展歷程

　　超寬頻技術的發展模式類似Wi－Fi一樣，有一段很長的時間被歸類為軍事技術，但如今極有可能擴展至一般消費性產品領域。根據最新的美國聯邦通訊委員會(FCC)的定義，超寬頻(UWB)系統的中心頻率大于2.5GHz，并具備至少500MHz的-10dB頻寬。頻率較低的UWB系統必須具備至少20%的頻寬比(fractional bandwidth)。這些特性讓UWB明顯異于傳統的無線電系統，以往的無線電系統的頻寬比不會超過1%或20MHz，例如像2.4 GHz的IEEE 802.11無線局域網絡。

　　UWB的歷史可回溯至60年代，當時發展的主軸為研究微波網絡在面對時域脈沖所產生的瞬間行為。在Harmuth、Ross、以及Robbins等研發先鋒的努力下，UWB技術在70年代有重大的發展，其中大部份集中在雷達系統，包括穿地雷達系統。到80年代后期，該技術開始被稱為無載波或脈沖無線電。美國國防部在1989年首次使用「超頻寬」這個名詞，在當時UWB的理論與技術已經發展將近30年之久。自從1994年開始，美國大部份的UWB研發工作都是在沒有分類限制的狀況下進行。這種情況大幅加快研發的速度，業界對其商業化發展的興趣亦大幅提高。

　　其中有2項發展激發商業界對這項技術的興趣，包括UWB系統可以與其它使用較高頻譜密度的通訊系統并存，而且不會對其它系統產生干擾；另外FCC于2002年2月14日發布的02-48號報告與規范，定義各項并存規則，其中包括針對各種類型的UWB裝置制定電波發射限制。這套法律架構針對各種專利型UWB裝置立即開拓市場商機，長期而言，市場對標準型產品也有更強烈的興趣。

　　由于UWB種類眾多，因此潛在的用途也相當廣泛。其中包括無線局域網絡(WLAN)、個人局域網絡(PAN)、短距離雷達(例如汽車傳感器、防撞系統、智能型高速公路感測系統、液態物體水位偵測系統)、穿地雷達、以及應用在醫療監視與運動員訓練等領域的人體局域網絡。

　　UWB的技術歸納

　　由于FCC對UWB設定功率頻譜密度的限制，因此早期的發展主要集中在傳輸距離約10公尺的無線PAN，其數據傳輸速度為110Mbps至480Mbps。如此高速的傳輸能力可輕易讓客廳中的娛樂系統(例如DVD、衛星/有線電視的視訊轉換器、電視屏幕、以及環繞立體聲音響)建立起多媒體傳輸的管道。

　　此外，我們可輕易預見到包括數字相機、掃描儀、打印機、攝錄像機、以及MP3播放器等裝置，未來將能與消費性PC建立無線連接，讓配備有線型USB2.0或IEEE 1394接口的裝置擴增其應用價值，也許有一天會讓有線接入技術完全被淘汰。多個房間的應用模式亦是可能發生的場景之一，未來可能會運用多重轉接站的技術來克服10公尺的距離限制。

　　UWB的調變范圍超過20%的頻寬比或500MHz，因此目前許多訊號產生機制就屬于UWB。包括直接序列展頻、極窄型脈沖(也稱為脈沖無線電)、正交分頻多任務(OFDM)。以上這些機制亦可以結合跳頻技術進一步擴大頻譜范圍，進一步掌握訊號處理的需求。所有這些技術的衍生版本都是根據IEEE 802.15.3a的無線個人局域網絡實體層標準作為基礎。

　　直接序列UWB

　　產生UWB訊號的一種方式就是透過展頻訊號碼傳遞信息位，這種系統被視為CDMA(分碼多任務存取)的極端型式。802.15.3a其中一項提案就是使用長度為24的三元碼( ±1, 0)字符，將資料在1.368GHz的芯片速度下進行展頻。32碼的字符被切分成4組8碼字符，讓4組piconet能同時運作。每個piconet的8碼字符能設定成正極性或負極性，建構出16字符的字符集，或是每個字符有4個位來搭配雙相位調變機制。長度為24字符的序列在piconet之間提供約14dB的隔離效果。

　　IEEE在這個提案中每個芯片的脈沖波型為傳統的根升余弦曲線。以往研發業者在序列中的每個芯片中采用一組窄波段單脈沖來描述系統，故能達到更大的能量分布效果。

　　OFDM UWB

　　正交分頻多任務技術被應用在許多寬頻通訊系統，這類具備多重頻道的系統需要極高的數據傳輸速度。最顯著的例子就是IEEE 802.11a無線局域網絡標準，802.11a占用16.6MHz的頻寬，每一百萬分之4秒傳送48組承載信息的獨立字符(symbol)。在10公尺傳輸距離下，UWB頻道在最壞狀況的r.m.s.延遲為25ns，遠低于無線局域網絡的150ns至200ns。這讓字符周期能大幅縮短，因此不必大幅提高FFT高速傅立葉轉換的參數就能提供500MHz的傳輸頻寬。

　　另一項IEEE 802.15.3a提議就是采用128組長度242.4ns的OFDM字符來使用528MHz的傳輸頻寬。之后再套用一套跳頻機制，讓所有占用頻寬提高3倍，增加至1.6GHz。周期前導符(cyclic PRefix)會增加60.6ns的作業時間以及9.5ns的保護時間，讓每個頻率的總間隔時間(dwell time)變成312.5ns，每個子載波采用的調變機制為QPSK。這種機制的頻譜如所示。

　　選擇適合的字符長度運用OFDM機制，能讓UWB無線PAN達到預期的多重頻道傳輸效能。然而，運用3頻道跳頻機制所得到的頻寬擴充幅度，可能無法為同一個實體位置中多個未經協調的piconet網絡提供足夠的隔離效果，無法有效達到頻譜分配的目標。要改進這方面的缺點，跳頻模式的頻率數量必須提高。

　　脈沖無線電UWB

　　脈沖無線電系統使用一連串的短脈沖來建構單一基本脈沖波型。脈沖短波長度為0.2ns至1ns，脈沖重復間隔可至25ns至1ms。這種模式讓每個脈沖之間出現較長的無訊號狀態，讓每個頻道脈沖反應能逐漸衰減至零，并將字符間干擾降至可忽略的程度，因此不需要使用均衡器。有許多不同的方法可用來調變傳遞資料的脈沖訊號，這些方法有其中一項顯著的共同點，就是脈沖列(pulse train)不必轉換成較高的載波頻率然后再進行傳輸；因此這種模式使用「無載波」無線電機制。

　　調變技術包括脈沖位置調變與各種脈沖振幅調變，其中包括開關鍵控以及極性鍵控。這些過程會采用各種脈沖波型，其中包括高斯脈沖的第1導函數與第2導函數。當頻譜必須相當接近特定的頻譜才能配合法律規范時，就需要達到更復雜的脈沖波型。

　　在脈沖無線電機制方面要考量的一項重點，就是若接收器使用的是分散的能量(dispersed energy)，頻道脈沖反應就需要相當長的匹配過濾器。

　　這類長型匹配過濾器以及頻道預測機制的成本與復雜度，需要設定適當的tap加權參數，但這樣一來就違背脈沖無線電技術原先要簡化處理流程的本意。

　　多頻帶UWB(跳頻)

　　在數Giga Hertz的頻譜上直接建立UWB訊號所衍生的各種建置問題，可以執行一套2階段的步驟加以解決，首先建立一套占用500MHz頻寬的調變機制，其次針對訊號套用跳頻技術得到最終的傳輸頻寬。上述所有調變機制都可再套用跳頻機制來擴增頻寬。這種模式成為業界所稱的多頻帶

　　UWB，最近更獲得許多著名廠商的支持，可參考www.uwbmultiband.org。

　　總結而言，跳頻序列應事先決定，且每個piconet都采用不同的設定。這種作法讓多組piconet能使用相同的頻譜，且能限制碰撞的次數。相反地，若多組并存的piconet不需要以跳頻來改變次序，則可用來轉換調變信息(雖然這種模式在每個頻帶需要多組平行的接收器)。多頻帶模式的重點包括擴充性與彈性。其利益可歸納如下:

　　1 規范上的彈性(符合FCC在發射方面的規范以及地域和未來政府單位所制定的法規限制)

　　2 抗干擾性(例如，能彈性地避免802.11a所使用的頻帶)。

　　3 在成本與功耗上的可調整性。實際能力與使用次頻帶的數量以及啟用次頻帶的數量有關。

　　UWB與標準化的進展

　　第一個被排除的主要障礙為美國聯邦通訊委員會解除UWB傳輸在某些方面的限制。頻譜發射上的解禁尤其對高速PAN應用的發展特別有利，這類應用涉及影像與多媒體，并已透過IEEE工作小組制定的802.15.3a規格所標準化。工作小組已在2002年12月11日接獲IEEE標準委員會的核準，認定新標準符合5項審核準則，例如廣泛的市場發展潛力、兼容性、明確的定位(代表它涵蓋其它標準所沒有具備的獨特基礎)、技術上的可行性、以及經濟上的可行性。TG3a計畫的時間藍圖已確定，約有20家廠商于2003年3月于達拉斯提出實體層方案。更新版的實體層方案在5月的802.15.3a會議中提出，并將在今年7月于舊金山舉行的IEEE會議中進行決選。如此緊湊的標準化時程反映出下一波支持高速無線功能的數字多媒體消費性裝置，的確潛藏著極可觀的市場商機。

　　盡管在無法預測的一段時間內，標準化程序是決定消費者是否會采納UWB技術作為家庭多媒體聯機機制的關鍵因素。但彼此未經協調的UWB piconet之間是否能并存運作同樣也會產生決定性的影響。面臨這種環境加上包括Philips在內各大廠商的投入，業界有相當大的動力去找尋一套方法，以能夠吸引最終使用者的價位推出標準化的產品。

摘自　賽迪網

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