無(wú)線技術(shù)日趨發(fā)達(dá)的今天，各種各樣的無(wú)線終端和數(shù)碼設(shè)備等多媒體設(shè)備及應(yīng)用在不斷增加。數(shù)字高清電視、數(shù)字高清影碟機(jī)、數(shù)碼音響系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等已經(jīng)走入尋常百姓家。家庭市場(chǎng)" title="家庭市場(chǎng)">家庭市場(chǎng)對(duì)于多媒體設(shè)備間的高速無(wú)線互連的需求也更為迫切，人們的愿望已經(jīng)不單單局限于“連接”，而是希望有更高的傳輸速率。新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)促使消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用對(duì)于無(wú)線技術(shù)的需求日益提高。便攜設(shè)備當(dāng)中日益強(qiáng)大的內(nèi)存功能、數(shù)字圖像及影像中不斷擴(kuò)大的檔案容量以及消費(fèi)類(lèi)多媒體應(yīng)用都對(duì)圖像及影像提出了更高質(zhì)量和更高清晰度的需求，這都要求有更高的無(wú)線數(shù)據(jù)速率支持。此外，無(wú)線設(shè)備還需要提供低功耗的操作，并且要體積小巧。但是現(xiàn)有的技術(shù)方案顯然很難滿(mǎn)足家庭市場(chǎng)的特殊要求，導(dǎo)致家庭網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)在尋找適合自己的無(wú)線解決方案。
幾十年來(lái)，經(jīng)典的無(wú)線設(shè)計(jì)一直在數(shù)據(jù)速率、芯片級(jí)實(shí)施成本及系統(tǒng)總體功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。家庭無(wú)線市場(chǎng)比較特殊，因?yàn)樗瑫r(shí)要求高數(shù)據(jù)速率(以支持多個(gè)數(shù)字音視頻流)、非常低的成本(以利于消費(fèi)者廣泛接受)以及非常低的功耗(以便能嵌入到電池供電的手持設(shè)備)。飛思卡爾以全新方式設(shè)計(jì)出的超寬帶" title="超寬帶">超寬帶(Ultra Wideband,UWB)無(wú)線通信系統(tǒng)，對(duì)家庭市場(chǎng)的這一需求做出了響應(yīng)。
1 家庭市場(chǎng)多媒體應(yīng)用所需要的解決方案
家庭的無(wú)線高速互連首先必須是無(wú)縫連接，以最大程度地降低干擾，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，滿(mǎn)足高清晰度電視、音響系統(tǒng)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等音視頻數(shù)據(jù)流的需求。此外，它還應(yīng)能傳輸大容量的多媒體文件，如MP3曲目庫(kù)和MPEG電影文件等。
如今的消費(fèi)電子以?shī)蕵?lè)為主，有很多是由電池驅(qū)動(dòng)的手持設(shè)備，成本也在不斷下降。此外，支持多個(gè)數(shù)字音視頻流的網(wǎng)絡(luò)互連要求更高的數(shù)據(jù)帶寬。數(shù)字顯示設(shè)備(等離子和液晶顯示器)、PDA和MP3播放器等全數(shù)據(jù)格式的設(shè)備，其數(shù)據(jù)率從每秒數(shù)百Kbps(如MP3的數(shù)據(jù)率為320kbps)，到幾十Mbps(如MPEG2格式的DVD數(shù)據(jù)率是10Mbps，而MPEG2 HD則高達(dá)25Mbps)。要想為這些設(shè)備增加無(wú)線連接功能，必須做到速度快(高數(shù)據(jù)率)，功耗低(以增加電池使用時(shí)間)和價(jià)格經(jīng)濟(jì)(吸引消費(fèi)者)。
在過(guò)去的一年里，超寬帶無(wú)線通信技術(shù)以其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在世界各國(guó)受到了普遍關(guān)注和研究開(kāi)發(fā)。在中國(guó)，由于得到了政府部門(mén)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的大力扶持，超寬帶技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)都得到了迅速發(fā)展。青島海爾集團(tuán)和上海環(huán)旭電子集團(tuán)與飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司合作，率先展示并推出了超寬帶高清電視和家庭媒體中心等產(chǎn)品和系統(tǒng)。
綜上所述，超寬帶系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于家庭娛樂(lè)系統(tǒng)的無(wú)線連接，如家庭媒體中心、機(jī)頂盒、電腦、各種播放器等與大屏幕高清電視的連接，而且也非常適用于各種移動(dòng)設(shè)備和娛樂(lè)設(shè)備之間的連接，如手機(jī)和電腦等，所以業(yè)界普遍認(rèn)為它是未來(lái)短距離高速無(wú)線系統(tǒng)的最佳解決方案之一。
2 超寬帶系統(tǒng)的技術(shù)及方案
基于全向天線的FCC規(guī)劃對(duì)室內(nèi)UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率限制如圖1所示。FCC的頻率規(guī)劃是將3.1G~10.6GHz的頻段分給UWB的設(shè)備做帶內(nèi)頻段使用，而在該頻率范圍之外的DS-UWB" title="DS-UWB">DS-UWB的發(fā)射是帶外的(OOB)且是無(wú)意發(fā)射。分配給UWB的這一帶寬使得人們能夠首次構(gòu)建一種免除瑞利衰落影響的通信系統(tǒng)。
目前提交給IEEE802.15.3a的直接序列UWB(DS-UWB)方案將帶內(nèi)頻譜分為2段，低頻段為3.1G~4.9GHz，高頻段為6G～10.6GHz。它以猝發(fā)的高碼片" title="碼片">碼片速率的沖激小波" title="小波">小波脈沖發(fā)射數(shù)據(jù)分組，其中直擴(kuò)序列中的一個(gè)“碼片”就是一個(gè)小波。小波的連續(xù)發(fā)射可以獲得很高的碼片速率。這些小波是由每碼片3個(gè)射頻周期組成，小波之間的間隔為3個(gè)周期，使中心頻率恰好3倍于碼片速率。通過(guò)觀察DS-UWB方案的波形及頻譜發(fā)現(xiàn)：高頻段與低頻段的波形看起來(lái)完全相同，它們之間只是一種簡(jiǎn)單的2倍關(guān)系，即二者的中心頻率與持續(xù)時(shí)間都是2倍的關(guān)系，二者都是采用3個(gè)周期的小波。
三周期小波的包絡(luò)通過(guò)濾波器整形以滿(mǎn)足FCC對(duì)帶外發(fā)射功率的限制。用反極性BPSK或QPSK調(diào)制小波來(lái)攜帶信息。數(shù)據(jù)比特通過(guò)一個(gè)白化器與前向糾錯(cuò)。這些經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼的比特被用來(lái)調(diào)制由L個(gè)碼片組成的符號(hào)，而這個(gè)L個(gè)碼片對(duì)應(yīng)于L個(gè)長(zhǎng)度的符號(hào)碼。發(fā)射的符號(hào)根據(jù)前向糾錯(cuò)編碼比特的值被翻轉(zhuǎn)或者不翻轉(zhuǎn)，符號(hào)碼是三元碼：{+1，0，-1}。通過(guò)改變符號(hào)長(zhǎng)度L及選擇BPSK和QPSK的調(diào)制方式來(lái)控制原始數(shù)據(jù)速率。
無(wú)線電通過(guò)由連續(xù)發(fā)射的一系列符號(hào)組成的數(shù)據(jù)分組來(lái)交流信息。數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)碼、頭比特及凈荷。前導(dǎo)碼由一個(gè)基于偽隨機(jī)噪聲序列的多項(xiàng)式和幀起始標(biāo)志序列組成。前導(dǎo)碼可用于時(shí)鐘捕獲及數(shù)據(jù)對(duì)齊，也可用于信號(hào)處理算法的訓(xùn)練，諸如Rake及判決反饋均衡。分組頭攜帶關(guān)于數(shù)據(jù)分組的有關(guān)信息，諸如凈荷長(zhǎng)度、凈荷所用速率(或碼長(zhǎng)及FEC速率)、確保數(shù)據(jù)完整性的校驗(yàn)和、接收機(jī)的地址等。最終的分組長(zhǎng)度取決于凈荷中包含的數(shù)據(jù)比特、FEC的速率、碼長(zhǎng)以及前導(dǎo)碼和分組頭的長(zhǎng)度。構(gòu)成數(shù)據(jù)分組發(fā)射能量的猝發(fā)脈沖的長(zhǎng)度和占空比取決于分組大小、MAC開(kāi)銷(xiāo)及特定鏈路的吞吐量需求。最后，802.15.3a MAC層的協(xié)調(diào)器通過(guò)給每個(gè)鏈路分配時(shí)隙來(lái)管理數(shù)據(jù)分組的持續(xù)時(shí)間與相互間隔。對(duì)于相同的吞吐量與覆蓋范圍而言，射頻速率越高占空比越低，從而活動(dòng)因子越低而總的容量越大。
3 DS－UWB為何被稱(chēng)為無(wú)載波技術(shù)
DS-UWB被稱(chēng)為無(wú)載波技術(shù)有如下3個(gè)原因。(1)其系統(tǒng)帶寬等于基礎(chǔ)小波或脈沖的帶寬。通常，基于載波的系統(tǒng)都采用具有固定帶寬的信號(hào)，而且通過(guò)與載波混頻可以將其搬移到任意中心頻率上。這種固定帶寬的搬移不同于DS-UWB的情形。DS－UWB與沖激UWB密切相關(guān)，基礎(chǔ)脈沖就位于射頻RF,并不需要頻譜搬移。(2)其系統(tǒng)帶寬并不固定，即帶寬并非與中心頻率“載波”無(wú)關(guān)，而是與中心頻率成比例，因此并不是固定帶寬的信號(hào)做頻譜搬移。(3)其帶寬與脈沖寬度或小波長(zhǎng)度成反比。DS－UWB技術(shù)指標(biāo)中的基礎(chǔ)脈沖或小波的長(zhǎng)度總是三周期，其結(jié)果是帶寬隨中心頻率的增大而增大。如以4GHz為中心的DS－UWB射頻帶寬為2GHz，而以8GHz為中心的DS－UWB射頻帶寬為4GHz，因?yàn)楫?dāng)中心頻率加倍，小波長(zhǎng)度減半，所以帶寬也隨之變化。小波長(zhǎng)度減半是因?yàn)樯漕l周期減半。選擇三周期長(zhǎng)的脈沖是為了產(chǎn)生3.1G~4.9GHz帶寬，射頻周期數(shù)再少則生成發(fā)射帶寬就會(huì)太寬，射頻周期數(shù)再多則發(fā)射帶寬就會(huì)太窄。3個(gè)射頻周期恰好實(shí)現(xiàn)DS-UWB的雙頻帶的規(guī)劃。
雖然也可以將系統(tǒng)所使用的小波改成其它不同的周期數(shù)，但是將碼片速率與射頻中心頻率之間保持整數(shù)倍的關(guān)系是有好處的。碼片速率與射頻中心頻率之間的整數(shù)關(guān)系使得所有脈沖都完全相同，就像脈沖是用經(jīng)典的脈沖形成一樣。整數(shù)關(guān)系使得每個(gè)脈沖的積分都為零，即沒(méi)有直流分量。當(dāng)不是整數(shù)關(guān)系時(shí)，一些脈沖有正分量，一些脈沖有負(fù)分量。在窄帶系統(tǒng)中，這點(diǎn)并不明顯，因?yàn)橹绷髌孟鄬?duì)于主要脈沖能量較小。窄帶系統(tǒng)在任何調(diào)制狀態(tài)變化之間都有很多射頻周期，因此通常忽略直流DC項(xiàng)。即便是在最壞的情況下，窄帶系統(tǒng)在其眾多射頻周期中也只有1/2個(gè)周期會(huì)受到影響。例如，500個(gè)周期中的1/2個(gè)周期再加上緩慢的上升和下降沿其所占的比重遠(yuǎn)小于-30dB，一般可以忽略。但是對(duì)于DS-UWB而言，脈沖如此短以至于DC偏置的影響非常明顯。例如，一個(gè)
周期信號(hào)積分所得DC分量比3周期脈沖全部的能量低8dB。除了DC分量，這些半周期或分?jǐn)?shù)周期瞬態(tài)過(guò)程也導(dǎo)致了頻譜擴(kuò)展噪聲，會(huì)屏蔽有用信號(hào)。整數(shù)關(guān)系強(qiáng)制BPSK調(diào)制僅在過(guò)零點(diǎn)處進(jìn)行，從而將頻譜擴(kuò)展最小化。
整數(shù)關(guān)系也有利于簡(jiǎn)化用于信號(hào)捕獲和跟蹤的硬件。保持整數(shù)關(guān)系甚至可以不使用中心頻率“載波”來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干解碼，就象非相干的方式一樣，只需要碼片速率。在典型CDMA系統(tǒng)中，碼片速率和符號(hào)速率均與射頻中心頻率無(wú)關(guān)。然而，DS-UWB固有的無(wú)載波特性，使得構(gòu)建DS-UWB系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。在通常的CDMA系統(tǒng)中，必須使用多個(gè)跟蹤環(huán)來(lái)鎖定輸入信號(hào)：一個(gè)環(huán)用于鎖定載波。一旦載波被鎖定，另一個(gè)環(huán)就將鎖定碼片速率。因?yàn)镈S-UWB是無(wú)載波的，就不需要載波跟蹤環(huán)，而只需要鎖定某一時(shí)鐘，即碼片速率或符號(hào)速率。其主要原因是所有時(shí)鐘都是相關(guān)的，一旦知道一個(gè)就相當(dāng)于知道其它所有的時(shí)鐘了。
碼片速率與射頻中心頻率之間保持整數(shù)關(guān)系還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：捕獲和跟蹤電路可以工作在頻率相對(duì)較低的碼片速率或符號(hào)速率上，而不是在射頻上，因?yàn)樗鼈兪窍嚓P(guān)的。例如早期的DS-UWB概念驗(yàn)證系統(tǒng)就是使用硬件實(shí)現(xiàn)的模擬編碼處理器來(lái)分析來(lái)自天線的射頻信號(hào)，而該處理器的輸出是脈沖重復(fù)頻率為符號(hào)速率的沖激脈沖串。這種情形下，DS-UWB只需要鎖定符號(hào)速率時(shí)鐘即可。跟蹤符號(hào)速率也是有其優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)榉?hào)信噪比遠(yuǎn)大于碼片的信噪比。