UWB技術(shù)應(yīng)用介紹

超寬帶技術(shù)UWB(Ultra Wideband)始于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，利用頻譜極寬的超短脈沖進(jìn)行通信，又稱為基帶通信、無載波通信。由于其具有低功耗、高帶寬、高傳輸速率、低復(fù)雜性、抗多徑能力強(qiáng)、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來幾年UWB技術(shù)將在和人們生活密切相關(guān)的數(shù)字家電和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中得到推廣，在有線電視網(wǎng)絡(luò)及家庭網(wǎng)絡(luò)中會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

　　一、超寬帶技術(shù)的基本原理

　　2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)修訂了第15標(biāo)準(zhǔn)，定義UWB信號(hào)為相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率之比)大于0.2，或在傳輸?shù)娜魏螘r(shí)刻絕對(duì)帶寬不小于500MHz的信號(hào)，其中信號(hào)帶寬定義為：低于最高發(fā)射功率10dB的截止頻率間的帶寬。FCC還規(guī)定，UWB的使用頻段范圍是 3.1～10.6GHz，且其發(fā)射功率必須在1mW以下。

　　同傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，超寬帶系統(tǒng)是有著其獨(dú)特之處的。從時(shí)域上講，一般的通信系統(tǒng)是通過發(fā)送射頻載波進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，而UWB是利用起、落點(diǎn)的時(shí)域脈沖(幾十納秒)直接實(shí)現(xiàn)調(diào)制，超寬帶的傳輸把調(diào)制信息過程放在一個(gè)非常寬的頻帶上進(jìn)行，而且以這一過程中所持續(xù)的時(shí)間來決定帶寬所占據(jù)的頻率范圍。從頻域上講，超寬帶有別于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對(duì)帶寬小于1%，相對(duì)帶寬在1%～25%之間的被稱為寬帶，相對(duì)帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。

　　二、超寬帶技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

　　1.家庭網(wǎng)絡(luò)

　　家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由有線系統(tǒng)和無線系統(tǒng)綜合構(gòu)成。其中，有線系統(tǒng)采用國(guó)際數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1394b，在IEEE 1394b基礎(chǔ)上，家庭網(wǎng)絡(luò)無線系統(tǒng)引入了頻譜高效率的超寬帶脈沖無線電技術(shù)，可提供靈活性和移動(dòng)性的寬帶無線接入。直擴(kuò)序列超寬帶的家庭網(wǎng)絡(luò)把移動(dòng)高速高性能無線網(wǎng)無縫隙的擴(kuò)展至有線1394骨干網(wǎng)。

　　2.直接序列超寬帶通信子網(wǎng)技術(shù)

　　采用單頻帶體制的DS-UWB系統(tǒng)是家庭網(wǎng)絡(luò)比較理想的方案。DS-CDMA建議采用了雙頻帶(3.1～5.15GHz加 5.825～10.6GHz)的方法，即在每個(gè)超過1GHz的頻帶內(nèi)用極短時(shí)間脈沖傳輸數(shù)據(jù)，該方法也稱為脈沖無線電。DS-UWB無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　與無線1394網(wǎng)橋綜合的家庭網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持IEEE1394固定連接和DS-UWB無線連接。無線UWB總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是呈現(xiàn)星形，HUB 位置不是固定不變，管理所有掛在無線總線上的子站，負(fù)責(zé)維護(hù)幀結(jié)構(gòu)，分配周期定時(shí)信息。要監(jiān)控在總線注冊(cè)的子站狀態(tài)，在子站和子站間廣播通信質(zhì)量信息，顯示同步和等時(shí)模式子站的時(shí)隙安排，控制多址接入過程，保證輸出功率在某一電平之下。數(shù)據(jù)流的傳輸是自組織網(wǎng)絡(luò)中對(duì)等通信的模式，當(dāng)一對(duì)子站之間直接鏈路被阻隔時(shí)，子站和HUB也可以承擔(dān)中繼多條數(shù)據(jù)的功能。

　　直接序列超寬帶系統(tǒng)的物理層采用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制技術(shù)，為了避免多徑衰落的影響，使用RAKE接收機(jī)接收信號(hào)。其多址接入技術(shù)采用直擴(kuò)碼分多址技術(shù)。由于UWB信號(hào)產(chǎn)生的特殊性，其脈沖成型技術(shù)為甚窄高斯單周脈沖，并使用空時(shí)編碼對(duì)其進(jìn)行編碼。典型高斯單周脈沖寬帶為0.2～2.0 ns，脈沖間隔為10～100ns，脈沖位置可以是等間隔、隨機(jī)或偽隨機(jī)間隔。

　　直接序列超寬帶系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)是由一系列幀長(zhǎng)為1394周期數(shù)倍的DLC幀構(gòu)成的，該幀由管理區(qū)域、數(shù)據(jù)區(qū)域、隨機(jī)區(qū)域等組成。數(shù)據(jù)鏈路控制層把資源分成兩部分，分別是用于等時(shí)時(shí)隙的預(yù)留帶寬和用于同步時(shí)隙的動(dòng)態(tài)帶寬。UWB總線協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2。

　　直接序列超寬帶的1394匯聚層(CL)含有IEEE1394特定業(yè)務(wù)會(huì)聚子層(SSCS)和公共部分會(huì)聚子層(CPCS)，它類似IEEE1394b鏈路層，負(fù)責(zé)1394事務(wù)處理層和UWB低層次之間的映射。