UWB雷達(dá)

　　UWB雷達(dá)(超寬帶雷達(dá))在心臟病學(xué)、呼吸、發(fā)聲機(jī)能方面的應(yīng)用;尤其是對發(fā)聲聲帶的探測,可以遠(yuǎn)程監(jiān)控對象的說話的一舉一動或者默讀的聲帶震動,并通過計(jì)算機(jī)的處理,可以探測某人的說的話或思想。

　　美國國防部的研究機(jī)構(gòu)DARPA(國防高級研究計(jì)劃局)正致力于一個(gè)稱為“高級語音編碼”的計(jì)劃，旨在用通過說話人的神經(jīng)和聲帶肌肉運(yùn)動，而不是聲音本身，來識別語音的無聲感應(yīng)器來取代麥克風(fēng)。

　　摘要

　　對微功率超寬帶雷達(dá)的定義、原理、特點(diǎn)進(jìn)行了討論和描述，并利用本課題組研制的超寬帶雷達(dá)進(jìn)行了人體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用這種技術(shù)能夠檢測到人體的呼吸和心跳信號，這種方法不需要任何電極和傳感器接觸人體，實(shí)現(xiàn)了對人體生命信號的無創(chuàng)檢測.
　　與激光、紅外探測和聲波探測技術(shù)相比，利用超寬帶雷達(dá)檢測人體的生命信號不受環(huán)境溫度、熱物的影響，能有效穿透介質(zhì)，較好地解決了激光、紅外探測受溫度影響嚴(yán)重、遇物體阻擋失效及誤報(bào)翠高的司越，也克服超聲探測受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、量土阻擋失效的問題。超寬帶雷達(dá)能夠在l時(shí)和平時(shí)得到廣泛的應(yīng)用，如：戰(zhàn)后傷員自探尋、地震或塌方后人員的探尋、傳染病.
　　1995年3月23日，美國麻省理工學(xué)院(MIT)從事了題目為雷達(dá)聽診器的教學(xué)項(xiàng)目的工作。1996年1月，在Sci．enceandTechnologyReview雜志上，通過照片和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地描述UWB雷達(dá)在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，并介紹了一種由美國斯坦福尼亞大學(xué)LawrenceLivermoreNationallaboratory(LLNL)研制的特殊超寬帶雷達(dá)(微功率脈沖雷達(dá)，MicmpowerImpulseRadar(MIR))，可以檢測到人體的呼吸和心跳信號，并采用距離門(RangGating)技術(shù)進(jìn)行斷層掃描(最小距離為2cm)，可以最大程度地抑制外界環(huán)境的干擾對人體呼吸、心跳信號的影響，采用高增益的天線最大作用距離為1oomIq。1996年10月12日研究所的McEwan研究項(xiàng)目：人體監(jiān)測、成像的裝置與方法獲得美國專利一項(xiàng)(專利號為US5573012)，該裝置能夠?qū)z測到人體的心臟、肺、動脈、聲帶的相關(guān)信號轉(zhuǎn)換成聲音信號，可以裝在室內(nèi)為人體生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀使用目。1998年1月16日，McEwan的該研究項(xiàng)目又獲得美國專利一項(xiàng)(專利號為US5766208)~。McEwan開創(chuàng)了超寬帶雷達(dá)的先河，由他研制的MIR至今在美國共申請到56項(xiàng)專利，在全世界共有214項(xiàng)專利或應(yīng)用專利。從1999年開始，由于超寬帶雷達(dá)的小體積、低功耗、低成本、高空間分辨率等特點(diǎn)，超寬帶雷達(dá)在生物醫(yī)學(xué)研究中取得突破性的進(jìn)展，主要在心臟病學(xué)(心臟監(jiān)護(hù))、產(chǎn)科學(xué)(嬰兒監(jiān)護(hù))、兒科(嬰兒猝死綜合征監(jiān)護(hù))、呼吸內(nèi)科(障礙性睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù))、腦外科(顱內(nèi)血腫監(jiān)護(hù))等領(lǐng)域開始應(yīng)用。2002年2月美國的FCC允許該技術(shù)應(yīng)用于商用后，許多公司都在投入一定的人力、物力、財(cái)力來開發(fā)和研究相關(guān)領(lǐng)域的超寬帶雷達(dá)。

　　UWB標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

　　UWB是一種短距離的無線通訊方式，在10米以內(nèi)的范圍里以至少100Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。這種通訊方式比較適合在家庭內(nèi)部使用，市場應(yīng)用前景非常廣闊，因此圍繞UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭從一開始就非常激烈。曾經(jīng)有二十幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參與競爭，今天只剩下了兩個(gè)。它們是來自Freescale的DS-UWB和由TI倡導(dǎo)的MBOA。

　　從技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個(gè)通用信令模式，希望與MBOA兼容。但這種模式顯然在技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)，所以被MBOA、IEEE和無線USB協(xié)會拒絕。MBOA在最近的一次表決中占了約10%的優(yōu)勢，但仍然沒有達(dá)到75%的絕對多數(shù)。

　　從產(chǎn)品上來講，DS-UWB在開始的時(shí)候走在了前面。它的樣品在2004年初的時(shí)候已經(jīng)在拉斯維加斯的消費(fèi)電子展上展出，但看來之后的進(jìn)展比較緩慢，當(dāng)時(shí)存在的問題今天依然存在，例如功耗很大、需要兩根天線分別收發(fā)、在天線與接收器中間有阻擋時(shí)會出現(xiàn)花屏等。而另一方的MBOA正迎頭趕上，來自Staccato公司芯片級的物理層芯片（PHY）在2004年的第一季度已經(jīng)完成，八、九月份的時(shí)候，配合TI公司可編程門陣列（FPGA）的媒體存取控制器（MAC）已經(jīng)可以工作。FPGA還不是芯片級的產(chǎn)品，是在芯片生產(chǎn)之前用來驗(yàn)證和測試邏輯功能的，完全芯片級的平臺要到今年年底實(shí)現(xiàn)。這將是兩個(gè)芯片的方案，相比較于DS-UWB目前的四芯片方案在成本、體積和功耗上占有較大的優(yōu)勢。

　　在理解UWB的時(shí)候有必要知道UWB不僅僅指的是DS-CDMA或MBOA，他們僅僅是處于UWB完整架構(gòu)的最底層。讓我們看一下除了這最底下的一層，UWB還有哪些內(nèi)容。

　　Wireless USB:無線USB；

　　Wireless 1394:無線1394；

　　Application Profile:應(yīng)用層協(xié)議子集；

　　DLNA compliant: DLNA兼容，DLNA是數(shù)字化客廳網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的縮寫（Digital Living Network Alliance）；

　　PAL:協(xié)議適應(yīng)層,（Protocol Adaption Layer）；

　　UPnP/IP:即插即用多媒體IP電話；

　　Wimedia Convergence Platform: Wimedia匯聚平臺。Wimedia是無線多媒體的縮寫（Wireless Multimedia）；

　　DS-CDMA or MBOA Specification: DS-CDMA或MBOA規(guī)格。DS-CDMA是直接序列CDMA的縮寫（Direct Sequence）；MBOA是多頻帶OFDM聯(lián)盟的縮寫（Multi-Band OFDM Alliance）。

　　DS-CDMA或MBOA相當(dāng)于物理層，位于整個(gè)架構(gòu)的最底層，她還分成兩個(gè)子層，即物理層（PHY）和物理層的控制器層（MAC）。在其上面是WiMedia的匯聚層，有點(diǎn)類似于鏈路層或事務(wù)層，介于物理層和應(yīng)用層的中間。在WiMedia匯聚層的上面就是應(yīng)用層面的無線USB、無線1394和其他的應(yīng)用環(huán)境，這些層多已被IEEE802.15.3a確認(rèn)。

　　無線USB的規(guī)格將在今年年底之前頒布，這里大家首先要弄清楚這個(gè)無線USB的標(biāo)準(zhǔn)是得到USB IF確認(rèn)的，而并不是之前由Cypress公司推出的那個(gè)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。無線USB的推動者小組成員包括英特爾、惠普、微軟、德州儀器、飛利浦、三星、NEC和Agere。它們將負(fù)責(zé)建造一個(gè)與USB兼容的應(yīng)用軟件棧，以及和1394及WiMedia合作創(chuàng)建分享UWB射頻的規(guī)則。

　　獲得USB的支持和支持USB對UWB是非常重要的，大家都知道USB的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，但現(xiàn)在的USB外設(shè)都是有線的，需要通過一根線纜與PC主機(jī)相連，例如打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和外置硬盤等。這個(gè)數(shù)字非常巨大，今天已經(jīng)有15億條USB的線纜存在于我們的生活中，而這個(gè)數(shù)字到2006年時(shí)將大幅增長到35億，這表示有差不多這個(gè)數(shù)量的USB設(shè)備和主機(jī)。無線USB的目的是消除線纜，而用無線的方式收發(fā)信號。在PC主機(jī)和外設(shè)這兩端依然以USB的方式工作，所以必須有一個(gè)與USB兼容的應(yīng)用軟件棧。而無線發(fā)射這一塊需要使用UWB的射頻，由于1394的設(shè)備和其他設(shè)備（非USB和1394）也需要通過UWB的射頻來進(jìn)行無線收發(fā)，他們將在WiMedia這一層匯聚，不管原來是什么信號，在經(jīng)過WiMedia匯聚層后轉(zhuǎn)換成相同的信號傳送給物理層發(fā)射。換句話說，就是要分享UWB射頻。

　　MBOA已經(jīng)得到無線USB的批準(zhǔn)，而DS-CDMA尚未，這對于DS-CDMA是一個(gè)嚴(yán)重的缺憾。

　　同樣1394也是非常重要的，特別是在消費(fèi)電子市場上。我們今天比較熟悉的1394設(shè)備是數(shù)碼攝像機(jī)（Camcorder或DV），1394與USB最大的不同是外設(shè)與外設(shè)之間可以直接通訊。USB采用主/從的架構(gòu)，比較多見的主機(jī)是PC機(jī)，而其他外設(shè)都是從設(shè)備，他們或直接或經(jīng)由集線器（Hub）連到主機(jī)，所有的操作必須由主機(jī)來主導(dǎo)，這很適合于PC及其周邊設(shè)備的應(yīng)用，但顯然不適合于消費(fèi)電子產(chǎn)品的互聯(lián)；1394采用對等的架構(gòu)（peer-to-peer），聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備彼此之間都可以通訊，例如機(jī)頂盒和DVD機(jī)可以同時(shí)播放，而電視機(jī)和刻錄機(jī)可以選擇其中的任何一個(gè)節(jié)目源，而這并不需要一臺主機(jī)的控制。今天在市場上已經(jīng)有3億條1394的線纜，這個(gè)數(shù)字將隨著數(shù)字電視的普及在今后幾年中大幅增長。

　　與無線USB不同，無線1394對DS-CDMA和MBOA都支持。無線1394的主任成員較之于無線USB的推動者小組成員的范圍要更廣泛一些，盡管英特爾和飛利浦不在其中，但有索尼、松下、三菱這樣的消費(fèi)電子制造巨頭，也有蘋果、昆騰和牛津半導(dǎo)體（昆騰是做硬盤的）這樣的PC及其外設(shè)制造商，還有軟件商，像Mindready、Vividlogic和Newnex等，以及Molex。它們將負(fù)責(zé)構(gòu)建一個(gè)1394協(xié)議適應(yīng)層（PAL）以支持400Mbps的無線1394，還要與WiMedia協(xié)會合作以實(shí)現(xiàn)兼容性和互操作性。

　　WiMedia協(xié)會的任務(wù)看起來比較多一些，它需要建立一套程序用于認(rèn)證和保證互操作性；要能支持多協(xié)議的架構(gòu)，比如無線USB、無線1394和DLNA，要支持公平競爭和傳輸數(shù)據(jù)的安全性；要支持即插即用和建立基于IP的應(yīng)用程序棧來支持多媒體數(shù)據(jù)流。該協(xié)會成員包括英特爾、惠普、德州儀器、飛利浦、三星、LG、意法半導(dǎo)體、夏普、柯達(dá)等,摩托羅拉亦在此成員之列中。

　　所以我們應(yīng)該看到所謂的UWB是一個(gè)完整的系統(tǒng)，而不僅僅是現(xiàn)在人們熱衷討論的DS-CDMA或MBOA。只有充分理解這一點(diǎn)才算是理解了真正的UWB，而只有全面地支持所有這些協(xié)議層，才可以說是一個(gè)完整的UWB系統(tǒng)。

　　回到DS-CDMA或MBOA的標(biāo)準(zhǔn)之爭，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢？其實(shí)兩方面都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。DS-CDMA技術(shù)是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個(gè)傳輸任務(wù)可共享整個(gè)頻帶的頻率，對現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶造成的干擾比較少，成本可以做得比較低、上市的時(shí)間較短，易于實(shí)現(xiàn)低功耗、低速數(shù)據(jù)流的無線傳輸，可實(shí)現(xiàn)更高速的無線數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用于媒體流及大量的數(shù)據(jù)傳輸；MBOA技術(shù)是多頻帶方式，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高，多個(gè)頻率子帶并列，可以避開某些頻帶、靈活配置，速率的擴(kuò)展性好。

　　以無線電頻率管理來說，有兩個(gè)基本的原則：1.新的無線電技術(shù)不得對已有的無線電臺（系統(tǒng)）造成有害干擾；2.受到干擾不得提出保護(hù)要求，既要能忍受已有無線電臺的各種干擾。這對于DS-CDMA比較頭疼，因?yàn)樗褂谜麄€(gè)3.1-10.6GHz頻段，而有些無線技術(shù)就使用其中的一些頻率，例如802.11p的載頻是5.8GHz；而MBOA使用多個(gè)頻率子帶，可以很方便地避開這個(gè)頻率。

　　在市場推廣方面，兩個(gè)陣營分別組建了自己的聯(lián)盟，都建有自己的網(wǎng)站。DS-UWB組建的聯(lián)盟是UWB論壇（UWB FORUM），網(wǎng)站地址是http://www.uwbforum.org。MBOA的組織就是這個(gè)名稱，網(wǎng)站地址是http://www.multibandofdm.org。

　　UWB論壇目前有77家會員，其中有十幾家高校和研究所，占了近15%。MBOA聯(lián)盟已有170多個(gè)成員，幾乎集中了所有的大型跨國公司和集團(tuán)，這是一種優(yōu)勢，因?yàn)殚_發(fā)、推廣、應(yīng)用一個(gè)新的技術(shù)和產(chǎn)品需要大量的投入，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一二家企業(yè)所能承受的。而且UWB一個(gè)很重要的應(yīng)用是把家庭中的電器產(chǎn)品連接成微微網(wǎng)（Piconet），需要有大量的電器產(chǎn)品支持，這就要求有大批的家用電器和計(jì)算機(jī)制造商提供這樣的產(chǎn)品。

　　那么UWB的現(xiàn)狀究竟是如何的呢？還有多久用戶才能享受到這一新技術(shù)和新標(biāo)準(zhǔn)帶來的全新體驗(yàn)?zāi)?？其?shí)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)需要經(jīng)過以下四個(gè)階段：1.芯片階段；2.模塊階段；3.系統(tǒng)階段；4.產(chǎn)品階段。DS-UWB已處于模塊階段，而MBOA剛剛進(jìn)入芯片階段。用戶仍需要等待一段時(shí)間。即便是達(dá)到了產(chǎn)品階段，還需要經(jīng)受市場的考驗(yàn)，不然重蹈藍(lán)牙技術(shù)的覆轍，曇花未現(xiàn)便已凋零，不管誰贏得了標(biāo)準(zhǔn)之爭也只能是一個(gè)失敗的嘗試，這需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力。

　　撇開UWB內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)之爭，我們還應(yīng)該看到在數(shù)字化家庭這樣一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域UWB還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上一花獨(dú)放。802.11也正在躍躍欲試，WLAN的劣勢是她的傳輸速率比較低和對多媒體數(shù)據(jù)流的支持不夠，但傳輸距離長卻是她的優(yōu)勢。802.11正在試圖突破這些技術(shù)瓶頸，能否在不久的將來實(shí)現(xiàn)值得我們關(guān)注。UWB傳輸距離短的局限（10米）也使得她只能構(gòu)建微微網(wǎng)，即便在一個(gè)家庭內(nèi)部也無法真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，這需要結(jié)合有線的傳輸技術(shù)，例如1394a/b、USB2.0或USB OTG。有線技術(shù)同樣具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如電磁干擾小、傳輸穩(wěn)定、安全性高等等，另一個(gè)優(yōu)勢是這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品經(jīng)受過市場的考驗(yàn)，也符合消費(fèi)者的使用習(xí)慣。另外, 在關(guān)注UWB的同時(shí)，開發(fā)其他更實(shí)用與更迫切的數(shù)字接口技術(shù)也逐步提上日程。

　　基于FPGA的UWB雷達(dá)PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

　　超寬帶UWB無線通信技術(shù)是一種基于直接發(fā)射窄脈沖的新技術(shù),因其具有低功耗、良好的抗干擾和抗多徑能力、穿透性能好等特點(diǎn),特別適用于隱藏活動目標(biāo)檢測和近距離數(shù)據(jù)傳輸.用于檢測隱藏活動目標(biāo)的超寬帶雷達(dá)就是基于基帶無載波極窄脈沖的,有著廣闊的應(yīng)用前景.對比超寬帶的多種調(diào)制解調(diào)方式選取了脈沖位置調(diào)制.介紹了使用Verilog語言在FPGA上實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制解調(diào)器,實(shí)現(xiàn)了UWB雷達(dá)發(fā)送窄脈沖進(jìn)行基帶調(diào)制.