【正文】 預(yù)計(jì)660Mpbs的速度傳輸解決方案也會(huì)很快推出新產(chǎn)品。其中，飛思卡爾半導(dǎo)體（Freescale Semiconductor）展出了一款由其前母公司摩托羅拉設(shè)計(jì)的具備UWB功能的手機(jī)，這種手機(jī)能連接便攜式電腦，可從互聯(lián)網(wǎng)上下載MP3文件或手機(jī)所拍的照片。[2]XS110芯片組可以應(yīng)用于以下場合：（1） 多種無線MPEG2 或MPEG2HD視頻流；（2） 無線快速以太網(wǎng)，USB2，1394；（3） 用戶網(wǎng)關(guān)/機(jī)頂盒向顯示器/電視機(jī)的多條數(shù)字視頻傳輸；（4） 數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、PDA等的數(shù)字視頻/音頻流；（5） 無線局域網(wǎng)（）產(chǎn)品的客戶端位置跟蹤。由這三個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)的超寬帶收發(fā)信機(jī)，通過無線連接提供一個(gè)完全的端到端（PeertoPeer）的WPAN/WLAN解決方案，而且具有廉價(jià)、低功耗和數(shù)據(jù)率高等優(yōu)點(diǎn)。飛思卡爾的芯片組—XS110，于2002年2月獲得FCC原有UWB規(guī)則認(rèn)證，該芯片使用DSUWB方案，每秒的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)110Mbit，可在10m的范圍內(nèi)進(jìn)行多條高清晰度視頻流傳輸。這些公司在超寬帶技術(shù)的開發(fā)方面走在了前列，他們開發(fā)的芯片有些已經(jīng)在軍事和政府部門得到應(yīng)用。[2]6．2 超寬帶芯片設(shè)計(jì)超寬帶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)之一是結(jié)構(gòu)簡單，超寬帶接收機(jī)可以用幾個(gè)芯片，甚至單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)。超寬帶的天線通常有：單極、雙極、電磁環(huán)、等角螺旋、螺旋、碟錐形等。（2） 頻譜搬移 由于微分作用，傳輸信號的頻譜將向中心頻率更高的頻譜移動(dòng)。在考慮信道模型的時(shí)候必須考慮天線的影響，所以在工業(yè)界也曾有一種用天線的特性來定義超寬帶的建議，就是因?yàn)樘炀€設(shè)計(jì)是關(guān)系整個(gè)超寬帶系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)步驟。天線的發(fā)射效率和發(fā)射圖案對發(fā)射的脈沖有空間和時(shí)間的濾波的作用。根據(jù)天線傳輸理論，不同頻率的電磁波有效發(fā)射的天線尺寸是和波長有關(guān)系得，由于超寬帶信號占據(jù)極寬的頻帶，就必須考慮兼顧不同頻率的信號，對天線的設(shè)計(jì)不能采用窄帶通信的天線設(shè)計(jì)理論。下面就近年來超寬帶的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行介紹，重點(diǎn)在于天線技術(shù)、芯片設(shè)計(jì)的開發(fā)狀況。Intel遞交的這份方案的特點(diǎn)有：把可用的頻帶劃分為多個(gè)子帶，每個(gè)子帶的帶寬大于500MHz；系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)速率、干擾、當(dāng)?shù)仡l譜規(guī)定等等因素選擇部分或者全部子帶進(jìn)行傳輸；還能以合適的調(diào)制方式使用多個(gè)子帶。而且由于各個(gè)國家已有的無線通信系統(tǒng)的頻段規(guī)定是不盡相同的，為了超寬帶系統(tǒng)的通用性，需要使用可變的濾波器。另一個(gè)問題是和現(xiàn)在無線通信系統(tǒng)的兼容問題。[2] UWB的不足與改進(jìn)自從 2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）制訂了關(guān)于民用UWB產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范之后，單頻段單脈沖方式不能很好地適應(yīng)該規(guī)范，面臨兩大問題：一是頻譜不能充分利用所規(guī)定的矩形部分。在家庭無線網(wǎng)絡(luò)，UWB良好的多媒體應(yīng)用恰好彌補(bǔ)了它們的不足，三者更是可以相得益彰，共同發(fā)展。也就是說，對于10米以內(nèi)的距離，UWB可以發(fā)揮出高達(dá)數(shù)百M(fèi)bit/s的傳輸性能， RF無線PAN的性能將強(qiáng)于UWB。這種組網(wǎng)方式可以很容易擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，比較適合于企業(yè)使用。由于中心節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的限制，網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍比較小。 圖 55 LRWPAN的組成結(jié)構(gòu)[2]星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般用于覆蓋范圍比較小的區(qū)域，如單個(gè)房間。圖 54 家庭中使用LRWPAN的例子[2]LRWPAN有兩種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：星形和樹形。這類應(yīng)用對傳輸速率要求較低，通常為幾千比特至幾萬比特每秒，但他們對成本和功耗的要求很高，在很多應(yīng)用中還要求提供精確的距離或定位信息。這種低速無線個(gè)域網(wǎng)除了數(shù)據(jù)速率比較低外，還應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：短距離，一般在幾十米范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)簡單；體積小巧；電源效率高；便宜。，支持低速無線個(gè)域網(wǎng)（ Wireless Personal Area Network）。但是在生活中，我們并不總是隨時(shí)隨地需要高速的數(shù)據(jù)傳輸，比如，對冰箱、微波爐、電燈、通風(fēng)系統(tǒng)、熱水器等家用電器進(jìn)行控制所需要的控制信息就很簡單。這些短距離高速傳輸方式可以支持包括圖像和視頻在內(nèi)的多媒體傳輸。，見表51。（2） OFDM在多徑環(huán)境下具有良好的穩(wěn)健性 由于使用循環(huán)前綴可以使各子載波的信號之間保持正交，有利于接受機(jī)更有效地俘獲多徑信號的能量。其中主要的物理層采用時(shí)頻交織的正交頻分復(fù)用技術(shù)（TFIOFDM）方案。大家既可以自由地交換各種信息，也可以共享帶有圖像和音頻的演示文檔，還可以方便地共享投影儀、打印機(jī)等設(shè)備，如圖53所示。(3)多媒體會(huì)議應(yīng)用UWB技術(shù)還可應(yīng)用于會(huì)議室等場所。用戶甚至沒有必要將所有這些設(shè)備都放置在同一個(gè)桌面或房間內(nèi)，每種設(shè)備可以被自由地移動(dòng)位置。當(dāng)前，電腦與各種外設(shè)之間通過錯(cuò)綜復(fù)雜的線路相互連接。圖52所示是UWB的典型應(yīng)用，包括機(jī)頂盒、DVD和數(shù)碼攝像機(jī)與數(shù)字電視的無線連接，數(shù)碼照相機(jī)與電視機(jī)、打印機(jī)之間的連接等。利用UWB技術(shù)為這些設(shè)備提供高速無線連接，無需使用電纜即可建立家庭多媒體網(wǎng)絡(luò)。采用UWB技術(shù)為這些設(shè)備提供高速無線連接將是比較理想的解決方案，配合上層協(xié)議靈活地改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，既可以?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)連接，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備互連。個(gè)人空間內(nèi)的設(shè)備類型非常豐富，大體分為三大類：電腦及其外圍設(shè)備，包括個(gè)人PC、大容量移動(dòng)硬盤、打印機(jī)、掃描儀、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等；家用音視頻娛樂設(shè)備包括DVD、CD播放機(jī)、數(shù)字電視機(jī)、數(shù)控音響等；便攜式終端，包括筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、手機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3等。根據(jù)對超寬帶(UWB)的容量分析可知：UWB的容量優(yōu)勢主要體現(xiàn)在10 m左右的覆蓋區(qū)域。通常認(rèn)為，短距離無線網(wǎng)絡(luò)主要是指無線局域網(wǎng)(WLAN)和無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)。由于超寬帶技術(shù)是利用每秒數(shù)百萬次的窄脈沖來傳輸信息或獲取被測物的位置和距離, 因此在雷達(dá)跟蹤、精確定位和無線通信等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。UWB技術(shù)憑借其自身的技術(shù)特點(diǎn)，在高、低速WPAN應(yīng)用中都將成為有力的競爭者。提供的最高傳輸速率為250 kb/s，通過降低傳輸速率可將通信距離延伸至30 m或更遠(yuǎn)。其中，(Bluetooth)作為物理層傳輸技術(shù)，提供最高1 Mb/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離，適用于中低速無線連接。如圖51 所示為IEEE 。（2） 無線城域網(wǎng)（WMAN）典型的如IEEE ，這是一種固定無線寬帶接入系統(tǒng)，也經(jīng)常成為“最后一公里”（Last Mile）接入，作為一種家庭用戶進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的方式，使有線方式（例如ADSL）的有力競爭方案。[2] 超寬帶與IEEE關(guān)于無線接入的標(biāo)準(zhǔn)可以大致分為下列3種。因此規(guī)定了這樣一個(gè)非常保守的標(biāo)準(zhǔn)值。為了盡量減少與全球定位系統(tǒng)（GPS） GHz頻帶之間的干擾，與FCC關(guān)于同處這一頻帶輻射噪聲的規(guī)定值（41dBm/MHz）相比，F(xiàn)CC將UWB系統(tǒng)輸出功率限制到了還要再低34dBm的數(shù)值上。（3） 通信與測量系統(tǒng)（Communications and Measurement System）: 如家電設(shè)備及便捷終端之間的無線數(shù)據(jù)通信等。這3個(gè)用途分別是：（1） 成像系統(tǒng)（Imaging System）：如地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器等，包括地面穿透雷達(dá)（GPR）、墻內(nèi)、穿墻和醫(yī)用成像、救生系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)等。但FCC對可利用的帶寬和信號發(fā)射功率附加了若干限制。在2000年5月11日，F(xiàn)CC發(fā)布了一個(gè)NPRM，準(zhǔn)備修改Part15條例，以便允許UWB技術(shù)的應(yīng)用。[2] FCC關(guān)于UWB信號頻譜的規(guī)范1998年9月，F(xiàn)CC就發(fā)布了對在FCCPART15規(guī)范（針對非故意發(fā)射體的規(guī)范）下應(yīng)用超寬帶產(chǎn)品的可能性進(jìn)行調(diào)查的文件，就超寬帶無線設(shè)備對原有窄帶無線通信系統(tǒng)的干擾及其相互共容的問題開始廣泛征求業(yè)界的意見并委托相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行評估。這些問題包括如下方面：（1） UWB系統(tǒng)對其他無線系統(tǒng)的干擾包括對GPS的干擾，對導(dǎo)航系統(tǒng)的安全造成威脅；對利用來自宇宙的微弱電波進(jìn)行觀測的天文臺的干擾；對調(diào)幅和調(diào)頻廣播的影響；對個(gè)人通信系統(tǒng)（PCS，如900/1800MHzGSM）的干擾；對無線局域網(wǎng)（、b等）的干擾等。隨著窄帶通信的出現(xiàn)，各國的無線通信委員會(huì)把無線頻段分成若干個(gè)窄信道，用于不同的無線通信設(shè)備，超寬帶的無線裝置一度被認(rèn)為是非法的。1890年，莫爾斯根據(jù)這種放電無線裝置發(fā)明了無線電報(bào)。[2]圖 44 單用戶最佳接收機(jī)[2]第5章 UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程及其應(yīng)用 UWB信號的頻譜管理 規(guī)范UWB信號頻譜的必要性從無線電的發(fā)明和發(fā)展過程看，無線通信是從超寬帶通信開始的。此接收機(jī)中假設(shè)第m用戶的信道是已知的，因此，采用最佳接收時(shí)還需要進(jìn)行信道估計(jì)。[2] 接收機(jī)設(shè)計(jì)由于用戶信號經(jīng)過多徑信道傳輸后仍然保持正交，我們可采用基于相關(guān)器（或匹配濾波器）的單用戶接收機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖44所示。窗函數(shù)，決定了用戶頻譜組成的特征。單周期脈沖，它限定了系統(tǒng)得頻譜寬度。 的傅里葉變換頻譜表示為，其帶寬近似為1/。[2]針對不同用戶采用不同的頻帶，最常用的一種方式是采用頻分多址（FDMA）系統(tǒng)，它將頻帶資源樹簇劃分后分配給不同的用戶。以上結(jié)論說明，要想使不同用戶的信號經(jīng)過信道傳輸后依然保持正交，則用戶發(fā)送信號的頻譜必須占用不同的頻帶，即頻譜互不重疊。根據(jù)偏移正交公式不難看出，如果和的頻譜不存在交疊，則該條件得到滿足。[2]1. 偏移正交和頻率劃分理想情況下，如果不同用戶間的信號相互正交，并且，經(jīng)過信道傳輸后依然保持正交，則可以完全消除多用戶干擾的影響。[2] 系統(tǒng)模型假設(shè)一個(gè)包含M個(gè)用戶的異步通信系統(tǒng)，每個(gè)用戶的傳輸符號速率都相同，符號周期為Ts秒。最近，此技術(shù)已被擴(kuò)展應(yīng)用到超寬帶系統(tǒng)中。同時(shí)，多用戶檢測器的復(fù)雜度也十分可觀，采用最小均方誤差（MMSE）檢測需要矩陣求逆運(yùn)算，采用最大似然（ML）檢測也要指數(shù)級的運(yùn)算量。[2] 多載波超寬帶多址技術(shù) 幾種多址技術(shù)比較在超寬帶多用戶通信系統(tǒng)中，最常見的THPPM多址技術(shù)和DS—CDMA多址技術(shù)等，都是建立在擴(kuò)頻碼和隨機(jī)信道的統(tǒng)計(jì)特性基礎(chǔ)上進(jìn)行用戶分離，把多址干擾看成了一種加性高斯噪聲。 圖 43 幀周期以及對應(yīng)PPM調(diào)制的時(shí)隙示意圖[2]PCTH接收機(jī)包含一個(gè)脈沖相關(guān)器、脈沖位置解調(diào)（PPD）與檢測器。在每個(gè)間隔內(nèi)，只傳輸一個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的位置可以是個(gè)離散時(shí)隙中的任一個(gè)，M即移位寄存器的長度。接收機(jī)框圖如圖42所示：[2]其中解調(diào)輸出脈沖相關(guān)器積分器比較器碼延時(shí)模版幀時(shí)鐘同步鏈路選擇 圖 42 DSUWB 多址接收機(jī)結(jié)構(gòu) [2] PCTH UWB 多址技術(shù)偽混沌跳時(shí)方式PCTH調(diào)制的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生非周期的混沌編碼，用它替代THPPM中的偽隨機(jī)序列和調(diào)制的數(shù)據(jù)，控制短脈沖的發(fā)送時(shí)刻，使信號的頻譜發(fā)生變化，PCTH不僅能減少對現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)的影響，而且不易被檢測到。 [2] 接收信號處理DSCDMA UWB 的多址接收機(jī)結(jié)構(gòu)與TH/PPM UWB接收機(jī)類似，也是基于假設(shè)檢驗(yàn)理論的相干數(shù)據(jù)檢測，采用相關(guān)器進(jìn)行接收。則有Tf=NcTc。用單載波DSCDMA方案通過頻譜搬移解決無載波UWB存在較多低頻分量問題。接收機(jī)的原理圖如圖41所示。 [2]在多址系統(tǒng)中，當(dāng)Nu個(gè)用戶同時(shí)工作時(shí)，接收信號r(t)表示為： （42）其中，Ak表示發(fā)射機(jī)k的信號經(jīng)路徑傳輸后到達(dá)接收機(jī)的衰減；表示收發(fā)信機(jī)的時(shí)間延遲；n(t)表示加性高斯白噪聲。跳時(shí)碼的另一功能體現(xiàn)在將間隔為的譜密度變?yōu)殚g隔為的線譜密度，從而降低了功率譜密度。（2） 偽隨機(jī)跳時(shí)碼：為了減少多址通信中的碰撞概率，每個(gè)用戶指定一個(gè)特定的脈沖偏移模式，稱之為跳時(shí)碼。（1） 脈沖序列由間隔的單周期脈沖組成，為幀周期或脈沖重復(fù)時(shí)間，典型的值約為單周期脈沖寬度的幾百倍或幾千倍。 典型的THPPM UWB 制信號波形如下： （41）其中，表示發(fā)送的單周期脈沖波形，上標(biāo)（k）表示第k個(gè)發(fā)送用戶。盲信道估計(jì)則比較適合于連續(xù)傳輸模式的網(wǎng)絡(luò)。UWB系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境為室內(nèi)，與數(shù)據(jù)傳輸速率相比，信道的變化速度非常慢，可以看作準(zhǔn)靜態(tài)。數(shù)據(jù)輔助的信道估計(jì)方法利用已知的訓(xùn)練符號進(jìn)行信道估計(jì)，具有估計(jì)速度快的特點(diǎn)，但在頻譜利用率和功率利用率上付出一定代價(jià)。UWB信道是典型的頻率選擇性衰落信道，在時(shí)域表現(xiàn)為多徑彌散且呈現(xiàn)出多徑成簇到達(dá)的現(xiàn)象。在基于脈沖的UWB系統(tǒng)中，采用瑞克接收機(jī)合并多徑信號能量并進(jìn)行相干檢測，信道估計(jì)問題即估計(jì)多徑信號的到達(dá)時(shí)間和幅度。但非相干檢測比相干檢測有高達(dá)3 dB左右的性能損失，這對功率受限系統(tǒng)尤其難以接收。盲同步方法結(jié)合串行搜索比較適合于低成本、低功耗的低速網(wǎng)絡(luò)。在高速無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)等無線網(wǎng)絡(luò)中，一般采用突發(fā)式的包傳遞模式。這種方法在系統(tǒng)帶寬效率上高于數(shù)據(jù)輔助的同步方法，但捕獲速度和同步性能會(huì)有所下降。這類同步方法的優(yōu)點(diǎn)在于捕獲速度較快、跟蹤精度高，但在系統(tǒng)帶寬效率和功率效率上付出較大的代價(jià)。數(shù)據(jù)輔助的同步方法借助于事先設(shè)計(jì)的導(dǎo)符號訓(xùn)練序列進(jìn)行定時(shí)捕獲和跟蹤，采用的訓(xùn)練序列有M序列、Gold序列、巴克碼等。UWB信道的密集多徑特征進(jìn)一步增加了定時(shí)同步的可靠性。在捕獲階段，要求接收機(jī)快速搜索信號到達(dá)時(shí)間，并根據(jù)搜索結(jié)果調(diào)整接收機(jī)定時(shí)。定時(shí)同步是UWB通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的問題，定時(shí)偏差和抖動(dòng)將嚴(yán)重影響接收機(jī)性能。[2]線性合并 “0”或“1”圖 31 Rake接收機(jī)框圖[2] 定時(shí)同步技術(shù)同步定時(shí)對于任何數(shù)字通信系統(tǒng)來說都是根本的任務(wù)。各相關(guān)器輸出的合并有不同的方式，以形成判決變量，如等增益合并（EGC）、最大比值合并（MRC）、選擇式合并等。當(dāng)信道為頻率選擇性衰落信道時(shí)，對于發(fā)信號的寬帶特性，收信號