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| 超宽带连接产品的发展前景 |
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The Promise of Ultra-Wideband Connectivity
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■ 飞利浦半导体 Charles Razzell
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发展历史及技术回顾
超宽带技术的发展与扩展频谱无线电技术的发展轨迹相类似，多年来一直被界定为军用技术，不过，如今已经广泛应用于普通消费类产品。根据最新的美国联邦通信委员会(FCC)的定义，中心频率大于2.5
GHz的超宽带(UWB)系统需要拥有至少-10 dB 500MHz带宽。而对于中心工作频率低于2.5 GHz的超宽带系统，带宽至少应达到20%。比较而言，传统的无线电系统通常占用低于1%的带宽。
超宽带技术的历史可以追溯到20世纪60年代，它是在对微波网络由时域脉冲响应所反映的瞬时特性的研究过程中逐渐发展起来的。超宽带技术取得突破是在20世纪70年代，Harmuth、Ross及Robbins等开拓者做了大量的工作，主要集中在雷达系统，包括穿透地面的雷达系统。直至20世纪80年代晚期，超宽带技术才被称为无载波或脉冲无线电技术。美国国防部于1989年首先使用了"超宽带"一词。那时，超宽带理论及技术已经发展了近30年。自1994年以来，美国大部分超宽带技术的开发工作不再受到严格应用类别的限制。由于商业需求日益增长，超宽带技术的开发进程得以大大加快。两方面的进展刺激了商业需求和商业活动：1)
人们意识到超宽带系统可以与其他使用高得多的频谱密度的通信系统共存而不互相干扰；2) 美国联邦通信委员会的报告及02-48规范。这份发表于2002年2月14日的报告及规范，定义了共存规则，其中定义了适用于各类超宽带设备的发射指标限制。这一法律框架刺激了专用超宽带设备市场的诞生并从长远角度激发了人们对标准化产品的强烈兴趣。
超宽带的潜在应用浩如烟海，包括无线局域网(WLAN)、个人区域网(PAN)、近距离雷达系统(汽车感应器、防撞系统、智能高速公路应用系统、液体水平感应装置)、穿透地面雷达系统，以及用于医疗监控或体育训练感应器的人体区域网。本文的重点放在超宽带的连接应用系统，尤其是无线个人区域网/无线局域网。众所周知，由于美国联邦通信委员会出于保密原因对超宽带技术做出了一些保守的限制，因而我们将重点放在了无线个人局域网，该网络范围传输距离大约10米，数据传输速率从110Mbps至480Mbps。如此高的数据传输速率将很容易在用户的起居室里实现数字消费类娱乐设备的多媒体连接应用(DVD、卫星/电缆机顶盒、电视监控器及环绕立体声音频处理设备)。显而易见，数字相机、扫枰恰⒋蛴』⑸懵蓟╟amcorder）及MP3播放机都将从与电脑的无线连接技术中受益，从而为配备了有线USB2.0或IEEE
1394技术的设备增添额外的价值，并有可能最终使有线连接成为历史。我们还可以设想多房间应用场景，尽管这将对现有的信号处理技术提出严峻的挑战，因为要求保持低发射功率的限制，将使信号在3-10GHz的频率范围内穿透墙面变得非常困难。
人们将超宽带定义为调制占有超过20%的带宽或500MHz，需要注意的是有许多方法可以生成符合上述范围要求的信号，包括直接序列扩展频谱实现"极端"扩展、线性调频脉冲调制、时间调制超宽带(a.k.a.
TM-UWB)以及频率子带方法。下面将简要探讨每一种方法。
直接序列超宽带系统
生成超宽带信号的一个明显方法是用一个非常长的伪噪声(PN)序列直接扩展信息位，这一系统可以被看作是CDMA的极端形式。这是研发人员推荐使用的一种方法，但一种更受欢迎的方法则是被称作直接序列超宽带(DS-UWB)的方法，该方法采用单一脉冲作为码片波形实现同样的直接扩展概念。扩展波形可能是单一脉冲的短序列，序列中的每个单一脉冲的极性都是从CDMA所使用的众所周知的扩展代码中导出的，如Gold、Kasami或Barker代码集。与脉冲无线电系统正好相反，在单一周期之间没有"静音区"（见图1）。直接序列超宽带方法易受符号间干扰及信道间干扰，在采用短代码序列时，干扰现象尤为明显。
线性调频脉冲调制系统
码片信号的传输及反压缩技术起先都是为雷达应用系统而开发的。通信应用系统广泛使用线性调频脉冲技术，通常采用表面声波(SAW)设备来实现通信运营。在通信系统中还没有大量采用线性调制技术，因为表面声波设备的使用可能为制造商带来诸如体积大小及成本上竞争力不够等方面的问题，此外，表面声波设备对不同温度及产品量产的易变性也可能对设计可靠系统带来困难。
时间调制超宽带系统
时间调制超宽带系统采用基于一系列短周期脉冲的信号，这一系列短周期脉冲由单个基本脉冲形态产生。脉冲子波周期可处于0.2ns到1ns的范围，而脉冲重复间隔可处于25ns到1ms的范围，这样在每个脉冲之间就产生了大量的静音，从而允许信道脉冲响应衰减至零，并将符号间干扰降低到可以忽略的程度而无须使用均衡器。
图1 直接序列超宽带方法与时间调制超宽带方法的比较(略)
图2 线性调频脉冲实例(略)
图3 高斯单一脉冲(略)
图4 超宽带系统的多频带概念(略)
图5 通过自动调整抑制子带从而减少干扰现象的发生(略)
可采用不同的方法用数据调制脉冲系列，重要的通用特性是脉冲系列在发射的过程中不再转换到更高的载波频率，因此采用了"无载波"的无线电系统这一术语。调制技术包括脉冲位置调制以及各种脉冲幅度调制，包括开关键控及极性键控。
实际应用中，大量脉冲形态被采用，其中包括常用的高斯脉冲(图3)。该脉冲没有直流部分，这也是高效天线辐射所要求的。
频率子带系统
尽管许多公司都致力于开发单一频带脉冲无线电技术，但这些公司大部分还是各自采用了多频带系统，以解决应用中常见的问题(图4)。这些问题包括不灵活的干扰处理能力，因为所占用的频谱大部分由脉冲形态来支配，不能够轻易改动。例如，高斯单一脉冲具有特殊的频谱形态，可在频域中按比例扩展，但不能够重新改变形态。
频率子带系统是前文阐述的脉冲无线电系统调制技术的又一种方法。该方法丰富了代码集，较以前的方法，可为每个脉冲期增添更多的信息位。这一更加丰富的代码集可提供：
1.更高的数据传输速率，避免了由于更高的脉冲重复速率所造成的符号间干扰；
2.更低的脉冲重复速率也使多个不协调的微微网络及时交错传输；
3. 增加多路传输抗扰度。
多频带方法的另一个重要方面是可扩展性和灵活性。该方法的益处总结如下：
1.灵活满足各种规范要求(满足美国联邦通信委员会规定的发射屏蔽要求以及未来其他地域及政治方面的规范)；
2. 避免干扰(例如，可自动调整避免使用802.11a标准频带)，如图5所示；
3. 可与其他系统共存使用。
多频带方法的可扩展性能意味着：对于较低的数据传输速率及价格较低的系统，只需部署较少量的子带系统以及使用价格较低的集成电路处理工艺，从而获得市场价格竞争优势。多频带方法的一个劣势是：鉴于没有顾及到设计要求，每个子带需要重复设计电路，从而增加额外的成本。
美国超宽带应用展望及标准化前景
美国联邦通信委员会取消了超宽带传输在某些领域的应用限制，为超宽带的普及扫清了第一个主要障碍。允许的频谱发射范围尤其适合高速个人区域网（PAN）应用系统，其中包含IEEE
Task Group 802.15.3a正在标准化的成像及多媒体技术。 2002年12月11日IEEE标准委员会认可这个任务组满足了5个标准开发准则，即广泛的市场潜力、兼容性、独特性(即它只覆盖其他标准不覆盖的特定区域)、技术可行性及经济可行性，TG3a项目开发时间表已经建立，2003年3月首次举行了PHY建议书讨论会。进一步的研讨会还将进行，今年8月份还将逐步进行筛选，计划于2003年11月完成草稿。这一积极的实现标准化的日程表，反映了支持高速无线连接性的下一代数字多媒体消费类设备所蕴藏的巨大市场潜力。
近来有关标准化进程的一系列活动，充分反映了业界对多频带超宽带技术的发展普遍看好，这里面包括很多著名的公司，如英特尔、飞利浦、Discrete
Time Communications、General Atomics、Time Domain Corp以及Wisair Ltd。来自行业的持续支持将有望加速标准化的步伐。
尽管处于对未来无法预测的时期，随着越来越多的消费者将超宽带技术接纳为家用多媒体连接产品，标准化进程被看作是实现广泛市场潜力的重要举措。能够与自身或相邻的非协调超宽带微微网络共存也非常重要。尽管需要解决的问题仍然很多，包括飞利浦公司在内的众多业界专家，都在潜心致力于寻找合适的方法整合现有标准，以合理的价格为最终用户带来标准化的产品。
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