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1 引言
超寬帶(UWB)通信技術具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多徑衰落、易數字化等諸多優(yōu)點。在因特網、多媒體和無線通信技術融合的今天，它是實現小范圍內無縫覆蓋的無線多媒體傳輸需求的熱門技術手段，被視為新一代無線個域網物理層標準技術。
目前UWB有兩大標準：一是以Intel公司為首提交的多帶正交頻分復用(MB-OFDM)方案;另一個是以Freescale公司為首提交的直擴碼分多址(DS-CDMA)方案。而MB-OFDM方案已成為MBOA聯(lián)盟事實上的標準。在此基礎上提出的時頻交織MB-OFDM方式，與傳統(tǒng)OFDM有很多相似之處，又符合FCC關于UWB的定義，具有UWB的特點，是一種新的UWB通信實現方式，使得MB-OFDM芯片得到了越來越多廠商的支持和應用。
2 關鍵技術
1) 多頻帶的劃分
FCC公布UWB信號的定義是：相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大于0.2或絕對帶寬大于500 MHz的無線電信號。UWB系統(tǒng)可在發(fā)射功率譜密度小于-41.3 dBm/MHz的情況下，使用無需授權的3.1～10.6 CHz頻段。這里沒有限制UWB信號的實現方式，只要絕對帶寬大于500 MHz，并非要用脈沖無線電。因此，MB-OFDM-UWB技術打破了傳統(tǒng)觀點�？蓪⑦@個頻段分為14個帶寬為528 MHz的子帶、5個頻帶組：1組：3 168～4 752 MHz;2組：4 752～6 336 MHz;3組：6 336～7 920 MHz;4組：7 920～9 504 MHz;5組：9 504～1 056 MHz。由于UWB有效帶寬在3.1～5 GHz，因此，只有1組中3個子帶可用，其余保留備用。
2) 時頻交織(TFI)技術
時頻交織技術示意圖如圖1所示。
OFDM符號在3個子帶上進行時域頻域交錯傳輸，即在一個OFDM符號時間內，只有一個子帶在工作。通過交錯各子帶信號，UWB系統(tǒng)就像使用了整個帶寬，這樣就可在小得多的帶寬上處理信息，不僅降低設計的復雜度、功耗及成本，而且還能提高頻譜利用率和靈活性，有助于在全球范圍內符合相關的標準。
3) 循環(huán)前綴和保護間隔設計
每個子帶內采用OFDM調制，用128點IFFT完成，每個子載波用QPSK實現星座映射。OFDM符號間隔為312.5 ns，3個符號為一個周期937.5 ns，子載波間隔為4。采用60.6 ns循環(huán)前綴對抗多徑，9.5 ns保護間隔提供充足頻帶切換時間，IFFT周期為242.4 ns，參數見表1。通過跳頻將信息比特交織到子載波上，有較好的頻率分集效果和抗頻率選擇性衰落性能。
4) 可擴展性設計
MB-TFI-OFDM技術具有良好的可擴展性，能兼顧到目前技術上的可實現性和可升級性。信道編碼采用卷積碼，碼率有1/3，11/32，1/2，5/8和3/4，系統(tǒng)支持的數據速率有55，80，110，160，200，320，480 Mbit/s。使用的頻帶可從3個頻帶組擴展到7個頻帶組。
3 系統(tǒng)性能和特點
3.1 性能分析
利用MATLAB軟件對MB-TFI-OFDM UWB系統(tǒng)進行仿真，圖2所示為跳頻后的OFDM符號在3個子帶上的功率譜密度仿真波形，可見，每個子帶帶寬約為528 MHz，采用時頻交織技術能實現在相同的時間內采用不同頻段工作，而不會引起符號間干擾。因此，在不同頻帶的3個OFDM信號可并行傳輸，系統(tǒng)容量大，信道利用率高，頻譜更加靈活。
可靠性是系統(tǒng)性能的一個重要指標，在此用誤包率曲線表示。如圖3所示，誤包率是隨著信噪比的增加而減小的，且相同誤包率下，高速率對應高信噪比，因此，采用高速率的MB-TFI-OFDM超寬帶系統(tǒng)，抗噪聲和干擾能力很強，有很大靈活性，可方便適應不同地區(qū)的頻譜規(guī)范。但高速率只能在一定距離上獲得，即傳輸距離和速率是相互制約的，因此UWB系統(tǒng)具有高速率、短距離等特點�？梢姡@種MB-TFI-OFDM UWB技術是滿足WPAN的數據速率與誤碼率和傳輸距離的要求的。
3.2 技術優(yōu)點
1) 抗多徑、捕獲多徑信號的能力強。借助循環(huán)前綴克服多徑信道引入的時延擴展，用結構較簡單的接收機，就能在高度多徑環(huán)境中捕獲到更多信號，電路簡單、成本低、功耗低，電池可支持移動設備長時間連續(xù)使用。
2) 頻譜靈活性強、共存性好。UWB使用無需授權頻段，確保不會對授權頻段設備產生干擾。MB-OFDM-UWB信號是由A/D轉換器產生，可用軟件動態(tài)地打開或關閉某些特定頻段，使其符合本地規(guī)定，這有助于在不同國家內采用MB-OFDM系統(tǒng)。
3) 設計復雜度低，上市快。傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)較復雜，MB-TFI-OFDM系統(tǒng)經過專門設計，只采用QPSK調制，降低了IFFT和FFT實現復雜度以及對ADC和DAC的分辨率要求。模擬前端電路甚至總體結構的設計，易于用90 nm CMOS實現，縮短了產品投放市場的時間。
4) 安全機制建立方便�？山⒁粋�嵌入式、始終處于“開通”狀態(tài)的安全架構，在協(xié)議棧的一些層次上提供安全性和隱私機制，確保無線技術所需的強壯性和對用戶的透明度。
4 技術應用與展望
4.1 MBOA的UWB通用平臺
由于IEEE802.15.3a標準出現僵局，MBOA于2004年初成立了特別興趣小組，著手制訂和推廣自己的物理層和MAC層規(guī)范，力爭成為全球事實標準。2004年5月，WiMedia聯(lián)盟和1394聯(lián)盟與MBOA聯(lián)合，使得MBOA的物理層和MAC層規(guī)范可廣泛支持各種應用層業(yè)務，成為UWB標準通用平臺，如圖4所示，它可支持無線USB、無線1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多種應用。物理層規(guī)范具備了480 Mbit/s的空中解碼能力，可進一步升級，支持無線數字顯示接口(DVI)和高清晰媒體接口(HDMI)以及Gbit/s速率的數據傳輸。
4.2 Wisair-UWB芯片組
MBOA芯片已趨于成熟，具有代表性的產品是Wi-sair公司開發(fā)的UWB芯片組，已獲得美國FCC認證。該芯片組包括：基于MB-OFDM方式的射頻收發(fā)芯片(Wi-sair 502 PHY RF chip)和基帶處理芯片(Wisair 531MAC\Baseband chip)。其中，用0.18μm硅鍺biCMOS工藝生產的502收發(fā)器可替代業(yè)界第一批符合WiMedia和MBOA標準的501收發(fā)器。它減少了UWB無線解決方案的功耗、尺寸和總成本，還支持多頻帶OFDM TFI和FFI模式。占據的頻譜在3.1 GHz和4.8 GHz之間，主要是3條528 MHz寬子頻帶。它可在短距離上提供高達480 Mbit/s的數據傳輸速率。此外，它包括一個片上帶通濾波器、一個具有很寬可編程動態(tài)范圍的寬帶接收器、以及一個帶有片上壓控振蕩器的超快速跳頻寬帶混頻器。其可編程的功率放大器可確保最大允許輸出功率。而且還支持用2個天線來實現天線分集，不需要外部匹配不平衡變壓器。Wisair531UWB基帶芯片主要針對消費電子設備不斷增長的對超高速視頻和數據傳送的需求。它們也適用于快速實現PC外設、移動和汽車產品、以及要求在短距離上實現高速傳送的其他應用。
4.3 各廠商應用情況
2006年是UWB激活的一年，在全球超寬帶峰會上，有12家廠商展示了UWB產品及解決方案。2007年1月于美國消費電子展(CES)上，又有不少廠商展出了基于UWB技術的商用產品。如美國DC REDNA研究所在梅賽德斯-奔馳R500上采用寬帶技術實現高清視頻播放，采用了Intel的UWB解決方案;三星SC-D365無線數字攝像機，是全球首個采用超寬帶技術，以無縫方式顯示了通過無線USB鏈路發(fā)送的視頻剪輯，它不再需要取出內存或通過電線連接，而是能將家庭電影片段以無線方式傳送到PC進行存儲或顯示;華碩公司的一款無線HDMI產品，采用UWB支持S-Video端口、HDMI信號以及A-DI的ADV202 JPEG2000圖像解碼芯片，可用于高速影片圖片傳輸、音樂下載、打印，以及PC外設與消費電子產品的數據同步。2007年5月，香港應科院與深圳雅圖科技演示了他們共同研發(fā)的“世界上第一臺具無線超寬帶視頻流技術的超大屏幕投影電視”。
4.4 存在問題與前景展望
UWB的應用推廣有3個至關重要的問題：一是標準問題，業(yè)界廠商要群策群力制定標準，才能帶來廣泛的互通和應用;二是產業(yè)鏈的跟進，包括芯片、系統(tǒng)廠商技術與產品的研發(fā)與推廣;三是互聯(lián)互通的網絡結構和協(xié)議。
WPAN技術主要的目的就是將電子設備之間的連線替換成無線連接，使家庭或辦公室中的各種設備之間的信息交換更加方便、靈活和快捷。MB-OFDM-UWB技術又是實現WPAN的最佳選擇之一，因此，在數字化無線家庭網絡、數字化辦公室、個人便攜設備和軍事等諸多領域都有著廣闊的發(fā)展和應用前景。
5 小結
MB-TFI-OFDM技術是UWB通信中一種新的實現方式，以它獨特的優(yōu)勢，將會促進MB-OFDM芯片的商業(yè)化和產品化進程，使得MB-OFDM方案得到了越來越多廠商的支持與應用，從而有希望成為WPAN物理層的標準技術。該技術仍處于起步階段，市場潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。我國應該抓住國際上UWB的研發(fā)熱潮，積極參與國際標準化活動，根據具有自主知識產權的技術制定我國的相關標準，積極開拓UWB技術的產業(yè)化道路。
