超寬帶無線技術UWB在家庭中應用

　　一、概述



　　UWB技術是一種與其它技術有很大不同的無線通信技術，它將會為無線局域網LAN和個人域網PAN的接口卡和接入技術帶來低功耗、高帶寬并且相對簡單的無線通信技術。UWB適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。超寬帶(UWB)原來專屬軍方使用的技術，2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會FCC正式將其解禁。UWB自問世后一直被看作是藍牙技術的替代品，它可以讓電腦或其它電子通信產品之間通過無線互傳信息，速率達到480Mbit/s，比藍牙高的多，且傳輸距離不超過10米。UWB的主要市場在家庭，與其他無線技術WLAN、藍牙相比，具有一定"相容"性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點使得UWB較適合家庭無線消費市場的需求，例如取代USB作為外設的接口、把DVD機播放的視頻流傳輸到隔壁房間的電視或PC機上、在小型公司內部進行數據傳輸等。據預測，家用市場將是UWB大顯身手的舞臺。



　　而在目前，摩托羅拉、Intel、德州儀器、意法半導體以及日韓一些廠商已推出UWB芯片和相關產品。飛思卡爾半導體在上海舉行第二屆無線多媒體論壇，探討無線連接和多媒體技術的最新發(fā)展趨勢。作為摩托羅拉集團的全資子公司，飛思卡爾半導體在會上展示了業(yè)界唯一實現(xiàn)正常操作的UWB方案和最新的移動多媒體技術。據飛思卡爾半導體技術人員介紹，目前海爾、三星和Global Sun等公司已采用飛思卡爾半導體的UWB技術在手持攝像機與等離子電視之間實現(xiàn)無線視頻流傳輸。在國內，海爾與飛思卡爾半導體日前在北京科技活動周上展示了利用UWB技術在便攜式攝像機和等離子電視顯示器之間的無線連接。



　　據報道，日本的情報通信綜合研究所(NTCT)日前利用其試制的UWB無線傳送裝置成功進行了速率最大為320Mbit/s的數據傳送試驗。試驗中傳送了DVD圖像流，并在接收端上進行了播放。這是日本國內首次利用UWB無線傳送圖像的試驗。而在2004年4月，英特爾于進行了速率為480M bit/s的無線傳送試驗。



　　UWB技術之所以目前會引起人們的高度重視，是因為與其他寬帶技術相比，它具備下列優(yōu)點：



　　1、低耗電量



　　典型的無線局域網絡產品(Wi-Fi)耗電量約為33～100毫瓦(milliwatts)，而UWB一般來說都不超過200微瓦(microwatts)，即可進行高速傳輸，尚不及Wi-Fi的千分之五，因此極為省電(Time Domain宣稱其UWB芯片耗電量僅50～100微瓦)。




　　2、具高度安全性


　　UWB的脈沖非常短(通常不超過十億分之一秒)，也非常弱(遠小于一般家電)，因此在極廣的頻段間傳輸時，非常難以被偵測，同時其收發(fā)器之間由事先確認的辨識方式進行轉換，接收端必須知道傳送端的脈沖序列(Pulse Sequence)，方能正確收到訊號，因此具備高度的安全性。



　　3、高速傳輸



　　許多廠商的第一代技術都可達到100Mbps的速度，例如：XtremeSpectrum宣稱其產品可在10公尺的距離，提供100Mbps的傳輸速度；Intel的UWB原型產品的傳輸速度可輕易達到100Mbps。而Time Domain甚至已開始研發(fā)可達數百Mbps的第二代UWB芯片，因此可滿足高容量的多媒體串流傳輸應用。



　　4、不易產生干擾



　　由于UWB的脈沖非常短，頻段非常寬，因此能避免多路徑傳輸的訊號干擾問題，同時短而弱的脈沖也使UWB與其它無線通訊技術(行動電話、802.11x、微波等等)間產生干擾的可能性大幅降低，因此可與其它技術共存。



　　5、精準的定位功能



　　UWB系統(tǒng)具備良好的時間解析能力，使其能發(fā)展出精確的測距能力與定位功能，因此過去軍方即將其用在雷達的偵測系統(tǒng)上。而定位能力的確為UWB獨到之處，使其可以將通訊與距離偵測進行結合，而發(fā)展出新型態(tài)的應用領域，包括建立高度安全、較佳效能的網絡架構，以及精準的存貨追蹤管理。而在商業(yè)用途上，精準的定位功能將可應用到企業(yè)的倉儲管理上，協(xié)助物料與資材的追蹤定位。舉例來說，波斯灣戰(zhàn)爭時，美國一艘后勤補給艦上至少放置4萬個容器，當時因缺乏有效的倉儲管理系統(tǒng)，因此物資誤置與遺失所造成的損失高達300億美元，去年曾有廠商模擬當時的環(huán)境來進行UWB定位追蹤測試，結果顯示在開放空間內的誤差值可降低到2步的距離，未來將朝誤差值在1步的目標努力。



　　6、低成本的芯片結構



　　由結構上來看，UWB芯片所需的成本應低于使用載波傳輸的無線通訊技術。由于UWB直接采用二進制的傳輸方式，因此可將零組件大幅減少為四個(射頻、基頻、天線、內建的軔體與通訊協(xié)議)，而且UWB的射頻收發(fā)器架構很簡單，相較于Wi-Fi，UWB的芯片不需經過RF/IF的轉換步驟，不需要本地振蕩源(Local oscillator)、混波器(mixer)，以及802.11x常用的超外差所需額外的表面聲波濾波器(SAW filters)。除此之外，也可將射頻設計成不需要功率放大器，同時也可以使用CMOS制程，因此具備低成本的芯片結構。



　　二、UWB技術在家庭中應用



　　UWB 是一項正迅速發(fā)展的新技術，它將顯著改善消費者的家用娛樂產品體驗。消費者開始利用家中的 PC 及膝上型電腦享受無線技術的優(yōu)勢，而且很快無線技術的優(yōu)勢就會讓家庭中的娛樂產品也受益。UWB 將實現(xiàn)速度高達每秒 110Mbit乃至更快的無線連接，使其非常適合連接電視與 DVD 播放機和錄像機、個人視頻記錄器 (PVR) 以及家庭音響設備。



　　UWB適用于兩類家庭消費電子的應用。一類是房間范圍的應用，例如機頂盒和DVD 播放機到數字電視的無線連接，這一類應用需要至少每秒 20-28Mbit的傳輸速率，如要實現(xiàn)畫中畫功能則需要每秒 56Mbit的傳輸速率, 另外還需要7-10米的距離實現(xiàn)多個通道的傳輸。另一類是桌面的應用，例如PDA，手機和數碼相機與PC機的同步，在PC機實現(xiàn)視頻編輯等。這一類應用一般只需要支持2-4米的傳輸距離，但對傳輸速率的要求非常高，有時候需要高至每秒480Mbit的傳輸速率。



　　UWB 有望滿足家庭消費者的其它重要需求。有線與衛(wèi)星供應商正推出越來越多的高清電視廣播，它通常需要標清信號五倍左右的帶寬。UWB 具有每秒 110Mbit 的數據傳輸速率以及 10 米的傳輸距離，因此只有它才能在住宅的幾乎所有空間內實現(xiàn)從機頂盒向電視顯示器無線傳輸高分辨率視頻流的功能。這使得消費者無需為每臺電視都添置新的機頂盒，即可讓家中的多臺電視都接收到高清節(jié)目的原始來源。



　　實現(xiàn)家庭娛樂系統(tǒng)的互聯(lián)還意味著提供極高的信號質量。盡管在類似 PC 的應用中無線文件傳輸可以容許吞吐能力的暫時下降，但向電視顯示器傳輸無線信號就不能出現(xiàn)這種情況，否則消費者就會馬上拋棄這種技術。UWB 將提供所需的高質量信號。在起居室這樣活動密集的地方，它也將是強大可靠的，即便家里的小狗在攝像機與電視之間到處亂走也能保持很高的圖像質量。此外，不論信號源到顯示器之間是否可以直視，只要消費者把它們放在 10 米之內的任何地方，具備 UWB 功能的產品都能夠毫無問題地工作。UWB 還必須與家庭中的其它無線產品(如 Wi-Fi 家庭網絡以及無繩電話等)和平共存。



　　目前在UWB的標準制定方面，還存在兩大陣營。一方是以Intel、Microsoft等公司為首，包括了全球絕大多數的軟硬件供應商；另一方則是以Motorola為首的三家公司。但這并不表明誰就會在不久的將來勝出。我們相信在很長的一段時間里，這兩種標準將會共存。但對于用戶來說，不用擔心這個問題。正如CDMA和GSM手機，用戶在使用時其實并不能感覺到她們的區(qū)別，真正的區(qū)別只存在于運營商和設備供應商那方面。



　　UWB是一種令人興奮的無線通信系統(tǒng)設計方法。它是唯一能夠滿足成本和性能要求的無線技術，其連接性能可與有線連接相媲美。借助UWB技術，客戶可在家中建立個人區(qū)域網(PAN)，實現(xiàn)房間覆蓋。結合使用網狀網絡或銅線/同軸電纜回程技術，它甚至能夠覆蓋整間房屋。UWB能夠滿足家用設備市場的如下要求：



　　*提供高速率的數據傳輸：在10米范圍內提供100Mbps以上的速率(家庭娛樂需要100Mbps以上的速率)。



　　*低能耗需要：200mW下發(fā)射和接收功率。



　　*與同等成熟度的藍牙技術相比，其成本仍然相對較低。



　　與使用窄帶調制載波來傳輸信息的傳統(tǒng)無線系統(tǒng)有所不同，UWB使用一系列極窄的低功率脈沖，在廣泛的無線頻譜范圍內傳輸。與傳統(tǒng)窄帶無線解決方案相比，UWB解決方案的頻譜范圍更廣，并可降低能耗，傳輸脈沖數據，這意味著它可以顯著減少干擾。UWB能在室內無線環(huán)境中提供可與有線連接相媲美的連接性能。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準UWB在美國投入商用。FCC最關注的問題是可能存在的干擾。UWB之所以得到FCC認可，很大程度上是因為它將產生干擾的可能性降至最低。



　　UWB使用戶無需通過錯綜復雜的線路來連接家庭電腦/手提電腦、鍵盤、顯示器、揚聲器、打印機、掃描儀、鼠標、電視等設備。借助UWB，用戶甚至沒有必要將所有這些設備都安裝在同一個房間內。用戶能通過UWB實現(xiàn)以下功能：



　　*無需使用電纜，即可建立家庭影院，可將內容傳輸到房屋中的任何一臺電視機。



　　*將圖像從數碼相機即時傳輸到個人電腦/手提電腦、電視或其他顯示設備上。可能需要照片處理設施，對圖像進行處理和傳輸。



　　*只要MP3播放器進入個人電腦/手提電腦、家庭影院MP3服務器的覆蓋范圍，即可傳輸數兆的MP3音頻。



　　*無需連接線路，即可連接視頻游戲控制臺、多個操作桿/控制器和顯示設備。



　　*向個人手持媒體播放器(PMP)傳輸數字媒體文件，如完全長度的電影，只需幾秒時間即可完成，供用戶在旅途中欣賞。



　　*無線連接多種工作設備，例如手提電腦、PDA和投影機，辦公室的人員能夠坐在會議室中，無線共享帶有圖像和音頻的演示。




　　直接序列超寬帶技術(DS-UWB)，作為使用戶享受UWB的所有益處的最佳途徑。在家庭環(huán)境中，很多因素都會影響無線電波的傳輸，例如在家具上折射、其他無線信號(如無線電話、無線局域網)的干擾。這些因素會導致嚴重的信號質量問題。 DS-UWB利用可能的最大帶寬，生成最短的脈沖。這種方法可以確保順利進行連接，讓設備能夠清楚地"知道"其他設備的位置，最大程度地提高連接性能和服務質量(QoS)。



　　UWB芯片集一般具備以下特性：



　　*提供多種可選的數據速率，包括29Mbps、57 Mbps、86 Mbps和114 Mbps。它是提供大型文件、音頻和視頻內容的強大解決方案。



　　*支持IEEE802.15.3流式媒體協(xié)議。



　　*實現(xiàn)性能可與有線連接相媲美的高清晰視頻應用。



　　*在3.3V條件下的能耗為200mW，最大限度地降低電池供電產品的能源需求。



　　*與IEEE802.11b/a/g協(xié)議、藍牙技術、GPS以及所有美國無線系統(tǒng)共存。



　　*運用經濟高效的0.18μm CMOS和SiGe技術構建。



　　最終用戶可能會關心UWB與其他連接技術的關系。在數字連接技術中，無外乎有線的1394b和USB2.0，以及無線的Wi-Fi 和藍牙。Wi-Fi 和藍牙由于其傳輸速率的限制，只能應用于數據網絡，而無法滿足消費電子的需求。在有線連接方面，USB更適合于電腦及其周邊設備，只有1394b與UWB處在相同的應用層面。究竟是用無線的UWB還是有線的1394b，取決于實際情況。例如，1394b需要布線(很便宜的非屏蔽5類雙絞線即可)，對于新裝修的家庭是一個很好的選擇；但對于舊的家庭裝修，UWB則更為適宜。在技術層面上，UWB基本是從無線1394技術發(fā)展而來，所以用戶也沒有必要擔心這兩種接口之間的兼容性。



　　Wireless USB是一種無線接口標準，目標是以無線取代目前的USB連線。無線技術方面將使用超寬帶近距離高速通信技術"UWB"。目標傳送速度為USB2.0的最大通信速度480Mbit/秒。業(yè)界分析人士認為，某種形式的UWB無線技術將取代USB成為PC的外設接口，并成就新一代無線設備，UWB年底就緒，有望取代USB成外設標準接口。



　　三、小結



　　一個只用于10米范圍之內，傳輸速率卻達到幾百兆的無線通信技術正在引起不僅僅是摩托羅拉、Intel通信巨頭的關注，也使家電廠商們看到了信息家電未來的美好前景。UWB本來是為軍事目的而開發(fā)的，而巨大的商機使FCC批準其民用，并將3.1GHz～10.6GHz作為UWB頻帶。UWB被批準民用后，眾多家電廠商和個人電腦廠商蜂擁而上進行產品開發(fā)。



　　UWB可用于數字電視、投影機、攝錄一體機、PC機、機頂盒之間傳輸可視文件和數據流，或者筆記本電腦和外圍設備之間實現(xiàn)局部連接構成個人局域網(PAN)�？傊�，UWB可定位于家用類設備和終端間的無線連接。眾多的家電類設備，決定了UWB的應用范圍相當廣泛。當然，UWB作為民用技術還是一項新技術，還有一些實際問題，如安全問題、干擾問題等有待解決。預期在2004年底之前，市場上將可以看到一些UWB的設備出售。而UWB真正成熟并進入市場將會在2005年的下半年。UWB 清楚地展示了家用電子設備更為簡便時代的未來前景。業(yè)界必須通過提供標準與技術共同努力實現(xiàn) UWB 的潛力，它將使未來家庭電子產品消費者的生活更簡便，到那時將有更豐富的產品及特性可供選擇。



摘自　天極網