無(wú)線(xiàn)技術(shù)日趨發(fā)達(dá)的今天，各種各樣的無(wú)線(xiàn)終端和數(shù)碼設(shè)備等多媒體設(shè)備和應(yīng)用在不斷增加。數(shù)字高清電視、數(shù)字高清影碟機(jī)、數(shù)碼音響系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等都已經(jīng)進(jìn)入尋常百姓家，家庭市場(chǎng)對(duì)于這些多媒體設(shè)備間的高速無(wú)線(xiàn)互連的需求也更為迫切，人們的愿望已經(jīng)不單單局限于“連接”，而是希望有更高的速率。

便攜設(shè)備當(dāng)中日益強(qiáng)大的內(nèi)存功能、數(shù)字圖像及不斷增大的檔案容量，以及多媒體應(yīng)用中對(duì)更高質(zhì)量和更高清晰度圖像及影像的需求，都要求有更高的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)速率，同時(shí)要縮小設(shè)備的體積和降低功耗。但是傳統(tǒng)的技術(shù)方案顯然很難滿(mǎn)足家庭市場(chǎng)的特殊要求，廠(chǎng)商需要開(kāi)發(fā)新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)用于家庭網(wǎng)絡(luò)。

幾十年來(lái)，經(jīng)典的無(wú)線(xiàn)設(shè)計(jì)一直在數(shù)據(jù)速率、實(shí)施成本及系統(tǒng)總功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。家庭無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)比較特殊，因?yàn)樗瑫r(shí)要求高數(shù)據(jù)速率(支持多個(gè)數(shù)字音視頻流)、非常低的成本(以利于消費(fèi)者廣泛接受)，以及非常低的功耗(以便能嵌入到電池供電的手持設(shè)備)。超寬帶(UWB)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足家庭市場(chǎng)的這些特殊需求。

家庭的無(wú)線(xiàn)高速互連首先必須是無(wú)縫連接，最大程度地降低干擾，實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，滿(mǎn)足高清晰度電視、音響系統(tǒng)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等的音視頻數(shù)據(jù)流的需求。此外，它還應(yīng)能傳輸大容量的多媒體文件，如MP3曲目庫(kù)和MPEG電影文件等。

現(xiàn)在的消費(fèi)電子多以?shī)蕵?lè)為主，有很多是由電池驅(qū)動(dòng)的手持設(shè)備，成本也在不斷下降。另外，支持多個(gè)數(shù)字音視頻流的網(wǎng)絡(luò)互連要求更高的數(shù)據(jù)帶寬。數(shù)字顯示設(shè)備(等離子、液晶顯示器)、PDA和MP3播放器等全數(shù)據(jù)格式的設(shè)備，其數(shù)據(jù)率從數(shù)百kb/s(如MP3的數(shù)據(jù)率為320kb/s)，到幾十Mb/s(如MPEG2格式的DVD數(shù)據(jù)率為10Mb/s，而MPEG2 HD則高達(dá)25Mb/s)。要想為這些設(shè)備增加無(wú)線(xiàn)連接功能，必須做到速度快、功耗低和價(jià)格便宜。

在過(guò)去的一年里，超寬帶(Ultra Wideband，UWB)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在世界各國(guó)受到了普遍關(guān)注和研究開(kāi)發(fā)。超寬帶(UWB)系統(tǒng)目前被應(yīng)用于家庭娛樂(lè)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)連接，而且也非常適用于各種移動(dòng)設(shè)備和娛樂(lè)設(shè)備之間的連接，如手機(jī)和電腦等，被認(rèn)為是未來(lái)短距離高速無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的最佳解決方案之一。

圖1 基于全向天線(xiàn)的室內(nèi)UWB發(fā)射功率限制

圖1給出了FCC對(duì)室內(nèi)超寬帶UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率的限制。FCC的頻率規(guī)劃是將3.1～10.6GHz的頻段分給UWB的設(shè)備做帶內(nèi)頻段使用，而在這個(gè)頻率范圍之外的DS-UWB的發(fā)射是帶外的(OOB)且是無(wú)意發(fā)射，而且UWB系統(tǒng)不受瑞利衰落的影響。

目前提交給IEEE 802.15.3a的直接序列UWB(DS-UWB)方案將帶內(nèi)頻譜分為兩段，低頻段為3.1～4.9GHz，高頻段為6～10.6GHz。UWB以猝發(fā)的高碼片速率的沖激小波脈沖發(fā)射數(shù)據(jù)分組，其中直擴(kuò)序列中的一個(gè)“碼片”就是一個(gè)小波。小波的連續(xù)發(fā)射可以獲得很高的碼片速率。這些小波是由每碼片三個(gè)射頻周期組成的，小波之間的間隔為三個(gè)周期，使中心頻率恰好三倍于碼片速率。在DS-UWB方案中，高頻段與低頻段的波形看起來(lái)完全一樣，它們之間只是一種簡(jiǎn)單的2倍關(guān)系，即兩者的中心頻率與持續(xù)時(shí)間都是兩倍的關(guān)系，兩者都是采用三個(gè)周期的小波。

三周期小波的包絡(luò)通過(guò)濾波器整形以滿(mǎn)足FCC對(duì)帶外發(fā)射功率的限制。用反極性BPSK或QPSK調(diào)制小波來(lái)攜帶信息。數(shù)據(jù)比特通過(guò)一個(gè)白化器與前向糾錯(cuò)，這些經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼的比特被用來(lái)調(diào)制由L個(gè)碼片組成的符號(hào)，而這L個(gè)碼片對(duì)應(yīng)于L個(gè)長(zhǎng)度的符號(hào)碼。發(fā)射的符號(hào)根據(jù)前向糾錯(cuò)編碼比特的值被翻轉(zhuǎn)或者不翻轉(zhuǎn)，符號(hào)碼是三元碼{+1，0，-1}。通過(guò)改變符號(hào)長(zhǎng)度L及選擇BPSK、QPSK的調(diào)制方式來(lái)控制原始數(shù)據(jù)速率。

無(wú)線(xiàn)電通過(guò)由連續(xù)發(fā)射的一系列符號(hào)組成的數(shù)據(jù)分組來(lái)交流信息，數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)包括一些前導(dǎo)碼、頭比特及凈荷。前導(dǎo)碼由一個(gè)基于偽隨機(jī)噪聲序列的多項(xiàng)式和幀起始標(biāo)志序列組成，前導(dǎo)碼可用于時(shí)鐘捕獲及數(shù)據(jù)對(duì)齊，也可用于信號(hào)處理算法的訓(xùn)練，諸如Rake及判決反饋均衡。分組頭攜帶關(guān)于數(shù)據(jù)分組的有關(guān)信息，諸如凈荷長(zhǎng)度、凈荷所用速率(或碼長(zhǎng)及FEC速率)、確保數(shù)據(jù)完整性的校驗(yàn)和、接收機(jī)的地址等。最終的分組長(zhǎng)度取決于凈荷中包含的數(shù)據(jù)比特、FEC的速率、碼長(zhǎng)以及前導(dǎo)碼和分組頭的長(zhǎng)度。構(gòu)成數(shù)據(jù)分組的發(fā)射能量的猝發(fā)脈沖的長(zhǎng)度和占空比取決于分組大小，MAC開(kāi)銷(xiāo)及特定鏈路的吞吐量需求。最后，802.15.3a MAC層的協(xié)調(diào)器通過(guò)給每個(gè)鏈路分配時(shí)隙來(lái)管理數(shù)據(jù)分組的持續(xù)時(shí)間與相互間隔。對(duì)于相同的吞吐量與覆蓋范圍而言，射頻速率越高占空比越低，從而活動(dòng)因子越低而且總的容量越大。

DS-UWB被稱(chēng)為無(wú)載波技術(shù)有幾個(gè)原因。首先，其系統(tǒng)帶寬等于基礎(chǔ)小波或脈沖的帶寬。通常，基于載波的系統(tǒng)都采用具有固定帶寬的信號(hào)，而且通過(guò)與載波混頻可以將其搬移到任意中心頻率上。這種固定帶寬的搬移不同于DS-UWB的情形。DS-UWB與沖激UWB密切相關(guān)，基礎(chǔ)脈沖就是位于射頻RF并不需要頻譜搬移。其次，其系統(tǒng)帶寬并不固定，即帶寬并不是與中心頻率“載波“無(wú)關(guān)，而是與中心頻率成比例，因此并不是固定帶寬的信號(hào)做頻譜搬移。

最后，其帶寬與脈沖寬度或小波長(zhǎng)度成反比。DS-UWB技術(shù)指標(biāo)中的基礎(chǔ)脈沖或小波的長(zhǎng)度總是三周期，其結(jié)果是帶寬隨中心頻率的增大而增大。如以4GHz為中心的DS-UWB射頻帶寬為2GHz，而以8GHz為中心的DS-UWB射頻帶寬為4GHz，因?yàn)楫?dāng)中心頻率加倍，小波長(zhǎng)度減半，所以帶寬也隨之變化。小波長(zhǎng)度減半是因?yàn)樯漕l周期減半。選擇三周期長(zhǎng)的脈沖是為了產(chǎn)生3.1～4.9GHz帶寬，射頻周期數(shù)再少則生成發(fā)射帶寬就會(huì)太寬，射頻周期數(shù)再多則發(fā)射帶寬就會(huì)太窄。三個(gè)射頻周期恰好實(shí)現(xiàn)DS-UWB的雙頻帶的規(guī)劃。

雖然也可以將系統(tǒng)所使用的小波改成其他不同的周期數(shù)，但是將碼片速率與射頻中心頻率之間保持整數(shù)倍的關(guān)系是有好處的。碼片速率與射頻中心頻率之間的整數(shù)關(guān)系使得所有脈沖都完全一樣，就像脈沖是用經(jīng)典的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的一樣。整數(shù)關(guān)系的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)脈沖的積分都為零，即沒(méi)有直流分量。當(dāng)不是整數(shù)關(guān)系時(shí)，一些脈沖有正分量，一些脈沖有負(fù)的分量。在窄帶系統(tǒng)中，這點(diǎn)并不明顯，因?yàn)橹绷髌孟鄬?duì)于主要脈沖能量較小的緣故。窄帶系統(tǒng)在任何調(diào)制狀態(tài)變化之間都有很多射頻周期，因此通常忽略直流DC項(xiàng)。即便是在最壞的情況下，窄帶系統(tǒng)在其眾多射頻周期中也只1/2個(gè)周期會(huì)受到影響。例如，500個(gè)周期中的1/2個(gè)周期再加上緩慢的上升和下降沿其所占的比重遠(yuǎn)小于-30dB，一般可以忽略。但是對(duì)于DS-UWB而言，脈沖如此短以至于DC偏置的影響非常明顯。例如，一個(gè)周期信號(hào)積分所得DC分量比三周期脈沖全部的能量低8dB。除了DC分量，這些半周期或分?jǐn)?shù)周期瞬態(tài)過(guò)程也導(dǎo)致了頻譜擴(kuò)展噪聲，會(huì)屏蔽有用信號(hào)。整數(shù)關(guān)系強(qiáng)制BPSK調(diào)制僅在過(guò)零點(diǎn)處進(jìn)行，從而將頻譜擴(kuò)展最小化。

整數(shù)關(guān)系也有利于簡(jiǎn)化用于信號(hào)捕獲和跟蹤的硬件。保持整數(shù)關(guān)系甚至可以不使用中心頻率“載波”來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干解碼，就像非相干的方式一樣，只需要碼片速率。在典型CDMA系統(tǒng)中，碼片速率和符號(hào)速率均與射頻中心頻率無(wú)關(guān)。然而，DS-UWB固有的無(wú)載波特性，使得構(gòu)建DS-UWB系統(tǒng)的非常簡(jiǎn)單。在通常的CDMA系統(tǒng)中，必須使用多個(gè)跟蹤環(huán)來(lái)鎖定輸入信號(hào)，一個(gè)環(huán)用于鎖定載波。一旦載波被鎖定，另一個(gè)環(huán)就將鎖定碼片速率。因?yàn)镈S-UWB是無(wú)載波的，就無(wú)須載波跟蹤環(huán)。而只需要鎖定某一時(shí)鐘，即碼片速率或符號(hào)速率。其主要原理是因?yàn)樗袝r(shí)鐘都相關(guān)的，知道一個(gè)就知道所有的時(shí)鐘了。

最后還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，捕獲和跟蹤電路可以工作在頻率相對(duì)較低的碼片速率或符號(hào)速率上，而不是在射頻上，因?yàn)樗鼈兪窍嚓P(guān)的。例如，早期的DS-UWB概念驗(yàn)證系統(tǒng)，就是使用硬件實(shí)現(xiàn)的模擬編碼處理器，分析來(lái)自于天線(xiàn)的射頻信號(hào)，而這個(gè)處理器的輸出是脈沖重復(fù)頻率為符號(hào)速率的沖激脈沖串。這種情形下，DS-UWB只需要鎖定符號(hào)速率時(shí)鐘即可。跟蹤符號(hào)速率也是有其優(yōu)點(diǎn)的，因?yàn)榉?hào)信噪比遠(yuǎn)大于碼片的信噪比。