德州仪器DSPS研发中心/Anuj Batra, Jaiganesh Balakrishnan and Anand Dabak
有了UWB频谱，厂商就能发展新型无线个人局域网络(PAN)技术，并以低功耗和低成本实现高速无线通信。UWB承诺在真实世界的多路径环境里提供各种数据速率，其范围从10米距离的110 Mbps往上扩展到2米距离的480 Mbps；事实上，唯有UWB技术既能在近期内满足消费者对更高数据速率的无止境要求，又能继续做为低成本和低功耗的解决方案。
就应用观点而言，UWB技术的主要推动力之一是其 “免除缆线” 的能力；有了UWB技术的协助，消费者才有可能在购买高画质电视机并接上电源之后，立刻能让这部电视兼容于家庭娱乐中心的各种装置(例如：DVD、机顶盒、个人录像机、PlayStation游戏机等)，而不需要连接任何电缆线。UWB能做到这点的主要原因，是它可以支持很高的数据速率，并且利用网络联机品质(QoS)技术把这种高数据速率带到室内；事实上，UWB解决方案的初期工程样品已经问世，许多产品也已在2005年的消费电子展现身。
设计UWB系统的挑战
使用7,500 MHz频谱为高速无线UWB通信系统的设计带来些许挑战，其中最困难的部份为设计射频电路(低噪声放大器和混波器)、模拟基频电路(信道选择滤波器和可变增益放大器)、数字模拟转换器(DACs)以及模拟数字转换器(ADCs)。由于联邦通信委员会要求带宽在任何时间最少都要达到500 MHz，这些电路必须支持至少500 MHz的带宽，甚至可能一路往上扩大到7,500 MHz。这些电路所支持的带宽越大，其设计就越困难，功耗也必然增加，这些因素显示较理想的做法为使用较小的带宽。然而选择较小的带宽却会损及传送功率(图2清楚显示传送功率与带宽使用量有直接关系)，因此在设计UWB系统时，势必要在传送功率以及射频、模拟和混合信号电路的复杂性之间做出适当的取舍。
由于通信系统联机距离的长短，基本上是取决于所收集的多路径能量的多和少，因此高速UWB通信系统设计的另一项重要挑战，是从多个路径收集最多的能量。数种不同技术，例如单载波系统均衡器中的均衡器、耙式接收器(RAKE receivers)以及多载波系统的 “循环前缀” (cyclic prefix)和 “补零前缀”(zero-padded prefix)，可用来从多个路径收集能量。这些技术通常都在数字领域中实际操作。这样它们就可以很方便地利用日益精密的硅芯片技术。随着作业环境的不同，选择单载波或多载波系统时，必然要就复杂性做出取舍，应用和多路径环境会决定何种方法能提供复杂性较低的解决方案。
将7,500 MHz带宽配置给UWB有个主要的缺点，那就是它会涵盖多个已有其它用途的频带，包括U-NII和WiMax。设计人员必须考虑如何处理频带内其它装置产生的干扰问题，同时控制其本身对这些装置所造成的干扰。除此之外，频带外装置发出的噪声，也是所有UWB设计人员所必须解决的问题，因此UWB系统必须具备强大的窄频噪声抵抗能力，并同时与现有及未来的装置共存。
目前仅美国完成UWB频谱的配置及规范，这是UWB系统设计的另一项挑战。欧洲、日本、韩国和世界其它地区正在为UWB产品配置频谱，但相关规范仍未定案，这些地区最后所决定的频谱配置方式和发射限制值可能与美国所制定的有所不同，因此系统设计必须提供足够的频谱弹性。最好是只要透过简单的软件修改就能完成频谱调整，使得一套解决方案就能适用于全世界各地，而不需要修改任何硬件。
最后，就市场角度而言，UWB解决方案的必须符合低成本，其功耗也应能达到目标应用的要求，这些都是UWB系统要能在市场上成功所须的关键。
总而言之，要设计一套成功的高速UWB通信系统，这些挑战包括：
带宽最佳化：射频、仿真和混合信号设计与传送功率之间的取舍；
多路径能量的收集；
强大的窄频干扰抵抗能力，还能与现有及未来的装置共存；
频谱弹性和全球电信法规的兼容性；
复杂性及功耗限制。
脉冲无线电和多频带OFDM UWB系统概述
传统的UWB通信系统设计方法是采用脉冲无线电(impulse radio)，它会将信息放入极窄的时域脉冲，使用很窄的时域脉冲是为了产生够宽的频谱(通常等于或大于2,000 MHz)。在将信息位编码至很窄的时域脉冲前，通常会先透过很长的准随机序列或映像至多维度多信号群(multi-dimensional constellation)的方式将这些信息打散，例如使用M-ary 2位正交键控信号群(M-ary binary orthogonal keying constellation)。利用展频技术发展UWB通信系统的主要优点，在于这些技巧已广被了解，并在IEEE 802.11b等其它商用技术中获得证明。UWB论坛是脉冲无线电UWB技术的支持者，其所制定的UWB技术通常又称为 “单载波直接序列超宽带技术” (single-carrier direct-sequence UWB)。
新近的UWB通信系统设计方法则是以 “多频带正交分频调变” (multi-band OFDM)技术为基础，将频谱分成数个次频带，同时让每个次频带宽度都略大于500 MHz，以符合UWB信号要求。接着它会透过时间交错的方式(time-interleaved)，在各个次频带内利用很窄的时域OFDM符码传送信息(请参考图3)，使得无论任何时刻，传送信号都只局限在一个次频带。以时间交错方式利用多个次频带传送符码的主要优点，在于UWB系统可以传送同样的平均功率——就像它们在使用整个带宽，也就是次频带带宽乘上次频带数目所得到的带宽值。
多频带的好处是瞬间处理带宽很小(大约500 MHz)，这不但增加频谱的使用弹性和全球电信法规的兼容性，功耗及成本也会变得更低。因此采用OFDM的理由是其接收器收集多路径能量的效率相较于使用同样带宽的单载波系统为高。多频带OFDM联盟是多频带OFDM UWB技术的推动者。这两种技术都已提交给IEEE 802.15.3a工作小组审核，后面将根据带宽、多路径能量的收集能力和接收器复杂性，来比较这两种方法。
MB-OFDM与DS-UWB系统比较
仅仅就带宽最佳化、多路径能量收集能力和接收器复杂性等方面来比较多频带OFDM(MB-OFDM)系统和直接序列UWB(DS-UWB) 系统，并特别检测分析单载波直接序列UWB系统在1,368 MHz芯片速率(chip-rate)下，使用16 finger耙式接收器；多频带OFDM系统使用128点快速傅立叶转换(FFT)、60.6 ns补零前缀以及507 MHz瞬间操作带宽和1,521 MHz平均操作带宽。
带宽取舍
基本上，DS-UWB和MB-OFDM系统使用的平均工作带宽都一样，因此若忽略频谱可能出现的细微变动，这两种技术的传送功率其实相同。MB-OFDM解决方案的主要优点，在于其瞬间带宽无论何时都不会超过528 MHz，这表示基频通道选择滤波器和可变增益放大器所须支持的带宽，将远低于DS-UWB解决方案(相差约3倍)；除此之外，MB-OFDM的混合信号电路，特别是数字模拟转换器和模拟数字转换器，还能以低于DS-UWB解决方案的速率工作。虽然MB-OFDM解决方案所需的位数比DS-UWB解决方案多一个，但模拟数字转换器的功耗却至少能减少1.5倍以上。由此可见，MB-OFDM解决方案的带宽表现显然优于DS-UWB解决方案。
（详细内容请看8月刊……）
有了UWB频谱，厂商就能发展新型无线个人局域网络(PAN)技术，并以低功耗和低成本实现高速无线通信。UWB承诺在真实世界的多路径环境里提供各种数据速率，其范围从10米距离的110 Mbps往上扩展到2米距离的480 Mbps；事实上，唯有UWB技术既能在近期内满足消费者对更高数据速率的无止境要求，又能继续做为低成本和低功耗的解决方案。
就应用观点而言，UWB技术的主要推动力之一是其 “免除缆线” 的能力；有了UWB技术的协助，消费者才有可能在购买高画质电视机并接上电源之后，立刻能让这部电视兼容于家庭娱乐中心的各种装置(例如：DVD、机顶盒、个人录像机、PlayStation游戏机等)，而不需要连接任何电缆线。UWB能做到这点的主要原因，是它可以支持很高的数据速率，并且利用网络联机品质(QoS)技术把这种高数据速率带到室内；事实上，UWB解决方案的初期工程样品已经问世，许多产品也已在2005年的消费电子展现身。
设计UWB系统的挑战
使用7,500 MHz频谱为高速无线UWB通信系统的设计带来些许挑战，其中最困难的部份为设计射频电路(低噪声放大器和混波器)、模拟基频电路(信道选择滤波器和可变增益放大器)、数字模拟转换器(DACs)以及模拟数字转换器(ADCs)。由于联邦通信委员会要求带宽在任何时间最少都要达到500 MHz，这些电路必须支持至少500 MHz的带宽，甚至可能一路往上扩大到7,500 MHz。这些电路所支持的带宽越大，其设计就越困难，功耗也必然增加，这些因素显示较理想的做法为使用较小的带宽。然而选择较小的带宽却会损及传送功率(图2清楚显示传送功率与带宽使用量有直接关系)，因此在设计UWB系统时，势必要在传送功率以及射频、模拟和混合信号电路的复杂性之间做出适当的取舍。
由于通信系统联机距离的长短，基本上是取决于所收集的多路径能量的多和少，因此高速UWB通信系统设计的另一项重要挑战，是从多个路径收集最多的能量。数种不同技术，例如单载波系统均衡器中的均衡器、耙式接收器(RAKE receivers)以及多载波系统的 “循环前缀” (cyclic prefix)和 “补零前缀”(zero-padded prefix)，可用来从多个路径收集能量。这些技术通常都在数字领域中实际操作。这样它们就可以很方便地利用日益精密的硅芯片技术。随着作业环境的不同，选择单载波或多载波系统时，必然要就复杂性做出取舍，应用和多路径环境会决定何种方法能提供复杂性较低的解决方案。
将7,500 MHz带宽配置给UWB有个主要的缺点，那就是它会涵盖多个已有其它用途的频带，包括U-NII和WiMax。设计人员必须考虑如何处理频带内其它装置产生的干扰问题，同时控制其本身对这些装置所造成的干扰。除此之外，频带外装置发出的噪声，也是所有UWB设计人员所必须解决的问题，因此UWB系统必须具备强大的窄频噪声抵抗能力，并同时与现有及未来的装置共存。
目前仅美国完成UWB频谱的配置及规范，这是UWB系统设计的另一项挑战。欧洲、日本、韩国和世界其它地区正在为UWB产品配置频谱，但相关规范仍未定案，这些地区最后所决定的频谱配置方式和发射限制值可能与美国所制定的有所不同，因此系统设计必须提供足够的频谱弹性。最好是只要透过简单的软件修改就能完成频谱调整，使得一套解决方案就能适用于全世界各地，而不需要修改任何硬件。
最后，就市场角度而言，UWB解决方案的必须符合低成本，其功耗也应能达到目标应用的要求，这些都是UWB系统要能在市场上成功所须的关键。
总而言之，要设计一套成功的高速UWB通信系统，这些挑战包括：
带宽最佳化：射频、仿真和混合信号设计与传送功率之间的取舍；
多路径能量的收集；
强大的窄频干扰抵抗能力，还能与现有及未来的装置共存；
频谱弹性和全球电信法规的兼容性；
复杂性及功耗限制。
脉冲无线电和多频带OFDM UWB系统概述
传统的UWB通信系统设计方法是采用脉冲无线电(impulse radio)，它会将信息放入极窄的时域脉冲，使用很窄的时域脉冲是为了产生够宽的频谱(通常等于或大于2,000 MHz)。在将信息位编码至很窄的时域脉冲前，通常会先透过很长的准随机序列或映像至多维度多信号群(multi-dimensional constellation)的方式将这些信息打散，例如使用M-ary 2位正交键控信号群(M-ary binary orthogonal keying constellation)。利用展频技术发展UWB通信系统的主要优点，在于这些技巧已广被了解，并在IEEE 802.11b等其它商用技术中获得证明。UWB论坛是脉冲无线电UWB技术的支持者，其所制定的UWB技术通常又称为 “单载波直接序列超宽带技术” (single-carrier direct-sequence UWB)。
新近的UWB通信系统设计方法则是以 “多频带正交分频调变” (multi-band OFDM)技术为基础，将频谱分成数个次频带，同时让每个次频带宽度都略大于500 MHz，以符合UWB信号要求。接着它会透过时间交错的方式(time-interleaved)，在各个次频带内利用很窄的时域OFDM符码传送信息(请参考图3)，使得无论任何时刻，传送信号都只局限在一个次频带。以时间交错方式利用多个次频带传送符码的主要优点，在于UWB系统可以传送同样的平均功率——就像它们在使用整个带宽，也就是次频带带宽乘上次频带数目所得到的带宽值。
多频带的好处是瞬间处理带宽很小(大约500 MHz)，这不但增加频谱的使用弹性和全球电信法规的兼容性，功耗及成本也会变得更低。因此采用OFDM的理由是其接收器收集多路径能量的效率相较于使用同样带宽的单载波系统为高。多频带OFDM联盟是多频带OFDM UWB技术的推动者。这两种技术都已提交给IEEE 802.15.3a工作小组审核，后面将根据带宽、多路径能量的收集能力和接收器复杂性，来比较这两种方法。
MB-OFDM与DS-UWB系统比较
仅仅就带宽最佳化、多路径能量收集能力和接收器复杂性等方面来比较多频带OFDM(MB-OFDM)系统和直接序列UWB(DS-UWB) 系统，并特别检测分析单载波直接序列UWB系统在1,368 MHz芯片速率(chip-rate)下，使用16 finger耙式接收器；多频带OFDM系统使用128点快速傅立叶转换(FFT)、60.6 ns补零前缀以及507 MHz瞬间操作带宽和1,521 MHz平均操作带宽。
带宽取舍
基本上，DS-UWB和MB-OFDM系统使用的平均工作带宽都一样，因此若忽略频谱可能出现的细微变动，这两种技术的传送功率其实相同。MB-OFDM解决方案的主要优点，在于其瞬间带宽无论何时都不会超过528 MHz，这表示基频通道选择滤波器和可变增益放大器所须支持的带宽，将远低于DS-UWB解决方案(相差约3倍)；除此之外，MB-OFDM的混合信号电路，特别是数字模拟转换器和模拟数字转换器，还能以低于DS-UWB解决方案的速率工作。虽然MB-OFDM解决方案所需的位数比DS-UWB解决方案多一个，但模拟数字转换器的功耗却至少能减少1.5倍以上。由此可见，MB-OFDM解决方案的带宽表现显然优于DS-UWB解决方案。
（详细内容请看8月刊……）
