超寬頻技術的展望

超寬頻技術的展望
新通訊 2004 年 5 月號 39 期
文．Charles Razzell
超寬頻技術的發展模式類似展頻無線電-有一段很長的時間被歸類為軍事技術，但如今極有可能擴展至一般消費性產品領域...
超寬頻技術的發展模式類似展頻無線電-有一段很長的時間被歸類為軍事技術，但如今極有可能擴展至一般消費性產品領域。根據最新的美國聯邦通訊委員會 (FCC)的定義，超寬頻(UWB)系統的中心頻率大於2.5GHz，並具備至少500MHz的-10dB頻寬。頻率較低的UWB系統必須具備至少20% 的頻寬比(fractional bandwidth)。這些特性讓UWB明顯異於傳統的無線電系統，以往的無線電系統的頻寬比不會超過1%或20MHz，例如像2.4 GHz的IEEE 802.11無線區域網路。
UWB的歷史可回溯至60年代，當時發展的主軸為研究微波網路在面對時域脈衝所產生的瞬間行為。在Harmuth、Ross、以及Robbins等研發先鋒的努力下，UWB技術在70年代有重大的發展，其中大部份集中在雷達系統，包括穿地雷達系統。到80年代後期，該技術開始被稱為無載波或脈衝無線電。美國國防部在1989年首次使用「超頻寬」這個名詞，在當時UWB的理論與技術已經發展將近30年之久。自從1994年開始，美國大部份的UWB研發工作都是在沒有分類限制的狀況下進行。這種情況大幅加快研發的速度，業界對其商業化發展的興趣亦大幅提高。
其中有2項發展激發商業界對這項技術的興趣，包括UWB系統可以與其它使用較高頻譜密度的通訊系統並存，而且不會對其它系統產生干擾；另外FCC於 2002年2月14日發佈的02-48號報告與規範，定義各項並存規則，其中包括針對各種類型的UWB裝置制定電波發射限制。這套法律架構針對各種專利型 UWB裝置立即開拓市場商機，長期而言，市場對標準型產品也有更強烈的興趣。
由於UWB種類眾多，因此潛在的用途也相當廣泛。其中包括無線區域網路(WLAN)、個人區域網路(PAN)、短距離雷達(例如汽車感測器、防撞系統、智慧型高速公路感測系統、液態物體水位偵測系統)、穿地雷達、以及應用在醫療監視與運動員訓練等領域的人體區域網路。
本文主要討論UWB的連結應用，由於FCC對UWB設定功率頻譜密度的限制，因此早期的發展主要集中在傳輸距離約10公尺的無線PAN，其資料傳輸速度為 110Mbps至480Mbps。如此高速的傳輸能力可輕易讓客廳中的娛樂系統(例如DVD、衛星/有線電視的視訊轉換器、電視螢幕、以及環繞立體聲音響)建立起多媒體傳輸的管道。
此外，我們可輕易預見到包括數位相機、掃描器、印表機、攝錄影機、以及MP3播放器等裝置，未來將能與消費性PC建立無線連結，讓配備有線型USB2.0 或IEEE 1394介面的裝置擴增其應用價值，也許有一天會讓有線連結技術完全被淘汰。多個房間的應用模式亦是可能發生的場景之一，未來可能會運用多重轉接站的技術來克服10公尺的距離限制。
UWB的調變範圍超過20%的頻寬比或500MHz，因此目前許多訊號產生機制就屬於UWB。包括直接序列展頻、極窄型脈衝(也稱為脈衝無線電)、正交分頻多工(OFDM)。以上這些機制亦可以結合跳頻技術進一步擴大頻譜範圍，進一步掌握訊號處理的需求。所有這些技術的衍生版本都是根據IEEE 802.15.3a的無線個人區域網路實體層標準作為基礎。
直接序列UWB
產生UWB訊號的一種方式就是透過展頻訊號碼傳遞資訊位元，這種系統被視為CDMA(分碼多工存取)的極端型式。802.15.3a其中一項提案就是使用長度為24的三元碼( ±1, 0)字元，將資料在1.368GHz的晶片速度下進行展頻。32碼的字元被切分成4組8碼字元，讓4組piconet能同時運作。每個piconet的8 碼字元能設定成正極性或負極性，建構出16字元的字元集，或是每個字元有4個位元來搭配雙相位調變機制。長度為24字元的序列在piconet之間提供約 14dB的隔離效果。
IEEE在這個提案中每個晶片的脈衝波型為傳統的根升餘弦曲線。以往研發業者在序列中的每個晶片中採用一組窄波段單脈衝來描述系統，故能達到更大的能量分佈效果。
OFDM UWB
正交分頻多工技術被應用在許多寬頻通訊系統，這類具備多重頻道的系統需要極高的資料傳輸速度。最顯著的例子就是IEEE 802.11a無線區域網路標準，802.11a佔用16.6MHz的頻寬，每一百萬分之4秒傳送48組承載資訊的獨立字元(symbol)。在10公尺傳輸距離下，UWB頻道在最壞狀況的r.m.s.延遲為25ns，遠低於無線區域網路的150ns至200ns。這讓字元週期能大幅縮短，因此不必大幅提高FFT高速傅立葉轉換的參數就能提供500MHz的傳輸頻寬。
另一項IEEE 802.15.3a提議就是採用128組長度242.4ns的OFDM字元來使用528MHz的傳輸頻寬。之後再套用一套跳頻機制，讓所有佔用頻寬提高3 倍，增加至1.6GHz。週期前置字元(cyclic prefix)會增加60.6ns的作業時間以及9.5ns的保護時間，讓每個頻率的總間隔時間(dwell time)變成312.5ns，每個子載波採用的調變機制為QPSK。這種機制的頻譜如圖1所示。
選擇適合的字元長度運用OFDM機制，能讓UWB無線PAN達到預期的多重頻道傳輸效能。然而，運用3頻道跳頻機制所得到的頻寬擴充幅度，可能無法為同一個實體位置中多個未經協調的piconet網路提供足夠的隔離效果，無法有效達到頻譜分配的目標。要改進這方面的缺點，跳頻模式的頻率數量必須提高。
脈衝無線電UWB
脈衝無線電系統使用一連串的短脈衝來建構單一基本脈衝波型。脈衝短波長度為0.2ns至1ns，脈衝重複間隔可至25ns至1ms。這種模式讓每個脈衝之間出現較長的無訊號狀態，讓每個頻道脈衝反應能逐漸衰減至零，並將字元間干擾降至可忽略的程度，因此不需要使用等化器。有許多不同的方法可用來調變傳遞資料的脈衝訊號，這些方法有其中一項顯著的共同點，就是脈衝列(pulse train)不必轉換成較高的載波頻率然後再進行傳輸；因此這種模式使用「無載波」無線電機制。
調變技術包括脈衝位置調變與各種脈衝振幅調變，其中包括開關鍵控以及極性鍵控。這些過程會採用各種脈衝波型，其中包括高斯脈衝的第1導函數與第2導函數，如圖2所示。當頻譜必須相當接近特定的頻譜才能配合法律規範時，就需要達到更複雜的脈衝波型。
在脈衝無線電機制方面要考量的一項重點，就是若接收器使用的是分散的能量(dispersed energy)，頻道脈衝反應就需要相當長的匹配過濾器。
這類長型匹配過濾器以及頻道預測機制的成本與複雜度，需要設定適當的tap加權參數，但這樣一來就違背脈衝無線電技術原先要簡化處理流程的本意。
多頻帶UWB(跳頻)
在數Giga Hertz的頻譜上直接建立UWB訊號所衍生的各種建置問題，可以執行一套2階段的步驟加以解決，首先建立一套佔用500MHz頻寬的調變機制，其次針對訊號套用跳頻技術得到最終的傳輸頻寬。上述所有調變機制都可再套用跳頻機制來擴增頻寬。這種模式成為業界所稱的多頻帶UWB，最近更獲得許多著名廠商的支持，可參考www.uwbmultiband.org。
總結而言，跳頻序列應事先決定，且每個piconet都採用不同的設定。這種作法讓多組piconet能使用相同的頻譜，且能限制碰撞的次數。相反地，若多組並存的piconet不需要以跳頻來改變次序，則可用來轉換調變資訊(雖然這種模式在每個頻帶需要多組平行的接收器)圖3。
多頻帶模式的重點包括擴充性與彈性。其利益可歸納如下:
‧規範上的彈性(符合FCC在發射方面的規範以及地域和未來政府單位所制定的法規限制)
‧抗干擾性(例如，能彈性地避免802.11a所使用的頻帶)如圖4所示。
‧在成本與功耗上的可調整性。實際能力與使用次頻帶的數量以及啟用次頻帶的數量有關。
UWB與標準化在美國的進展
第一個被排除的主要障礙為美國聯邦通訊委員會解除UWB傳輸在某些方面的限制。頻譜發射上的解禁尤其對高速PAN應用的發展特別有利，這類應用涉及影像與多媒體，並已透過IEEE工作小組制定的802.15.3a規格所標準化。工作小組已在2002年12月11日接獲IEEE標準委員會的核准，認定新標準符合5項審核準則，例如廣泛的市場發展潛力、相容性、明確的定位(代表它涵蓋其它標準所沒有具備的獨特基礎)、技術上的可行性、以及經濟上的可行性。 TG3a計畫的時間藍圖已確定，約有20家廠商於2003年3月於達拉斯提出實體層方案。更新版的實體層方案在5月的802.15.3a會議中提出，並將在今年7月於舊金山舉行的IEEE會議中進行決選。如此緊湊的標準化時程反映出下一波支援高速無線功能的數位多媒體消費性裝置，的確潛藏著極可觀的市場商機。
儘管在無法預測的一段時間內，標準化程序是決定消費者是否會採納UWB技術作為家庭多媒體連線機制的關鍵因素。但彼此未經協調的UWB piconet之間是否能並存運作同樣也會產生決定性的影響。面臨這種環境加上包括Philips在內各大廠商的投入，業界有相當大的動力去找尋一套方法，以能夠吸引最終使用者的價位推出標準化的產品。
(本文作者為Philips通訊事業群系統架構部門經理)
直接序列超寬頻技術的低功耗、高速、可擴充特性分析
儘管直接序列超寬頻(DS-UWB)技術還沒有完全投入實際應用，但其固有的優越性能已經得到業界的關注，該技術具有良好的可擴充性、低功耗特性、高速數據傳輸能力以及距離特性，適合於室內多媒體分佈應用和手持無線數據傳輸應用。本文詳細介紹了DS-UWB技術的這些性能特點。
直接序列超寬頻(DS-UWB)技術目前處於IEEE 802.15.3a任務組的標準化考慮之中。這種技術充分利用超寬頻(UWB)技術的固有優勢，以提供比其它方法更卓越的性能和可擴充性。
DS-UWB的實體層(PHY)已經過仔細設計，可以支援正開發中的UWB標準將提供的關鍵應用。這些關鍵應用可以分成兩個有明顯不同要求的類，即無線室內視訊分佈應用和手持應用。無線室內視訊分佈應用的特點是要求高數據速率、支援多用戶、性能穩定，沒有嚴格的低功耗要求。相較之下，手持應用類對低成本和低功耗的要求很嚴格，而且還需要可擴展到極高數據速率(1Gbps以上)的擴展能力。S-UWB實體層提案已提交給IEEE，它將使15.3a標準UWB設備既提供高性能，又能提供高速率手持應用所需的低功耗/成本的可擴展特性。
在2002年2月，美國聯邦通訊委員會(FCC)為新一類基於超寬頻技術的免許可證無線設備打開大門。新規則專門用來鼓勵開發能充分利用超寬頻技術固有優勢的UWB設備，以現實短距離高速無線聯網、精確測距和定位等應用。FCC允許這些設備使用現有無線服務所佔的頻帶，但是要在極其低的功率水準下執行，以避免出現任何有干擾。
使高速數據傳輸成為可能
如上所述，DS-UWB提案的設計目的是滿足更大範圍的無線應用需求，包括無線室內音訊/視訊分散式和行動/手持應用。為在這些應用中提供有效的可擴展性，必須既利用RF多徑環境的自然可擴展性，又要利用真正UWB設計本身優勢。
也許UWB應用最艱難的設計挑戰是設計一個可以擴展的系統，支援的速率能擴展到1Gbps以上，同時仍可以獲得一個極低功耗的實現方案。為滿足高速、低功耗設計要求，DS-UWB技術的設計曾經非常依賴於非常簡單的二進制移相鍵控(即BPSK)調變技術，以及採用適度的前向糾錯技術。
這種簡單的BPSK調變採用非常短(小於1ns)的寬頻脈衝，使得DS-UWB無線發射器極其簡單。它完全不需要產生較多功耗的快速傅立葉變換或高速DAC(像某些窄頻方法那樣)，因而使設備在幾公尺範圍內的發射數據速率達到1Gbps以上，而發射功耗卻非常低。這個速度對於需要支援高速數據傳輸的多媒體播放器和其它電池供電的手持式消費電子設備是必需的。例如，一個手持式多媒體播放器傳輸一個500MB的電影文件，如果相應的無線鏈接可以提供1Gbps以上的數據傳輸速率，那麼這樣一個無線文件傳輸可以在幾秒內完成。
低功耗和可擴充性
對許多採用傳統窄頻技術的無線設備來說，比如OFDM，通常需要相當複雜的接收器設計，以便用高速的快速傅立葉變換(FFT)完成解調，並用強大的前向糾錯解碼來補償嚴重的多徑衰減(20dB或更高)。這些處理模組所需的複雜設計可能要增加上萬個邏輯閘，而且會使功耗大幅上升。DS-UWB方法避免了這些複雜設計，它利用了UWB技術固有的優勢。因為對超寬頻訊號而言，接收的訊號功率只會有微小的波動(僅幾個dB)，所以DS-UWB接收器可以使用相對簡單的FEC解碼器(其複雜度只是其它方法的一半)。事實上，距離較近時，DS-UWB系統甚至可以完全不需要FEC，這樣就可以消除FEC解碼器，而且大幅降低了接收器的功耗。
DS-UWB方法的另一個關鍵優勢就是它利用了該應用和本地無線電環境的自然擴充特性來降低接收器的複雜度。對許多UWB應用來說，比如說需要100Mbps以下速率的串流視訊和多媒體，該DS-UWB接收器可以在較低的速率下完成其全部處理任務。例如，兼有多徑訊號能量的處理可以按照DS-UWB應用的數據速率成比例地減慢執行。對於像OFDM等其它方法，無線接收器總是不得不執行在高速率下(例如640Mbps)，隨後把多個原始數據位元結合在一起以便獲得可靠低速的數據模式。因而對手持應用來說，DS-UWB方法的接收器在較低速率下功耗要低很多，而且具有無可比擬的距離特性(range performance)。
為了使DS-UWB接收器在不需要過多處理功耗條件下達到超高數據速率，類似的可擴展特性也是必需的。對於需要極高速率(例如1Gbps以上)進行快速文件傳輸的應用來說，所需的工作距離僅僅幾公尺而已。在這樣的環境下，多徑問題並不嚴重，因而DS-UWB接收器可以簡化其訊號處理。圖1表示多徑條件作為距離的一個函數是如何變化的，透過自適應這種變化條件，可以實現靈活的無線電設計來降低功耗和複雜度。例如，接收器梳狀濾波器所用的多徑選通器的數目可以減少，而且在某些情況下FEC甚至可以關掉。所有這些靈活性使DS-UWB接收器可以提供非常高的數據速率，同時降低處理功耗。
對於高速數據傳輸任務來說，採用如OFDM之類的其它窄頻方法需要使用更複雜、更高功耗的處理來實現相同數據速率。複雜的方法，比如說同時採用多個OFDM頻帶或多傳輸/接收訊號處理鏈，有可能使一個無線接收器的複雜度倍增，同時大幅增加了功耗。儘管窄頻方法(500MHz或以下的瞬時頻寬)還可以切換到較低效率的更高階調變(比如QAM)以提高數據速率，但這又會使功耗和複雜度增加，同時還會降低傳輸距離。
作者： Matt Welborn
無線系統設計師
Freescale半導體公司


消費性電子是超寬頻技術的未來應用
■ 消費性電子是超寬頻技術的未來應用
對於超寬頻（Ultra WideBand；UWB）發展業者來說，2006年或許將是一個大轉折．根據從晶片廠商得到的資料顯示，超寬頻短距離傳輸技術預計將從2006年起，將廣泛的應用在消費性電子產品中．由於超寬頻無論在傳輸速度上，或者資料容量上都超越目前的藍芽，因此可望提升用戶無線下載影音內容的使用率．
舉例來說，目前MP3播放機下載MP3音樂檔案都是透過個人電腦下載至電腦硬碟之後，在透過USB傳輸至MP3播放機之上．未來內建超寬頻無線技術的MP3播放機，將能夠過此技術直接以無線寬頻下載MP3音樂檔案．
根據目前業者指出，2005年中起，已經陸續有超寬頻晶片廠商開始提供樣品給消費性電子廠商，目標就是為了能夠趕上2005年底的耶誕旺季之前，能夠應用在不同的數位消費性電子產品當中．
初期內建超寬頻產品的裝置將是轉接器（Adapter）．其可用來連結視訊機上盒（STB）與薄型平面電視、或是連結數位相機與筆記型電腦。在家庭之中，達到真正寬頻無線連結的目的．
超寬頻與藍芽都只能在30尺以內的距離傳送，然超寬頻的傳輸速度卻較藍芽快上100倍，已具有足夠頻寬來傳送高解析電視影像，加上該項技術不會干擾其它無線訊號，因此一直被市場看好．不過近年來因為兩陣營僵持不下的「標準戰爭」，使得時機一直往後延，甚至一段時間大家都不再看好其未來．
不過，根據許多研究機構的觀察發現，超寬頻技術將從2006年起慢慢應用轉接器與其他消費性電子產品，甚至預測2007年將進入行動裝置領域，例如高階手機、MP3播放機與數位攝錄影機等等，而且最終將應用在數位電視市場，並成為數位家庭寬頻不可缺少的無線技術之一．

圖一　超寬頻技術應用於消費性產品之藍圖
Source : 國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心 本室整理，2005年7月
現在超寬頻晶片約20美元，預估未來幾年晶片組將降至10美元以下，不過相對於藍芽晶片組來說，似乎還要進一步降價才能獲得市場消費性的青睞．（764字）
關鍵字：UWB（超寬頻）
(本室編撰 Carlos)

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