DS-UWB: 高速率應(yīng)用的無(wú)線連接

DS-UWB: 高速率應(yīng)用的無(wú)線連接
Matt Welborn
(飛思卡爾半導(dǎo)體 無(wú)線及移動(dòng)系統(tǒng)部,北京100022)
 
　　摘　要：　
　　關(guān)鍵詞：　

　　家電及計(jì)算設(shè)備的無(wú)線連接開始逐步改變?nèi)藗兪褂玫姆绞?。人們的愿望已?jīng)不單單局限于“連接”,不斷更新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)促使消費(fèi)類應(yīng)用對(duì)無(wú)線技術(shù)的需求不斷提高。便攜設(shè)備強(qiáng)大的內(nèi)存功能,不斷擴(kuò)大的檔案容量以及消費(fèi)類多媒體應(yīng)用對(duì)更高質(zhì)量和更高清晰度圖像及影像的需求,這都要求極高的無(wú)線數(shù)據(jù)速率。
　　不斷改進(jìn)的消費(fèi)類電子在設(shè)備需求方面可以分為兩大不同陣營(yíng):(1)市內(nèi)無(wú)線影像播放(壓縮或非壓縮的形式);(2)低功耗手持設(shè)備的高速連接。在影像播放應(yīng)用方面,人們需要為不同的用戶提供相對(duì)來(lái)說(shuō)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較強(qiáng)的性能以及低功耗的要求。而手持設(shè)備對(duì)低成本和低功耗有更高的要求,同時(shí),在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面要求能夠擴(kuò)展到極高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率(1Gbps及更高)。
　　直序列超寬帶技術(shù)(DS-UWB,這是IEEE組織首推的UWB標(biāo)準(zhǔn)化提議)以及802.11無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)(802.11 a/g及在此基礎(chǔ)上的802.11n仍處于研發(fā)階段)能夠滿足這些無(wú)線技術(shù)應(yīng)用需求。
　　DS-UWB 是為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)開發(fā)的,并借鑒了超寬帶通訊技術(shù)的長(zhǎng)處。目前,IEEE組織正在考慮的DS-UWB方案將使基于802.15.3a 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備既能提供高性能,又能為高速率的多媒體及手持設(shè)備提供低功耗和低成本的擴(kuò)展能力。
　　DS-UWB設(shè)備應(yīng)用將依據(jù)FCC針對(duì)美國(guó)市場(chǎng)而制定的超寬帶規(guī)則并且與世界其它地區(qū)制定的規(guī)則基本一致,但其傳輸功率非常低。實(shí)際上,DS-UWB的傳輸水平與其它無(wú)線技術(shù)所被允許的傳輸水平大致相同或更低,基本上達(dá)到每MHz頻譜-41.3dBm的極限。由于這一低傳輸極限的要求某一特定的DS-UWB設(shè)備在整個(gè)信號(hào)帶寬當(dāng)中當(dāng)具有總共約1/10mW或-10dBm傳輸功耗。
　　與DS-UWB相比,802.11無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)是為不同規(guī)則的操作開發(fā)的,并且可以特別針對(duì)非授權(quán)無(wú)線設(shè)備的頻道上進(jìn)行操作。802.11a/g/n操作帶寬比DS-UWB要窄,所占用的頻譜約為17MHz,但傳輸功耗卻更高。平均傳輸功耗的水平比其某一DS-UWB設(shè)備的平均功耗高500倍,或者說(shuō)其差值在27dB。
　　這兩種不同的特性以及信號(hào)帶寬以及傳輸功耗導(dǎo)致了通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中諸多方面的迥異。此外,差異還導(dǎo)致了這兩項(xiàng)技術(shù)在功耗要求較高的手持設(shè)備對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸速率需求方面的較大差異。事實(shí)上,正是在帶寬方面所存在的較大差異才導(dǎo)致了這兩項(xiàng)技術(shù)過程中許多基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和性能方面相抵消。
1 信號(hào)寬帶及傳輸功率
　　與DS-UWB相比,有兩個(gè)基本原因使得信號(hào)帶寬上的差別導(dǎo)致802.11a/g/n系統(tǒng)對(duì)傳輸功率有更高的要求。其一,在一個(gè)相對(duì)狹窄的無(wú)線電信道中,通過調(diào)制而獲得較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率;其二,由于多信道中射頻傳播的基本物理特性。調(diào)制格式描述了如何將數(shù)據(jù)編碼為一個(gè)射頻信號(hào),用于無(wú)線介質(zhì)中的傳輸。
　　針對(duì)802.11a/g系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在一個(gè)17MHz帶寬的射頻信道中要想獲得54 Mbps的數(shù)據(jù)速率,要求使用“high-order調(diào)制”方式來(lái)取得較高的光譜效率。特別是802.11a/g(和11n)使用64-QAM來(lái)將6個(gè)數(shù)位繪制進(jìn)每一個(gè)傳輸符號(hào)中(802.11a/g將此64-QAM與OFDM結(jié)合起來(lái),其意圖大致相同)。通過利用64-QAM取得更高的頻譜效率,其成本在于接收器需求有一個(gè)更強(qiáng)的SNR以便在相同水平的錯(cuò)誤率性能上對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)(相對(duì)于作為底限的BPSK或QPSK系統(tǒng)而言)。新近推出的802.11n技術(shù)也同樣在其最高數(shù)據(jù)速率方面使用64-QAM,但添加了更為成熟的技術(shù),以便通過多天線技術(shù)來(lái)取得更好的頻譜效率。
　　DS-UWB運(yùn)營(yíng)環(huán)境與802.11a/g或801.11n技術(shù)有所不同。由于能夠獲得較寬的帶寬,DS-UWB 使用 BPSK來(lái)提供功率系數(shù)的解調(diào)。兩項(xiàng)技術(shù)之間一個(gè)簡(jiǎn)單的比較就是在BPSK 和64-QAM 存在的功效方面的差異。針對(duì)這兩種調(diào)制格式,BPSK在接收器所需要的Eb/N0是9.6 dB,速率為 10-5 bit-error-rate (BER),而64-QAM在同樣的BER上可以獲得高出10 dB的水平。需要注意的是:這些數(shù)字是用來(lái)描述在純AWGN通道中非加碼技術(shù)的運(yùn)行狀態(tài),但基本結(jié)果是high order調(diào)制方式要求更高的傳輸功率從而在接收器上提供相同的BER。在現(xiàn)實(shí)操作系統(tǒng)中,還有許多其它的因素影響著接收器SNR的需求,包括使用成熟的FEC。對(duì)實(shí)際操作系統(tǒng)需求具有影響的一個(gè)關(guān)鍵性環(huán)境因素就是多通道傳播功效。
2 多通道對(duì)接收器SNR需求的影響逐漸衰減
　　室內(nèi)無(wú)線信道的一個(gè)關(guān)鍵特征就是多信道傳播-RF信號(hào)能量由于多個(gè)傳播信道而擴(kuò)散。OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)多信道傳播的無(wú)線通訊領(lǐng)域,并被應(yīng)用到802.11a/g/n中。OFDM一個(gè)被大家充分認(rèn)可的長(zhǎng)處就在于它可以有助于在數(shù)字傳播系統(tǒng)中防止交互符號(hào)干擾(ISI)的作用。此ISI作用將產(chǎn)生于系統(tǒng)的符號(hào)長(zhǎng)度短于信道中多信道延遲傳播的長(zhǎng)度。在這種情況下,各單項(xiàng)符號(hào)互相干擾——這就要求有一個(gè)均衡器在接收器處進(jìn)行補(bǔ)償。OFDM通過將其操作頻道(i.e.大約17MHz)轉(zhuǎn)換為較為狹窄的并行頻道來(lái)避免這種ISI效用(i.e.48 data channels of 312.5kHz for 802.11a/g),并在這些窄帶上以并行的方式發(fā)送數(shù)據(jù)符號(hào)。通過48個(gè)頻道而不是一個(gè)頻道,每一個(gè)頻道中的數(shù)據(jù)符號(hào)可以加長(zhǎng)48倍(針對(duì)相同的數(shù)據(jù)速率),并且它們比頻道延遲傳播的更長(zhǎng)。這樣就防止了ISI的產(chǎn)生,并且相對(duì)于單一載體的窄帶方式來(lái)說(shuō),在利用OFDM上會(huì)受到較小的懲罰。
　　對(duì)于UWB頻道來(lái)講,信號(hào)帶寬與多信道頻道之間的關(guān)系是有所不同的。在 UWB頻道中,單一載體和多載體方式(如:OFDM)會(huì)給所接收的信號(hào)帶來(lái)完全不同的多信道衰減數(shù)據(jù)。為了了解這一作用,讓我們回想一下在接收天線處不同信道到達(dá)的結(jié)合造成接收器信號(hào)功率的變化。如果不同的部分能夠很好地結(jié)合起來(lái)的話,接收器處的信號(hào)功率是很高的,然而假如這些部件不能有意地結(jié)合,那么該接收器特定波段的信號(hào)功率就會(huì)很底,甚至為零。對(duì)于某些 OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō),接收器的這種建設(shè)性的或破壞性的結(jié)合,或者叫多信道衰減,會(huì)導(dǎo)致接收器每個(gè)OFDM音調(diào)具有不同的信號(hào)功率水平。這種平行OFDM頻道或音調(diào)中的變異是由于各自不同的中心頻率的存在,從而為同一多信道到達(dá)次數(shù)和振幅造成不同的建設(shè)性或破壞性的衰減。
　　多通道衰減的作用是非常不一樣的。由于它有較寬的信號(hào)帶寬,DS-UWB接收器可以分別解決多通道部件,盡可能地避免破壞性結(jié)合的發(fā)生。
　　因多通道而產(chǎn)生的衰減作用將導(dǎo)致在不同多通道頻道中或不同的ODFM音調(diào)中接收信號(hào)的變化,對(duì)此必須給予補(bǔ)償。使用FCC可以幫助“平衡”這一變化,但仍可能會(huì)造成多通道頻道中對(duì)SNR更高的要求,超過AWGN (非多通道) 頻道。對(duì)于UWB系統(tǒng),接收功率的變化也要求有更高的SNR,但其作用僅局限于1個(gè)dB左右,因?yàn)閁WB頻道的衰件變量更小。
3 信號(hào)帶寬對(duì)復(fù)雜性和功耗的作用
　　窄帶系統(tǒng)需要有較高的傳輸功率,來(lái)支持接收器對(duì)SNR更高的要求,因?yàn)椴煌恼{(diào)制方式要求較高的調(diào)制和多通道衰件。對(duì)于OFDM,較高傳輸功率的影響與OFDM信號(hào)的高蜂值和平均值的比率混雜在一起,因?yàn)楹笳咭笥幸粋€(gè)低功耗的功率放大器。例如,一個(gè)50 mW傳輸功率的輸出也許會(huì)要求有幾百到 500 mW 的總功耗,以達(dá)到較好的系統(tǒng)性能所需要線性。而相反的是,任何一個(gè)DS-UWB系統(tǒng)都不需要PA,因?yàn)檩^小的傳輸功率(-10dBm) 可以直接通過RF ASIC來(lái)驅(qū)動(dòng)。
　　不同的信號(hào)帶寬對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜性和功耗還具有其他影響,因?yàn)樾盘?hào)處理要求方面存在差異。