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一种新的MB-OFDM-UWB技术分析与应用

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作者:时间:2007-10-18来源:电视技术收藏

  1 引言

  (UWB)通信技术具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径衰落、易数字化等诸多优点。在因特网、多媒体和通信技术融合的今天,它是实现小范围内无缝覆盖的多媒体传输需求的热门技术手段,被视为新一代个域网物理层标准技术。

  目前UWB有两大标准:一是以Intel公司为首提交的多带正交频分复用(MB-OFDM)方案;另一个是以Freescale公司为首提交的直扩码分多址(DS-CDMA)方案。而MB-OFDM方案已成为MBOA联盟事实上的标准。在此基础上提出的时频交织MB-OFDM方式,与传统OFDM有很多相似之处,又符合FCC关于UWB的定义,具有UWB的特点,是一种新的UWB通信实现方式,使得MB-OFDM芯片得到了越来越多厂商的支持和应用。

  2 关键技术

  1) 多频带的划分

  FCC公布UWB信号的定义是:相对带宽(信号带宽与中心频率之比)大于0.2或绝对带宽大于500 MHz的无线电信号。UWB系统可在发射功率谱密度小于-41.3 dBm/MHz的情况下,使用无需授权的3.1~10.6 CHz频段。这里没有限制UWB信号的实现方式,只要绝对带宽大于500 MHz,并非要用脉冲无线电。因此,技术打破了传统观点。可将这个频段分为14个带宽为528 MHz的子带、5个频带组:1组:3 168~4 752 MHz;2组:4 752~6 336 MHz;3组:6 336~7 920 MHz;4组:7 920~9 504 MHz;5组:9 504~1 056 MHz。由于UWB有效带宽在3.1~5 GHz,因此,只有1组中3个子带可用,其余保留备用。

  2) 时频交织(TFI)技术

  时频交织技术示意图如图1所示。

  

  OFDM符号在3个子带上进行时域频域交错传输,即在一个OFDM符号时间内,只有一个子带在工作。通过交错各子带信号,UWB系统就像使用了整个带宽,这样就可在小得多的带宽上处理信息,不仅降低设计的复杂度、功耗及成本,而且还能提高频谱利用率和灵活性,有助于在全球范围内符合相关的标准。

  3) 循环前缀和保护间隔设计

  每个子带内采用OFDM调制,用128点IFFT完成,每个子载波用QPSK实现星座映射。OFDM符号间隔为312.5 ns,3个符号为一个周期937.5 ns,子载波间隔为4。采用60.6 ns循环前缀对抗多径,9.5 ns保护间隔提供充足频带切换时间,IFFT周期为242.4 ns,参数见表1。通过跳频将信息比特交织到子载波上,有较好的频率分集效果和抗频率选择性衰落性能。

  

  4) 可扩展性设计

  MB-TFI-OFDM技术具有良好的可扩展性,能兼顾到目前技术上的可实现性和可升级性。信道编码采用卷积码,码率有1/3,11/32,1/2,5/8和3/4,系统支持的数据速率有55,80,110,160,200,320,480 Mbit/s。使用的频带可从3个频带组扩展到7个频带组。

  3 系统性能和特点

  3.1 性能分析

  利用MATLAB软件对MB-TFI-OFDM UWB系统进行仿真,图2所示为跳频后的OFDM符号在3个子带上的功率谱密度仿真波形,可见,每个子带带宽约为528 MHz,采用时频交织技术能实现在相同的时间内采用不同频段工作,而不会引起符号间干扰。因此,在不同频带的3个OFDM信号可并行传输,系统容量大,信道利用率高,频谱更加灵活。

  

  可靠性是系统性能的一个重要指标,在此用误包率曲线表示。如图3所示,误包率是随着信噪比的增加而减小的,且相同误包率下,高速率对应高信噪比,因此,采用高速率的MB-TFI-OFDM系统,抗噪声和干扰能力很强,有很大灵活性,可方便适应不同地区的频谱规范。但高速率只能在一定距离上获得,即传输距离和速率是相互制约的,因此UWB系统具有高速率、短距离等特点。可见,这种MB-TFI-OFDM UWB技术是满足WPAN的数据速率与误码率和传输距离的要求的。

  

  3.2 技术优点

  1) 抗多径、捕获多径信号的能力强。借助循环前缀克服多径信道引入的时延扩展,用结构较简单的接收机,就能在高度多径环境中捕获到更多信号,电路简单、成本低、功耗低,电池可支持移动设备长时间连续使用。

  2) 频谱灵活性强、共存性好。UWB使用无需授权频段,确保不会对授权频段设备产生干扰。信号是由A/D转换器产生,可用软件动态地打开或关闭某些特定频段,使其符合本地规定,这有助于在不同国家内采用MB-OFDM系统。

  3) 设计复杂度低,上市快。传统OFDM系统较复杂,MB-TFI-OFDM系统经过专门设计,只采用QPSK调制,降低了IFFT和FFT实现复杂度以及对ADC和DAC的分辨率要求。模拟前端电路甚至总体结构的设计,易于用90 nm CMOS实现,缩短了产品投放市场的时间。

  4) 安全机制建立方便。可建立一个嵌入式、始终处于“开通”状态的安全架构,在协议栈的一些层次上提供安全性和隐私机制,确保无线技术所需的强壮性和对用户的透明度。

  4 技术应用与展望

  4.1 MBOA的UWB通用平台

  由于IEEE802.15.3a标准出现僵局,MBOA于2004年初成立了特别兴趣小组,着手制订和推广自己的物理层和MAC层规范,力争成为全球事实标准。2004年5月,WiMedia联盟和1394联盟与MBOA联合,使得MBOA的物理层和MAC层规范可广泛支持各种应用层业务,成为UWB标准通用平台,如图4所示,它可支持无线USB、无线1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多种应用。物理层规范具备了480 Mbit/s的空中解码能力,可进一步升级,支持无线数字显示接口(DVI)和高清晰媒体接口(HDMI)以及Gbit/s速率的数据传输。

  

  4.2 Wisair-UWB芯片组

  MBOA芯片已趋于成熟,具有代表性的产品是Wi-sair公司开发的UWB芯片组,已获得美国FCC认证。该芯片组包括:基于MB-OFDM方式的射频收发芯片(Wi-sair 502 PHY RF chip)和基带处理芯片(Wisair 531MAC\Baseband chip)。其中,用0.18μm硅锗biCMOS工艺生产的502收发器可替代业界第一批符合WiMedia和MBOA标准的501收发器。它减少了UWB无线解决方案的功耗、尺寸和总成本,还支持多频带OFDM TFI和FFI模式。占据的频谱在3.1 GHz和4.8 GHz之间,主要是3条528 MHz宽子频带。它可在短距离上提供高达480 Mbit/s的数据传输速率。此外,它包括一个片上带通滤波器、一个具有很宽可编程动态范围的宽带接收器、以及一个带有片上压控振荡器的超快速跳频宽带混频器。其可编程的功率放大器可确保最大允许输出功率。而且还支持用2个天线来实现天线分集,不需要外部匹配不平衡变压器。Wisair531UWB基带芯片主要针对消费电子设备不断增长的对超高速视频和数据传送的需求。它们也适用于快速实现PC外设、移动和汽车产品、以及要求在短距离上实现高速传送的其他应用。

  4.3 各厂商应用情况

  2006年是UWB激活的一年,在全球峰会上,有12家厂商展示了UWB产品及解决方案。2007年1月于美国消费电子展(CES)上,又有不少厂商展出了基于UWB技术的商用产品。如美国DC REDNA研究所在梅赛德斯-奔驰R500上采用宽带技术实现高清视频播放,采用了Intel的UWB解决方案;三星SC-D365无线数字摄像机,是全球首个采用超宽带技术,以无缝方式显示了通过无线USB链路发送的视频剪辑,它不再需要取出内存或通过电线连接,而是能将家庭电影片段以无线方式传送到PC进行存储或显示;华硕公司的一款无线HDMI产品,采用UWB支持S-Video端口、HDMI信号以及A-DI的ADV202 JPEG2000图像解码芯片,可用于高速影片图片传输、音乐下载、打印,以及PC外设与消费电子产品的数据同步。2007年5月,香港应科院与深圳雅图科技演示了他们共同研发的“世界上第一台具无线超宽带视频流技术的超大屏幕投影电视”。

  4.4 存在问题与前景展望

  UWB的应用推广有3个至关重要的问题:一是标准问题,业界厂商要群策群力制定标准,才能带来广泛的互通和应用;二是产业链的跟进,包括芯片、系统厂商技术与产品的研发与推广;三是互联互通的结构和协议。

  WPAN技术主要的目的就是将电子设备之间的连线替换成无线连接,使家庭或办公室中的各种设备之间的信息交换更加方便、灵活和快捷。技术又是实现WPAN的最佳选择之一,因此,在数字化无线家庭、数字化办公室、个人便携设备和军事等诸多领域都有着广阔的发展和应用前景。

  5 小结

  MB-TFI-OFDM技术是UWB通信中一种新的实现方式,以它独特的优势,将会促进MB-OFDM芯片的商业化和产品化进程,使得MB-OFDM方案得到了越来越多厂商的支持与应用,从而有希望成为WPAN物理层的标准技术。该技术仍处于起步阶段,市场潜力巨大,发展前景广阔。我国应该抓住国际上UWB的研发热潮,积极参与国际标准化活动,根据具有自主知识产权的技术制定我国的相关标准,积极开拓UWB技术的产业化道路。



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