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利用超寬帶打造完美的家庭網(wǎng)絡

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作者： 時間：2007-02-06 來源：電子技術(shù)應用 收藏

                利用超寬帶打造完美的家庭網(wǎng)絡 
                          彭 湃
     (飛思卡爾半導體中國有限公司 上海分公司,上海200001)
 
　　摘　要： 
　　關(guān)鍵詞： 

　　隨著各種各樣的無線終端和數(shù)碼設備等多媒體設備和應用的增加,數(shù)字高清電視、數(shù)字高清影碟機、數(shù)碼音響系統(tǒng)、數(shù)碼相機和數(shù)碼攝像機等都已經(jīng)走入尋常百姓家。家庭市場對于這些多媒體設備間的高速無線互連的需求也更為迫切,但現(xiàn)有的技術(shù)方案無法滿足該市場的特殊要求。家庭網(wǎng)絡市場仍在尋找適合自己的無線解決方案。幾十年來,經(jīng)典的無線設計一直在數(shù)據(jù)速率、芯片級實施成本及系統(tǒng)總體功耗之間進行權(quán)衡。家庭無線市場比較特殊,因為它同時要求高數(shù)據(jù)速率(支持多個數(shù)字音視頻流)、非常低的成本(以利于消費者廣泛接受)以及非常低的功耗(以便能嵌入到電池供電的手持設備)。以全新方式設計出的超寬帶(UWB)無線通信系統(tǒng),對家庭市場的這一需求做出了響應。
　　超寬帶系統(tǒng)目前廣泛應用于家庭娛樂系統(tǒng)的無線連接,如家庭媒體中心、機頂盒、電腦、各種播放器等與大屏幕高清電視的連接;超寬帶系統(tǒng)還非常適用于各種移動設備和娛樂設備之間的連接,如手機和電腦等,所以業(yè)界普遍認為它是未來短距離高速無線系統(tǒng)的最佳解決方案之一。
　　在這里,通過以下介紹DS-UWB和蜂窩移動電話CDMA之間的差別,讓大家對超寬帶系統(tǒng)的技術(shù)及方案有一個系統(tǒng)的了解。
　　盡管術(shù)語CDMA被用來描述DS-UWB,但是DS-UWB和蜂窩移動電話CDMA所用的核心技術(shù)實際上有很大區(qū)別。二個不同工程領(lǐng)域所要解決的問題針對于完全不同的應用模式。驅(qū)動蜂窩移動電話CDMA發(fā)展和實施的應用模式是擁有成千上萬個用戶同時工作的基站/客戶模式。該模式?jīng)]有對等連接,以低速率(kbps)運行,覆蓋長距離(數(shù)英里)。而驅(qū)動DS-UWB發(fā)展和實施的應用模式則恰好相反,即只有一個或少數(shù)幾個用戶以對等方式連接,沒有基站,高速率運行(100Mbps 至Gbps),覆蓋短距離(10米以內(nèi))。
　　這二個系統(tǒng)的相似之處并不像人們想象的那么多,他們在很多方面都不同。一個系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)對另外一個系統(tǒng)來講并不是關(guān)鍵的。蜂窩移動電話CDMA與DS-UMB之間的區(qū)別如表1所示。
　　蜂窩移動電話CDMA中每個人(或每個單獨用戶)使用一個碼——他自己獨有的碼。碼分多址或CDMA指無線信道用碼來區(qū)分,因此多個用戶可以同時工作運行,每個用戶可以用各自的碼進行區(qū)分。相反,DS-UWB中用戶通過TDMA/TDD而不是CDMA來共享頻譜,不是每個用戶都有惟一的碼,而是微微網(wǎng)中所有的用戶共用同一個碼。
　　CDMA和DS-UWB之間的惟一共同點是都使用碼,但是使用這些碼的目的不同。DS-UWB中的碼主要用于低電壓運行,發(fā)送24個小脈沖而不是一個大脈沖。體積小、雪崩電壓低的65nm的CMOS發(fā)射器仍能直接驅(qū)動50ohm的傳輸線,獲得合情理的發(fā)射機輸出功率。從而可以建立一個低功耗、高性能、造價低的UWB無線系統(tǒng)。它省去了昂貴的功率放大器和有損耗的轉(zhuǎn)換器以及消耗的一些材料。
　　1～3GHz范圍的碼片速率易于實現(xiàn),但高電壓就不行。使用高碼片速率是由低造價、低功耗的市場需求所驅(qū)動的,而并非因為它是實現(xiàn)DS-UWB的惟一方式。
　　人們有時將CDMA的多用戶類比為DS-UWB中的多微微網(wǎng),即多址術(shù)語相應于DS-UWB中的多個交疊的微微網(wǎng)。這個類比用于DS-UWB是因為不同微微網(wǎng)可以采用不同的碼。然而這種類比不完全正確。事實上,碼分多址概念不必用于DS-UWB,因為交疊的微微網(wǎng)實際上可以采用相同的碼——相鄰的微微網(wǎng)采用不同的碼片速率。其結(jié)果是一個微微網(wǎng)中的碼相對于另一個交疊微微網(wǎng)的碼不同步,于是二個用戶或二個微微網(wǎng)被碼的RMS互相關(guān)區(qū)分開來,這完全不同于二個不同的而又幾乎同步的CDMA碼之間的零互相關(guān)。與其稱為CDMA,倒不如更準確地將DS-UWB稱為旋轉(zhuǎn)速率區(qū)分多址(Spin-Rate Division Muliple Access,SRDMA)。DS-UWB不必采用不同的碼,因為此時碼的正交性不像它在蜂窩移動電話CDMA中那樣至關(guān)重要。采用不同碼字主要影響著峰值互相關(guān)和RMS互相關(guān)矩陣,就像它們在CDMA中那樣這些值并不為零。換句話說,即使有良好的正交性(即碼之間的互相關(guān)很小),而碼字太短,增益太低,以使得傳統(tǒng)的蜂窩移動電話類型的CDMA多用戶工作運行,其中不希望用戶的能量可能比希望用戶的能量強20dB。
　　DS-UWB中的碼字是用于協(xié)助同步的。較長的碼提供較高的積分增益,從而以較高的信噪比產(chǎn)生同步。較長的碼也能用于區(qū)分不同的微微網(wǎng),即易于跟希望的微微網(wǎng)同步。同步之后,數(shù)據(jù)速率便可以轉(zhuǎn)換到支持傳送凈荷的高速率。這種速率的改變是通過改變碼長實現(xiàn)的。在高速率的情況下,碼字太短就不能實現(xiàn)不同碼之間有效的隔離。在這種短碼的情況下,CDMA碼分多址是不可能實現(xiàn)的,但碼片速率的差異能夠提供RMS的隔離,則可以用于交疊的微微網(wǎng)。

表1 CDMA和DS-UWB的區(qū)別

      蜂窩移動電話CDMA DS-UWB
    拓撲 所有的數(shù)據(jù)都經(jīng)過基站;
    每個用戶有不同的CDMA碼    		 數(shù)據(jù)在微微網(wǎng)內(nèi)采用TDMA以對等的方式傳送;
    同一個微微網(wǎng)內(nèi)的所有用戶均使用相同的CDMA碼;
    相互獨立的微微網(wǎng)也可以采用不同的碼,但不是必須的
    距離 遠(離基站幾公里) 近(10米對等網(wǎng))
    同時工作的用
    戶碼的數(shù)目    		 很大(成千上萬用戶) 小(很少的幾個重疊微微網(wǎng))
    數(shù)據(jù)速率 低(kbps) 極高(100Mbps 至Gbps)
    編碼增益 高 低
    碼同步 是(用戶與基站同步) 否(重疊微微網(wǎng)故意不同步)
    碼 在基站保持同步的純正交
    沃爾什碼,以保持正交性    		 通過計算機搜索找到的偽正交M-BOK碼集;
    微微網(wǎng)間的碼集不同步
    碼性能 隔離度(即正交性)由保持
    正交性的準確度來控制    		 隔離度由“旋轉(zhuǎn)”(即不同步)的碼集和
    不同的M-BOK碼集之間的RMS互相關(guān)來控制
    頻譜隨機性 覆蓋碼和數(shù)據(jù)白化器
    (沃爾什碼具有差的PSD)    		 M-BOK碼集低峰均比的PSD和數(shù)據(jù)白化器
    功率控制目標 使得來自每個用戶的信號
    以同樣的功率到達基站    		 使本地總的容量最大,以滿足每個對等鏈路的需要,使發(fā)射功率最小化
    功率控制 對系統(tǒng)運行是關(guān)鍵的 非關(guān)鍵;
    在一個微小區(qū)的用戶使用TDMA,并不是同時發(fā)射

    Fo(中心頻率)
    Fc(碼片速率)
    帶寬    		 各自都是相互獨立的。

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