DS-UWB: 高速率應用的無線連接

DS-UWB: 高速率應用的無線連接
Matt Welborn
(飛思卡爾半導體 無線及移動系統(tǒng)部,北京100022)
 
　　摘　要：　
　　關鍵詞：　

　　家電及計算設備的無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”,不斷更新的技術發(fā)展趨勢促使消費類應用對無線技術的需求不斷提高。便攜設備強大的內(nèi)存功能,不斷擴大的檔案容量以及消費類多媒體應用對更高質(zhì)量和更高清晰度圖像及影像的需求,這都要求極高的無線數(shù)據(jù)速率。
　　不斷改進的消費類電子在設備需求方面可以分為兩大不同陣營:(1)市內(nèi)無線影像播放(壓縮或非壓縮的形式);(2)低功耗手持設備的高速連接。在影像播放應用方面,人們需要為不同的用戶提供相對來說較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較強的性能以及低功耗的要求。而手持設備對低成本和低功耗有更高的要求,同時,在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面要求能夠擴展到極高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)輸速率(1Gbps及更高)。
　　直序列超寬帶技術(DS-UWB,這是IEEE組織首推的UWB標準化提議)以及802.11無線局域網(wǎng)技術(802.11 a/g及在此基礎上的802.11n仍處于研發(fā)階段)能夠滿足這些無線技術應用需求。
　　DS-UWB 是為無線個人局域網(wǎng)絡(WPAN)開發(fā)的,并借鑒了超寬帶通訊技術的長處。目前,IEEE組織正在考慮的DS-UWB方案將使基于802.15.3a 標準的設備既能提供高性能,又能為高速率的多媒體及手持設備提供低功耗和低成本的擴展能力。
　　DS-UWB設備應用將依據(jù)FCC針對美國市場而制定的超寬帶規(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。實際上,DS-UWB的傳輸水平與其它無線技術所被允許的傳輸水平大致相同或更低,基本上達到每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設備在整個信號帶寬當中當具有總共約1/10mW或-10dBm傳輸功耗。
　　與DS-UWB相比,802.11無線局域網(wǎng)技術是為不同規(guī)則的操作開發(fā)的,并且可以特別針對非授權無線設備的頻道上進行操作。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設備的平均功耗高500倍,或者說其差值在27dB。
　　這兩種不同的特性以及信號帶寬以及傳輸功耗導致了通訊系統(tǒng)設計當中諸多方面的迥異。此外,差異還導致了這兩項技術在功耗要求較高的手持設備對更高數(shù)據(jù)傳輸速率需求方面的較大差異。事實上,正是在帶寬方面所存在的較大差異才導致了這兩項技術過程中許多基礎設計和性能方面相抵消。
1 信號寬帶及傳輸功率
　　與DS-UWB相比,有兩個基本原因使得信號帶寬上的差別導致802.11a/g/n系統(tǒng)對傳輸功率有更高的要求。其一,在一個相對狹窄的無線電信道中,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)編碼為一個射頻信號,用于無線介質(zhì)中的傳輸。
　　針對802.11a/g系統(tǒng)來說,在一個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”方式來取得較高的光譜效率。特別是802.11a/g(和11n)使用64-QAM來將6個數(shù)位繪制進每一個傳輸符號中(802.11a/g將此64-QAM與OFDM結合起來,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更強的SNR以便在相同水平的錯誤率性能上對信號進行解調(diào)(相對于作為底限的BPSK或QPSK系統(tǒng)而言)。新近推出的802.11n技術也同樣在其最高數(shù)據(jù)速率方面使用64-QAM,但添加了更為成熟的技術,以便通過多天線技術來取得更好的頻譜效率。
　　DS-UWB運營環(huán)境與802.11a/g或801.11n技術有所不同。由于能夠獲得較寬的帶寬,DS-UWB 使用 BPSK來提供功率系數(shù)的解調(diào)。兩項技術之間一個簡單的比較就是在BPSK 和64-QAM 存在的功效方面的差異。針對這兩種調(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)字是用來描述在純AWGN通道中非加碼技術的運行狀態(tài),但基本結果是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。對實際操作系統(tǒng)需求具有影響的一個關鍵性環(huán)境因素就是多通道傳播功效。
2 多通道對接收器SNR需求的影響逐漸衰減
　　室內(nèi)無線信道的一個關鍵特征就是多信道傳播-RF信號能量由于多個傳播信道而擴散。OFDM技術已經(jīng)被廣泛地應用于室內(nèi)多信道傳播的無線通訊領域,并被應用到802.11a/g/n中。OFDM一個被大家充分認可的長處就在于它可以有助于在數(shù)字傳播系統(tǒng)中防止交互符號干擾(ISI)的作用。此ISI作用將產(chǎn)生于系統(tǒng)的符號長度短于信道中多信道延遲傳播的長度。在這種情況下,各單項符號互相干擾——這就要求有一個均衡器在接收器處進行補償。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。通過48個頻道而不是一個頻道,每一個頻道中的數(shù)據(jù)符號可以加長48倍(針對相同的數(shù)據(jù)速率),并且它們比頻道延遲傳播的更長。這樣就防止了ISI的產(chǎn)生,并且相對于單一載體的窄帶方式來說,在利用OFDM上會受到較小的懲罰。
　　對于UWB頻道來講,信號帶寬與多信道頻道之間的關系是有所不同的。在 UWB頻道中,單一載體和多載體方式(如:OFDM)會給所接收的信號帶來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的結合造成接收器信號功率的變化。如果不同的部分能夠很好地結合起來的話,接收器處的信號功率是很高的,然而假如這些部件不能有意地結合,那么該接收器特定波段的信號功率就會很底,甚至為零。對于某些 OFDM系統(tǒng)來說,接收器的這種建設性的或破壞性的結合,或者叫多信道衰減,會導致接收器每個OFDM音調(diào)具有不同的信號功率水平。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次數(shù)和振幅造成不同的建設性或破壞性的衰減。
　　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合的發(fā)生。
　　因多通道而產(chǎn)生的衰減作用將導致在不同多通道頻道中或不同的ODFM音調(diào)中接收信號的變化,對此必須給予補償。使用FCC可以幫助“平衡”這一變化,但仍可能會造成多通道頻道中對SNR更高的要求,超過AWGN (非多通道) 頻道。對于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dB左右,因為UWB頻道的衰件變量更小。
3 信號帶寬對復雜性和功耗的作用
　　窄帶系統(tǒng)需要有較高的傳輸功率,來支持接收器對SNR更高的要求,因為不同的調(diào)制方式要求較高的調(diào)制和多通道衰件。對于OFDM,較高傳輸功率的影響與OFDM信號的高蜂值和平均值的比率混雜在一起,因為后者要求有一個低功耗的功率放大器。例如,一個50 mW傳輸功率的輸出也許會要求有幾百到 500 mW 的總功耗,以達到較好的系統(tǒng)性能所需要線性。而相反的是,任何一個DS-UWB系統(tǒng)都不需要PA,因為較小的傳輸功率(-10dBm) 可以直接通過RF ASIC來驅(qū)動。
　　不同的信號帶寬對系統(tǒng)的復雜性和功耗還具有其他影響,因為信號處理要求方面存在差異。