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(guān)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(shù)發(fā)展趨勢促使消費類應用對無線技術(shù)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(shù)(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(shù)(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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(quán)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(shù)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(shù)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(jié)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(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(shù)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(shù)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(shù)的運行狀態(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(guān)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(guān)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(shù)已經(jīng)被廣泛地應用于室內(nèi)多信道傳播的無線通訊領(lǐng)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(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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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。