UWB雷達

　　UWB雷達(超寬帶雷達)在心臟病學(xué)、呼吸、發(fā)聲機能方面的應(yīng)用;尤其是對發(fā)聲聲帶的探測,可以遠程監(jiān)控對象的說話的一舉一動或者默讀的聲帶震動,并通過計算機的處理,可以探測某人的說的話或思想。

　　美國國防部的研究機構(gòu)DARPA(國防高級研究計劃局)正致力于一個稱為“高級語音編碼”的計劃，旨在用通過說話人的神經(jīng)和聲帶肌肉運動，而不是聲音本身，來識別語音的無聲感應(yīng)器來取代麥克風。

　　摘要

　　對微功率超寬帶雷達的定義、原理、特點進行了討論和描述，并利用本課題組研制的超寬帶雷達進行了人體實驗。實驗結(jié)果表明采用這種技術(shù)能夠檢測到人體的呼吸和心跳信號，這種方法不需要任何電極和傳感器接觸人體，實現(xiàn)了對人體生命信號的無創(chuàng)檢測.
　　與激光、紅外探測和聲波探測技術(shù)相比，利用超寬帶雷達檢測人體的生命信號不受環(huán)境溫度、熱物的影響，能有效穿透介質(zhì)，較好地解決了激光、紅外探測受溫度影響嚴重、遇物體阻擋失效及誤報翠高的司越，也克服超聲探測受環(huán)境雜物反射干擾、水、冰、量土阻擋失效的問題。超寬帶雷達能夠在l時和平時得到廣泛的應(yīng)用，如：戰(zhàn)后傷員自探尋、地震或塌方后人員的探尋、傳染病.
　　1995年3月23日，美國麻省理工學(xué)院(MIT)從事了題目為雷達聽診器的教學(xué)項目的工作。1996年1月，在Sci．enceandTechnologyReview雜志上，通過照片和實驗數(shù)據(jù)較好地描述UWB雷達在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，并介紹了一種由美國斯坦福尼亞大學(xué)LawrenceLivermoreNationallaboratory(LLNL)研制的特殊超寬帶雷達(微功率脈沖雷達，MicmpowerImpulseRadar(MIR))，可以檢測到人體的呼吸和心跳信號，并采用距離門(RangGating)技術(shù)進行斷層掃描(最小距離為2cm)，可以最大程度地抑制外界環(huán)境的干擾對人體呼吸、心跳信號的影響，采用高增益的天線最大作用距離為1oomIq。1996年10月12日研究所的McEwan研究項目：人體監(jiān)測、成像的裝置與方法獲得美國專利一項(專利號為US5573012)，該裝置能夠?qū)z測到人體的心臟、肺、動脈、聲帶的相關(guān)信號轉(zhuǎn)換成聲音信號，可以裝在室內(nèi)為人體生理參數(shù)監(jiān)護儀使用目。1998年1月16日，McEwan的該研究項目又獲得美國專利一項(專利號為US5766208)~。McEwan開創(chuàng)了超寬帶雷達的先河，由他研制的MIR至今在美國共申請到56項專利，在全世界共有214項專利或應(yīng)用專利。從1999年開始，由于超寬帶雷達的小體積、低功耗、低成本、高空間分辨率等特點，超寬帶雷達在生物醫(yī)學(xué)研究中取得突破性的進展，主要在心臟病學(xué)(心臟監(jiān)護)、產(chǎn)科學(xué)(嬰兒監(jiān)護)、兒科(嬰兒猝死綜合征監(jiān)護)、呼吸內(nèi)科(障礙性睡眠呼吸暫停監(jiān)護)、腦外科(顱內(nèi)血腫監(jiān)護)等領(lǐng)域開始應(yīng)用。2002年2月美國的FCC允許該技術(shù)應(yīng)用于商用后，許多公司都在投入一定的人力、物力、財力來開發(fā)和研究相關(guān)領(lǐng)域的超寬帶雷達。

　　UWB標準現(xiàn)狀分析

　　UWB是一種短距離的無線通訊方式，在10米以內(nèi)的范圍里以至少100Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù)。這種通訊方式比較適合在家庭內(nèi)部使用，市場應(yīng)用前景非常廣闊，因此圍繞UWB的標準之爭從一開始就非常激烈。曾經(jīng)有二十幾個標準參與競爭，今天只剩下了兩個。它們是來自Freescale的DS-UWB和由TI倡導(dǎo)的MBOA。

　　從技術(shù)上來講，MBOA和DS-CDMA是無法彼此妥協(xié)的，DS-UWB曾提出一個通用信令模式，希望與MBOA兼容。但這種模式顯然在技術(shù)上無法實現(xiàn)，所以被MBOA、IEEE和無線USB協(xié)會拒絕。MBOA在最近的一次表決中占了約10%的優(yōu)勢，但仍然沒有達到75%的絕對多數(shù)。

　　從產(chǎn)品上來講，DS-UWB在開始的時候走在了前面。它的樣品在2004年初的時候已經(jīng)在拉斯維加斯的消費電子展上展出，但看來之后的進展比較緩慢，當時存在的問題今天依然存在，例如功耗很大、需要兩根天線分別收發(fā)、在天線與接收器中間有阻擋時會出現(xiàn)花屏等。而另一方的MBOA正迎頭趕上，來自Staccato公司芯片級的物理層芯片（PHY）在2004年的第一季度已經(jīng)完成，八、九月份的時候，配合TI公司可編程門陣列（FPGA）的媒體存取控制器（MAC）已經(jīng)可以工作。FPGA還不是芯片級的產(chǎn)品，是在芯片生產(chǎn)之前用來驗證和測試邏輯功能的，完全芯片級的平臺要到今年年底實現(xiàn)。這將是兩個芯片的方案，相比較于DS-UWB目前的四芯片方案在成本、體積和功耗上占有較大的優(yōu)勢。

　　在理解UWB的時候有必要知道UWB不僅僅指的是DS-CDMA或MBOA，他們僅僅是處于UWB完整架構(gòu)的最底層。讓我們看一下除了這最底下的一層，UWB還有哪些內(nèi)容。

　　Wireless USB:無線USB；

　　Wireless 1394:無線1394；

　　Application Profile:應(yīng)用層協(xié)議子集；

　　DLNA compliant: DLNA兼容，DLNA是數(shù)字化客廳網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟的縮寫（Digital Living Network Alliance）；

　　PAL:協(xié)議適應(yīng)層,（Protocol Adaption Layer）；

　　UPnP/IP:即插即用多媒體IP電話；

　　Wimedia Convergence Platform: Wimedia匯聚平臺。Wimedia是無線多媒體的縮寫（Wireless Multimedia）；

　　DS-CDMA or MBOA Specification: DS-CDMA或MBOA規(guī)格。DS-CDMA是直接序列CDMA的縮寫（Direct Sequence）；MBOA是多頻帶OFDM聯(lián)盟的縮寫（Multi-Band OFDM Alliance）。

　　DS-CDMA或MBOA相當于物理層，位于整個架構(gòu)的最底層，她還分成兩個子層，即物理層（PHY）和物理層的控制器層（MAC）。在其上面是WiMedia的匯聚層，有點類似于鏈路層或事務(wù)層，介于物理層和應(yīng)用層的中間。在WiMedia匯聚層的上面就是應(yīng)用層面的無線USB、無線1394和其他的應(yīng)用環(huán)境，這些層多已被IEEE802.15.3a確認。

　　無線USB的規(guī)格將在今年年底之前頒布，這里大家首先要弄清楚這個無線USB的標準是得到USB IF確認的，而并不是之前由Cypress公司推出的那個企業(yè)標準。無線USB的推動者小組成員包括英特爾、惠普、微軟、德州儀器、飛利浦、三星、NEC和Agere。它們將負責建造一個與USB兼容的應(yīng)用軟件棧，以及和1394及WiMedia合作創(chuàng)建分享UWB射頻的規(guī)則。

　　獲得USB的支持和支持USB對UWB是非常重要的，大家都知道USB的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，但現(xiàn)在的USB外設(shè)都是有線的，需要通過一根線纜與PC主機相連，例如打印機、數(shù)碼相機和外置硬盤等。這個數(shù)字非常巨大，今天已經(jīng)有15億條USB的線纜存在于我們的生活中，而這個數(shù)字到2006年時將大幅增長到35億，這表示有差不多這個數(shù)量的USB設(shè)備和主機。無線USB的目的是消除線纜，而用無線的方式收發(fā)信號。在PC主機和外設(shè)這兩端依然以USB的方式工作，所以必須有一個與USB兼容的應(yīng)用軟件棧。而無線發(fā)射這一塊需要使用UWB的射頻，由于1394的設(shè)備和其他設(shè)備（非USB和1394）也需要通過UWB的射頻來進行無線收發(fā)，他們將在WiMedia這一層匯聚，不管原來是什么信號，在經(jīng)過WiMedia匯聚層后轉(zhuǎn)換成相同的信號傳送給物理層發(fā)射。換句話說，就是要分享UWB射頻。

　　MBOA已經(jīng)得到無線USB的批準，而DS-CDMA尚未，這對于DS-CDMA是一個嚴重的缺憾。

　　同樣1394也是非常重要的，特別是在消費電子市場上。我們今天比較熟悉的1394設(shè)備是數(shù)碼攝像機（Camcorder或DV），1394與USB最大的不同是外設(shè)與外設(shè)之間可以直接通訊。USB采用主/從的架構(gòu)，比較多見的主機是PC機，而其他外設(shè)都是從設(shè)備，他們或直接或經(jīng)由集線器（Hub）連到主機，所有的操作必須由主機來主導(dǎo)，這很適合于PC及其周邊設(shè)備的應(yīng)用，但顯然不適合于消費電子產(chǎn)品的互聯(lián)；1394采用對等的架構(gòu)（peer-to-peer），聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備彼此之間都可以通訊，例如機頂盒和DVD機可以同時播放，而電視機和刻錄機可以選擇其中的任何一個節(jié)目源，而這并不需要一臺主機的控制。今天在市場上已經(jīng)有3億條1394的線纜，這個數(shù)字將隨著數(shù)字電視的普及在今后幾年中大幅增長。

　　與無線USB不同，無線1394對DS-CDMA和MBOA都支持。無線1394的主任成員較之于無線USB的推動者小組成員的范圍要更廣泛一些，盡管英特爾和飛利浦不在其中，但有索尼、松下、三菱這樣的消費電子制造巨頭，也有蘋果、昆騰和牛津半導(dǎo)體（昆騰是做硬盤的）這樣的PC及其外設(shè)制造商，還有軟件商，像Mindready、Vividlogic和Newnex等，以及Molex。它們將負責構(gòu)建一個1394協(xié)議適應(yīng)層（PAL）以支持400Mbps的無線1394，還要與WiMedia協(xié)會合作以實現(xiàn)兼容性和互操作性。

　　WiMedia協(xié)會的任務(wù)看起來比較多一些，它需要建立一套程序用于認證和保證互操作性；要能支持多協(xié)議的架構(gòu)，比如無線USB、無線1394和DLNA，要支持公平競爭和傳輸數(shù)據(jù)的安全性；要支持即插即用和建立基于IP的應(yīng)用程序棧來支持多媒體數(shù)據(jù)流。該協(xié)會成員包括英特爾、惠普、德州儀器、飛利浦、三星、LG、意法半導(dǎo)體、夏普、柯達等,摩托羅拉亦在此成員之列中。

　　所以我們應(yīng)該看到所謂的UWB是一個完整的系統(tǒng)，而不僅僅是現(xiàn)在人們熱衷討論的DS-CDMA或MBOA。只有充分理解這一點才算是理解了真正的UWB，而只有全面地支持所有這些協(xié)議層，才可以說是一個完整的UWB系統(tǒng)。

　　回到DS-CDMA或MBOA的標準之爭，我們究竟如何去判斷孰優(yōu)孰劣呢？其實兩方面都有各自的優(yōu)缺點。DS-CDMA技術(shù)是單頻帶方式或窄脈沖方式，多個傳輸任務(wù)可共享整個頻帶的頻率，對現(xiàn)有的、許可頻帶內(nèi)的用戶造成的干擾比較少，成本可以做得比較低、上市的時間較短，易于實現(xiàn)低功耗、低速數(shù)據(jù)流的無線傳輸，可實現(xiàn)更高速的無線數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用于媒體流及大量的數(shù)據(jù)傳輸；MBOA技術(shù)是多頻帶方式，技術(shù)上易于實現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高，多個頻率子帶并列，可以避開某些頻帶、靈活配置，速率的擴展性好。

　　以無線電頻率管理來說，有兩個基本的原則：1.新的無線電技術(shù)不得對已有的無線電臺（系統(tǒng)）造成有害干擾；2.受到干擾不得提出保護要求，既要能忍受已有無線電臺的各種干擾。這對于DS-CDMA比較頭疼，因為它使用整個3.1-10.6GHz頻段，而有些無線技術(shù)就使用其中的一些頻率，例如802.11p的載頻是5.8GHz；而MBOA使用多個頻率子帶，可以很方便地避開這個頻率。

　　在市場推廣方面，兩個陣營分別組建了自己的聯(lián)盟，都建有自己的網(wǎng)站。DS-UWB組建的聯(lián)盟是UWB論壇（UWB FORUM），網(wǎng)站地址是http://www.uwbforum.org。MBOA的組織就是這個名稱，網(wǎng)站地址是http://www.multibandofdm.org。

　　UWB論壇目前有77家會員，其中有十幾家高校和研究所，占了近15%。MBOA聯(lián)盟已有170多個成員，幾乎集中了所有的大型跨國公司和集團，這是一種優(yōu)勢，因為開發(fā)、推廣、應(yīng)用一個新的技術(shù)和產(chǎn)品需要大量的投入，遠遠不是一二家企業(yè)所能承受的。而且UWB一個很重要的應(yīng)用是把家庭中的電器產(chǎn)品連接成微微網(wǎng)（Piconet），需要有大量的電器產(chǎn)品支持，這就要求有大批的家用電器和計算機制造商提供這樣的產(chǎn)品。

　　那么UWB的現(xiàn)狀究竟是如何的呢？還有多久用戶才能享受到這一新技術(shù)和新標準帶來的全新體驗?zāi)?？其實新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)需要經(jīng)過以下四個階段：1.芯片階段；2.模塊階段；3.系統(tǒng)階段；4.產(chǎn)品階段。DS-UWB已處于模塊階段，而MBOA剛剛進入芯片階段。用戶仍需要等待一段時間。即便是達到了產(chǎn)品階段，還需要經(jīng)受市場的考驗，不然重蹈藍牙技術(shù)的覆轍，曇花未現(xiàn)便已凋零，不管誰贏得了標準之爭也只能是一個失敗的嘗試，這需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力。

　　撇開UWB內(nèi)部的標準之爭，我們還應(yīng)該看到在數(shù)字化家庭這樣一個應(yīng)用領(lǐng)域UWB還遠遠談不上一花獨放。802.11也正在躍躍欲試，WLAN的劣勢是她的傳輸速率比較低和對多媒體數(shù)據(jù)流的支持不夠，但傳輸距離長卻是她的優(yōu)勢。802.11正在試圖突破這些技術(shù)瓶頸，能否在不久的將來實現(xiàn)值得我們關(guān)注。UWB傳輸距離短的局限（10米）也使得她只能構(gòu)建微微網(wǎng)，即便在一個家庭內(nèi)部也無法真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，這需要結(jié)合有線的傳輸技術(shù)，例如1394a/b、USB2.0或USB OTG。有線技術(shù)同樣具有很多的優(yōu)點，比如電磁干擾小、傳輸穩(wěn)定、安全性高等等，另一個優(yōu)勢是這些標準已經(jīng)成熟，產(chǎn)品經(jīng)受過市場的考驗，也符合消費者的使用習(xí)慣。另外, 在關(guān)注UWB的同時，開發(fā)其他更實用與更迫切的數(shù)字接口技術(shù)也逐步提上日程。

　　基于FPGA的UWB雷達PPM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

　　超寬帶UWB無線通信技術(shù)是一種基于直接發(fā)射窄脈沖的新技術(shù),因其具有低功耗、良好的抗干擾和抗多徑能力、穿透性能好等特點,特別適用于隱藏活動目標檢測和近距離數(shù)據(jù)傳輸.用于檢測隱藏活動目標的超寬帶雷達就是基于基帶無載波極窄脈沖的,有著廣闊的應(yīng)用前景.對比超寬帶的多種調(diào)制解調(diào)方式選取了脈沖位置調(diào)制.介紹了使用Verilog語言在FPGA上實現(xiàn)PPM調(diào)制解調(diào)器,實現(xiàn)了UWB雷達發(fā)送窄脈沖進行基帶調(diào)制.