利用超宽带打造完美的家庭网络

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彭 湃
(飞思卡尔半导体中国有限公司 上海分公司,上海200001)

　　随着各种各样的无线终端和数码设备等多媒体设备和应用的增加,数字高清电视、数字高清影碟机、数码音响系统、数码相机和数码摄像机等都已经走入寻常百姓家。家庭市场对于这些多媒体设备间的高速无线互连的需求也更为迫切,但现有的技术方案无法满足该市场的特殊要求。家庭网络市场仍在寻找适合自己的无线解决方案。几十年来,经典的无线设计一直在数据速率、芯片级实施成本及系统总体功耗之间进行权衡。家庭无线市场比较特殊,因为它同时要求高数据速率(支持多个数字音视频流)、非常低的成本(以利于消费者广泛接受)以及非常低的功耗(以便能嵌入到电池供电的手持设备)。以全新方式设计出的超宽带(UWB)无线通信系统,对家庭市场的这一需求做出了响应。

　　超宽带系统目前广泛应用于家庭娱乐系统的无线连接,如家庭媒体中心、机顶盒、电脑、各种播放器等与大屏幕高清电视的连接;超宽带系统还非常适用于各种移动设备和娱乐设备之间的连接,如手机和电脑等,所以业界普遍认为它是未来短距离高速无线系统的最佳解决方案之一。

　　在这里,通过以下介绍DS-UWB和蜂窝移动电话CDMA之间的差别,让大家对超宽带系统的技术及方案有一个系统的了解。

　　尽管术语CDMA被用来描述DS-UWB,但是DS-UWB和蜂窝移动电话CDMA所用的核心技术实际上有很大区别。二个不同工程领域所要解决的问题针对于完全不同的应用模式。驱动蜂窝移动电话CDMA发展和实施的应用模式是拥有成千上万个用户同时工作的基站/客户模式。该模式没有对等连接,以低速率(kbps)运行,覆盖长距离(数英里)。而驱动DS-UWB发展和实施的应用模式则恰好相反,即只有一个或少数几个用户以对等方式连接,没有基站,高速率运行(100Mbps 至Gbps),覆盖短距离(10米以内)。

　　这二个系统的相似之处并不像人们想象的那么多,他们在很多方面都不同。一个系统中的关键技术对另外一个系统来讲并不是关键的。蜂窝移动电话CDMA与DS-UMB之间的区别如表1所示。

　　蜂窝移动电话CDMA中每个人(或每个单独用户)使用一个码——他自己独有的码。码分多址或CDMA指无线信道用码来区分,因此多个用户可以同时工作运行,每个用户可以用各自的码进行区分。相反,DS-UWB中用户通过TDMA/TDD而不是CDMA来共享频谱,不是每个用户都有惟一的码,而是微微网中所有的用户共用同一个码。

　　CDMA和DS-UWB之间的惟一共同点是都使用码,但是使用这些码的目的不同。DS-UWB中的码主要用于低电压运行,发送24个小脉冲而不是一个大脉冲。体积小、雪崩电压低的65nm的CMOS发射器仍能直接驱动50ohm的传输线,获得合情理的发射机输出功率。从而可以建立一个低功耗、高性能、造价低的UWB无线系统。它省去了昂贵的功率放大器和有损耗的转换器以及消耗的一些材料。

　　1～3GHz范围的码片速率易于实现,但高电压就不行。使用高码片速率是由低造价、低功耗的市场需求所驱动的,而并非因为它是实现DS-UWB的惟一方式。

　　人们有时将CDMA的多用户类比为DS-UWB中的多微微网,即多址术语相应于DS-UWB中的多个交叠的微微网。这个类比用于DS-UWB是因为不同微微网可以采用不同的码。然而这种类比不完全正确。事实上,码分多址概念不必用于DS-UWB,因为交叠的微微网实际上可以采用相同的码——相邻的微微网采用不同的码片速率。其结果是一个微微网中的码相对于另一个交叠微微网的码不同步,于是二个用户或二个微微网被码的RMS互相关区分开来,这完全不同于二个不同的而又几乎同步的CDMA码之间的零互相关。与其称为CDMA,倒不如更准确地将DS-UWB称为旋转速率区分多址(Spin-Rate Division Muliple Access,SRDMA)。DS-UWB不必采用不同的码,因为此时码的正交性不像它在蜂窝移动电话CDMA中那样至关重要。采用不同码字主要影响着峰值互相关和RMS互相关矩阵,就像它们在CDMA中那样这些值并不为零。换句话说,即使有良好的正交性(即码之间的互相关很小),而码字太短,增益太低,以使得传统的蜂窝移动电话类型的CDMA多用户工作运行,其中不希望用户的能量可能比希望用户的能量强20dB。
　　DS-UWB中的码字是用于协助同步的。较长的码提供较高的积分增益,从而以较高的信噪比产生同步。较长的码也能用于区分不同的微微网,即易于跟希望的微微网同步。同步之后,数据速率便可以转换到支持传送净荷的高速率。这种速率的改变是通过改变码长实现的。在高速率的情况下,码字太短就不能实现不同码之间有效的隔离。在这种短码的情况下,CDMA码分多址是不可能实现的,但码片速率的差异能够提供RMS的隔离,则可以用于交叠的微微网。

                                表1 CDMA和DS-UWB的区别

	蜂窝移动电话CDMA	DS-UWB
拓扑	所有的数据都经过基站;             每个用户有不同的CDMA码	数据在微微网内采用TDMA以对等的方式传送;             同一个微微网内的所有用户均使用相同的CDMA码;             相互独立的微微网也可以采用不同的码,但不是必须的
距离	远(离基站几公里)	近(10米对等网)
同时工作的用             户码的数目	很大(成千上万用户)	小(很少的几个重叠微微网)
数据速率	低(kbps)	极高(100Mbps 至Gbps)
编码增益	高	低
码同步	是(用户与基站同步)	否(重叠微微网故意不同步)
码	在基站保持同步的纯正交             沃尔什码,以保持正交性	通过计算机搜索找到的伪正交M-BOK码集;             微微网间的码集不同步
码性能	隔离度(即正交性)由保持             正交性的准确度来控制	隔离度由“旋转”(即不同步)的码集和             不同的M-BOK码集之间的RMS互相关来控制
频谱随机性	覆盖码和数据白化器             (沃尔什码具有差的PSD)	M-BOK码集低峰均比的PSD和数据白化器
功率控制目标	使得来自每个用户的信号             以同样的功率到达基站	使本地总的容量最大,以满足每个对等链路的需要,使发射功率最小化
功率控制	对系统运行是关键的	非关键;             在一个微小区的用户使用TDMA,并不是同时发射
Fo(中心频率)             Fc(码片速率)             带宽	各自都是相互独立的。             ·上变频到射频只是将固定频带的信号做频谱搬移;             ·每码片的射频周期随中心频率而改变	所有的都锁定在一起。             ·Fo＝3Fc;             ·带宽正比于Fo;             ·小波(或码片)总是3个射频周期,             　与码片速率或中心频率无关