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技术@基于系统级芯片实现UWB无线链路


近年来 ， 短程 WPAN 网络（蓝牙或 Zigbee）开始流行 。 然而 ， 对于某些应用 ， 如无线视频传输或与计算机的大容量数据交换 ， 现有蓝牙或 Zigbee 的数据传输速率还是达不到要求 。 另一方面 ， 诸如 WLAN之类的无线技术又存在数据吞吐量不确定 ， 功耗高及电磁辐射大的缺点 。 相较之下 ， 超宽带（Ultra Wideband ， UWB）适合依赖电池供电的手持设备 ， 且电磁辐射非常低 。
UWB 是一种高带宽（480～1320Mb/s）的短程（10～50m）无线传输技术 ， 最初只作为一种军事技术 ， 直至 1994 年美国军方解除限制后才开始发展其商业用途 。 本文将讨论如何使用系统级芯片和极少的外设部件来实现 UWB 无线链路 。
双向无线对等传送网络
早期 UWB 芯片组的目标是在主流 PC 中替代 USB电缆 。 采用这类芯片组 ， 只需少量部件就可构建无线 USB ， 但却很难用于其他嵌入系统 。 通过绕经 USB 协议实现通信会产生额外的迟滞 ， 而这对需要完成同步加工生产的工业自动化设备来说是致命的 。 传输大量的数据（高清视频信号）要求与 UWB 媒体访问层直接快速接口 ， 而之前提及的 MAC-IP 就是通过 AHB 直接利访问系统总线 ， 不需绕过 USB 协议进行 。
任何设备都可启动通信通道 ， 连接网络中另一设备 。 连接嵌入系统常常需要建立一个网络 。 在该网络中 ， 所有成员享有相同的权利 ， 并可以任何方向在设备间传输数据 。 本文讨论的架构中便容许建立一个实现双向数据传输的媒体访问层 。
UWB MAC 支持两种通道访问方式 。 一种是以太网络协议采用的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision ， CSMA）通道访问方式 ， 该方式可实现较短的访问迟滞 ， 但不保障数据吞吐量 。 第二种为带有可保留时隙的时分多址（Time Division Multiplexing ， TDMA）方式 ， 该方式非常适合那些要求保障数据吞吐量的应用（视频传输） 。
某些数据传输（如高清视频）要求确保 400Mb/s 的数据传输速率 ， 而这是传统技术无法实现的 。
超宽带无线技术
在传统无线技术采用的无线访问机制 ， 吞吐量随通道占用情况而改变 。 这样 ， 其他接收设备可能会暂时降低带宽 。 而在 UWB 技术中 ， 收发期间通道则可一直保留 。
UWB 技术协议开销相当小 ， 而这一点对减小传输延迟非常重要 。 由于信息分布在 128 个子载波上 ， 因此可建立非常稳健的无线通道 。 下面将探讨更多的优势和细节 。
1 、 USB 无线通信层
与现在成熟应用的无线传输技术（如 WLAN）不同 ， UWB 每个通道占用 528MHz 频带；而 WLAN 通道频带最大只有 20MHz 。 三个 528MHz 的频带构成一个频带群 。 UWB 的整个频率范围为 3.1～10.6GHz ， 分成 5 个频带群 。 目前已有工作在频带群 1 和 3 的先进的双频带收发器 。
WiMedia-UWB 采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）调制技术 。 每个 528MHz 频带分为 128 个子载波；每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点（见图 2） 。 这也是“正交”名称的由来 。 承载信息被分配在 128 个子载波中 ， 每个 528MHz 通道的最大速率为 480Mb/s 。
技术@基于系统级芯片实现UWB无线链路
本文插图
图 2 每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点
由于子载波分布在 528MHz 的大带宽范围 ， 因此就可使发送功率降得很低 ， 如低至 37μW（相比而言 ， WLAN 发送功率则高于 300mW） 。 528MHz 的信息发送宽带和非常低的发送功率 ， 使得 UWB 易于与其他无线频率应用共存 。
尽管发送功率仅为 37μW ， 但其传输距离却达到 10m ， 并可轻松穿过 25cm 砖墙 。
2、 媒体访问控制层
UWB 无线通信层负责射频（RF）处理 ， 而媒体访问控制层则负责管理 UWB 网络和控制无线通信状态 。 当数个 UWB 设备相距很近时 ， 它们就构成所谓的点对点 Ad Hoc 网络 。 Ad Hoc 网络不是一个预先规划好的网络 ， 而是由相距很近的参与设备构建 ， 参与设备可酌情加入和退出 。


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