第七章UWB

UWB(UltraWideband)是利用脉冲信号进行高速无线数据传输的短程通信技术。2002年2月，美国FCC正式批准UWB商用，这项技术的市场前景开始受到世人的瞩目。根据美国联邦通信委员会FCC的定义，凡是所用带宽与中心工作频率之比大于的25%或者是绝对带宽大于1.5G赫兹的信号，就被称之为“超宽带”(UltraWideband)。例如一个系统中心频率为4GHz，可以使用的带宽超过1GHz就为超宽带。而通常的窄带无线通信系统所用带宽只有几十到几百MHz，例如802.11b的带宽就只用80MHz。UWB之所以能够达到如此大的带宽，是因为这种技术所采用的时域调制方式，通过发送短脉冲进行通信的，每个脉冲只有百万亿分之一秒，传输速率可达40-60M/秒，理论上甚至可以达到1G/秒。UWB之所以受到关注，主要是由于其技术特性上有其它无线通信系统无法相比的优势。除了高传输速率、低发射功率以外，结构简单、抗干扰能力强和安全性高也是优点。组建家庭娱乐网络：UWB可以被内置在电视、DVD、机顶盒、音响以及投影仪等家庭娱乐设备上，用来传输高品质的多媒体应用，如HDTV(高清晰电视)信号等。“数字化家庭”或“数字家庭网络”的概念日益广泛普及的今天，关注这一概念的消费电子产品厂商正试图用无线网络将消费者家中的电器连接起来，使各种大带宽的Video信息可以在这些电器之间传递和交换。随着计算机技术和移动通信技术的发展，越来越多的消费电子产品(如高清数字有线电视、便携式摄像机、DVD机、电子游戏机等)开始进入普通家庭，给人们的生活带来了极大的便捷。但是随着生活水平的逐渐提高，人们开始不满足各种电器的独立工作，希望家用电器之间可以相互通信合作提供更高级的功能，所以组建数字家庭网络便成为了一种趋势。未来数字家庭网络的发展是一个集娱乐、通信、教育、办公、定位等多方面功能的为一体的无线个域网，各种终端之间能够进行高速的多业务数据通信，而且要求节能省电，信号辐射不能危及到用户健康。这就要求网络的无线联接技术要有高数据传输率并且功耗低，辐射小。UWB技术的提出，由于其具有高达500Mbps的数据传输率、功率谱密度低于声、抗多径能力强、穿透力强等优点，使得UWB技术从众多的无线通信技术中脱颖而出，成为了构建数字家庭网络的首选互联技术，在数字家庭网络中具有很好的应用前景.如UWB技术可以与发展成熟的蓝牙技术相结合，提高蓝牙技术的传输性能，从而促进手机、移动硬盘等各种植入蓝牙技术的移动终端的无线传输速率；将UWB技术与USB技术相结合，提高U盘、电脑等终端的数据传输速率；将UWB信号加入固定电话系统传输，简易实现可视电话；将UWB技术作为触摸屏的实现技术等等。未来随着UWB技术的发展成熟，相信UWB技术在数字家庭网络中将具有越来越大的应用价值，能够很好的促进数字家庭网络的发展，基于UWB技术的数字家庭网络即将服务于人们的生活。将UWB技术与数字电视系统相结合.家庭网络内部终端多，传输距离近，信息通信频繁和传输数据量大等这些特点以及节能健康等特殊要求对无线互联技术提出了很高的要求。超宽带通信技术由于在10m范围内可实现高达500Mbps的传输速率，非常适合用于终端设备和便携式设备间的多媒体数据传输，且具有精确的测距和定位功能；作为一种无线通信技术，UWB具有很好的灵活性，自组网性，加之功率谱密度接近白噪声，对其他设备的电磁兼容特性也比较好，低功率使其适合应用于无线个域网而不会对人体产生太多的辐射伤害，满足节能健康的要求；UWB信号采用的是纳秒或者亚纳秒级的窄脉冲，具有很强的时间分辨力，穿透力以及抗多径能力，适合在复杂的室内环境中传输。综上所述，UWB技术本身具有的技术优势使得UWB技术成为了构建数字家庭网络的首选技术。在家庭网络内部，家庭内部环境的特殊性，如范围窄、终端多、障碍物杂、业务数据量大、通信需求频繁、多种通信标准共存等，UWB技术凭借其本身的技术特点能较好的满足家庭网络建设的各种要求。因此，在设计中选择UWB技术作为家庭网络内部终端的互联技术，只要在各个家电中(包括家庭网关)加入统一的UWB无线收发模块，即无线接口，各家电之间就可以利用UWB技术进行高速、可靠、低功耗、低辐射的无线通信。而且，由于UWB技术具有很好的自组网能力，则任何一个家电都可以随时接入网络和退出网络。在设计中，外网与家庭网络间的数据传输采用无源光纤网络进行传输，原因是PON与有源光纤接入技术相比，系统维护简单、可靠性高、成本低、低辐射、低干扰、保密性强等优点，是光纤入户的最佳选择。家庭网关是整个家庭网络的核心，在家庭内部控制、协调所有设备的通信，对外联接各种网络获取数据信息，使家庭网络与外面网络能进行数据通讯，在整个数字家庭中起到了整体控制与协调的作用。家庭网关主要由两个部分组成，分别是电缆调制解调器和宽带协议转换模块。电缆调制解调器主要用于对数据进行光电转换，并进行必要的调制编码等信号处理；宽带协议转换模块是家庭网关的核心，由于PON数据传输与无线UWB通信之间存在帧格式差异和传输速率差异，通过该协议转换可实现PON传输和UWB通信的平滑过渡，使这两种完全不同的通信方式实现互联互通。针对现在的有线数字电视系统普及率高，发展快的现状以及上述有线电视光纤传输网络的选择，从经济角度出发，设计选择将家庭网关功能模块植入数字电视机顶盒，机顶盒的原理图如图所示。机顶盒在处理电视信号的同时担任家庭网关的角色，并选择数字电视机做为总控制操作界面，这样将会为以后数字家庭网络的组建节省很多的建设成本，而且有助于促进数字家庭网络的全面发展。改造后的机顶盒如上图所示。在不影响现有电视系统播放的情况下，利用UWB信号在HFC(混合光纤同轴电缆网,是一种经济实用的综合数字服务宽带网接入技术)系统中传输，提高CATV(CommunityAntennaTelevision，广电有线电视系统，或者广电有线电视网络)系统的传输容量，不仅可以进行新电视业务的开发，而且还可以用于传输外网的数据信息，使家电终端间实现更多的数据共享。另外，利用UWB信号定位精度高的特点，各家电终端只要对机顶盒发出定位请求，在机顶盒的统筹协调下，就可以简易的实现自我定位，甚至是动态跟踪。因此，通过对机顶盒进行改造，使未来的以机顶盒为核心的数字家庭网络实现高速、便捷、多功能化的信息通信，不但节约建设成本，而且简单易行。家庭网络主要由三个部分组成，分别是家庭网关、传输技术以及各种家电终端。家电终端就是指存在于家庭网络内部的各种家用电器，如电脑，手机，摄像机等。家庭网络就是在家庭网关的控制下，通过互联技术实现各种终端的相互通信，形成一个自组织网络。首先，PON技术实现了家庭网络获取外部核心网信息的透明传输；其次，通过家庭网关“机顶盒”内部的协议转换模块，实现PON传输模式到UWB传输模式的平滑过渡；最后，UWB技术可实现家庭网关与室内终端设备以及终端设备间无阻塞的数据传输，实现家庭网内部数据的共享。下图是基于PON和UWB两种传输技术相结合的数字家庭网络系统组织图，一方面，通过PON接入家庭网关实现与互联网的连接，可实现视频点播，远程控制和数据传输等功能；另一方面通过UWB技术，各个终端与机顶盒进行信息交互，在机顶盒的协调控制下进行有序的相互通信。但是随着家庭内部终端的增加，如果每个终端在通信之前都要向机顶盒发送通信请求以获取通信资源的话，就会造成机顶盒的信息饱和，产生网络瓶颈。针对这个问题，我们可以通过增加局部网关加以解决，如在局部网关“电脑”的协调控制下，各种数字多媒体设备和便携式设备，如数码摄像机、计算机、可视电话、投影仪、打印机、传真机、移动硬盘等，先通过UWB技术在小范围内组成局部的自组织网络，相互高速传送多媒体数据，构建个人化办公信息系统或多媒体娱乐子系统，然后通过电脑和机顶盒的信息交互，实现子系统与其他家庭终端的通信或者获取外部网络的数据信息。这一方案可以有效解决网络中所有瓶颈问题，使用户真正享有了有线的无限(带宽的无限)、避免了无线的有限(带宽，距离上的有限)，享受了无线的无限(应用及自由度的无限)，避免了有线的有限(应有上的有限)。在数字家庭网络中，所有的终端(用户)通过统一的UWB收发接口进行信息交互，存在在同一时刻多个用户向目标接收机发送数据的情况。这就要求系统提供多址接入功能，实现不同发射机和接收机的匹配通信。目前，多址接入的方法主要有时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)，被分割的资源分别是时间、频率和一组码。鉴于UWB技术是直接发送基带窄脉冲进行通信，属于时域通信，所以家庭网络可以采用TDMA，充分发挥窄脉冲在时间上可分离的特性，使得超宽带脉冲无线电(IR-UWB)可以使用TH序列从时间上区分不同的用户，实现多用户的对等通信。这种划分资源的方式称为跳时多址(THMA)，通过码和时间实现资源的划分，使用户可以对等的共享传输资源。因此，设计中的数字家庭网络其实就是一个THMA-UWB系统。在THMA系统中，不同的用户通过不同的码进行时域上的分离。每个码对传输信号的作用就是让参考接收机能够将有用信号与其他用户的信号分离开来，对参考接收机而言，其他用户的信号将被视为干扰信号。是否可以消除这些不需要的信号成分，主要取决于码的特性和系统的同步。组建无线个域网：多个内置UWB的移动终端(如PDA、笔记本电脑等)，可以形成一个WPAN，便于高速传输数据，还可以向家庭娱乐网络发送多媒体内容。雷达探测：UWB设备具有很强的穿透能力，如墙壁等，可以使警察、消防员和救援人员在紧急情况下能够迅速找到藏在墙后或者是被埋在废墟中的人。UWB探测成像系统同样也可以用于提高建筑和家庭维修行业的安全性。汽车防撞系统是一种可向司机预先发出视听告警信号的探测装置,它安装在汽车上,能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物;能向司机及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号,促使司机采取应急措施来应付特殊险情,避免损失。近十几年来,美国、日本和欧洲等多家著名汽车公司投入巨额资金,先后研制成功了24GHz、60GHz、76.5GHz3种频率的单脉冲和调频连续波2种体制的汽车防撞雷达系统。事实上,除雷达外,诸如超声波、红外激光以及视频等技术均可考虑用于汽车防撞。基于超宽带技术的汽车防撞系统是全新的探测技术,它通过发射GHz量级超宽带信号探测目标,用雷达原理测距测速,通过检测目标的回波来判断目标的存在。汽车雷达防撞系统的主要设计思想是考虑到交通事故往往发生在路况复杂、能见度差、驾驶员疲劳的情况下,所以其主要的设计目的是及早发现前方有潜在危险的目标,提供一个多媒体报警显示平台,及时提醒驾驶员做出相应的处理动作。防撞雷达的主要技术参数如下:(1)全天候型警示雷达系统,在雾、雪、夜等各种恶劣的气象环境和复杂的路况条件下均可正常工作。(2)脉冲形式:UWB脉冲。(3)发射机输出功率:5mW。(4)天线水平波束宽度:6°。(5)作用距离:200m。(6)更新速率:40次/秒。根据UWB汽车防撞雷达系统的总体设计要求,系统硬件结构框图如图所示。整个系统包括4个部分:UWB脉冲产生、发射及接收、信号处理和数码显示报警。系统中采用Xilinx公司的大规模可编程逻辑器件FPGA与TI公司的DSP芯片相结合,主要功能均由软件编程实现。系统工作时,发射端发射UWB脉冲,接收端接收到的雷达回波模拟信号经AD公司的AD9042变换为原始雷达数字信号。FPGA中通过可编程电路产生地址和控制信号,从而将数字信号送入双口RAM的指定地址,以便DSP进行读取。DSP根据公式算出前方目标的速度和距离,通过数码管实时显示出来。同时系统还会根据不同的危险程度发出不同的声光报警。信号处理程序代码存放在外部闪存中,当信号处理机脱机运行时,主程序代码能够在系统加电后自动装载到DSP片内的RAM中运行。UWB极窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管、隧道二极管或阶跃恢复二极管实现。TMS320-