升级直接序列UWB系统

IEEE 802.15 工作组正在开发超宽带标准,这些标准提供数据率从数百千比特/秒到1000兆比特/秒或更高的无线通信,传输距离也从几米到几十米或更远,并带来相对大范围的多径信道特性,其变化超过一个数量级(就多径延迟展宽而言)。设计这样一个速率和工作信道跨越一个或更大数量级的系统是一项艰巨挑战,尤其是这些应用还需实现高效、低功耗及低成本。即便如此,这样的系统仍可实现。

几乎所有无线系统都可在传输距离和传输速率之间折衷,其它因素也是如此。发送的每比特能量越大,传输距离就越长,这就允许在相同的平均传输功率条件下发送较少的比特。例如,如果系统数据率提高一倍,则每数据比特能量可降低一半(减少3dB)。假定传播损耗随距离平方的反比(1/R2)变化,每比特较低能量会造成传输距离减少约30%。

有时若系统速率提高,它还必须改变调制方式,这些调制方式有不同的每比特能量基准要求。比如,如果系统的带宽受限,要在相同信号带宽条件下获得两倍的数据速率,它就不得不变正交相移键控(QPSK,每符号2比特)为16进制正交幅度调制(16QAM,每符号4比特)。如此,每比特传输能量仍然同样降低3dB(因数据率加倍导致),而实际上还存在额外的传输距离损失,这是由于要获得同等的误码率性能,16QAM每比特能量要比QPSK高出4dB。

所以,当系统改用16QAM时,传输距离不是减少30%,而是56%。类似地,16进制相移键控(16PSK)会造成更大的功率效率损失(约10dB),这时更高的数据率会使传输距离减少75%以上。

为避免这类伸缩问题,必须设计能支持极高速率但无需采用较低功率效率调制的系统,直接序列(DS)UWB就是一例。DS-UWB基于扩频技术,UWB脉冲序列用二进制移相键控调制。由于具有高的脉冲速率和信号带宽(1,326 MHz),DS-UWB在达到极高的数据速率时也不需要改用更高阶调制:在仍采用相对简单、高效的BPSK调制的情况下,其自身也很容易达到1,000 Mbps以上的速率。

利用高阶调制把系统扩展到更高速率时,会增加复杂度。一般,支持16 QAM的接收机要求采用更高精度的模数转换器(ADC)、更高精度的内部处理和更加严格的放大器。这些因素导致UWB系统成本和功耗增加。要想扩展到所需的极高速率而又不需高阶调制和增加复杂度,一种办法是使用单载波宽带信号。

对于为无线个人区域网应用而设计的UWB系统,第二个可伸缩性的关键因素是在各种多径信道环境下系统有效工作的能力。换言之,设计的系统必须在很恶劣的信道环境下也能工作,在不太严重的多径环境下则能降低其对处理能力的要求(由此消耗较少的电池能量)。

对于室内无线个人局域网应用,射频(RF)信道环境始终存在多径传播。不过,不同传输距离和应用场合会有不同的多径展宽,其数值也有较大范围的变化。ALT="图:一个自适应DS-UWB的rake接收器架构">

例如,多径均方根(RMS)延迟展宽可从5ns变到25ns或更宽,这取决于传输距离和视线条件。对于短距离传输(2到3米),这种延迟展宽甚至可以到3ns或者更小。如果UWB系统能够针对多径信道环境自适应调整,当它随不同环境和应用伸缩时,就可以提供更高效的处理能力并降低功耗。

为了理解可伸缩能力的重要性,考虑在一个典型的UWB接收机中,多径环境很大程度上决定了需多少处理能力才能获得可接受的性能。为对付多径传播效应,要进行一些重要处理:采用快速富立叶变换(FFT)或rake处理积聚时间散射信号能量；前向纠错解码及信号均衡,这些手段均能对付多径造成的信号散射和衰落。

如果系统设计不好,接收机始终工作在最坏的多径环境假设条件下,当环境不太恶劣时,它会去实施大量多余的处理。这样的系统为在各种RF环境中工作的手持和便携式设备提供高效、低功耗处理的能力十分有限。

今后高数据速率无线应用要取代有线应用,适应信道环境的能力尤其重要。前面列出的接收机功能要求在高数据速率时以更高速度进行处理,即便信道环境不那么恶劣,因为这时候传输距离本来就更短。

如果系统无法针对处理要求较低的多径环境进行调整,接收信号就会受到多余的处理。这类系统是次优的,并可能在高数据速率时(500到1,000 Mbps以上)无法提供高效的低功耗操作。

UWB系统提供接收机可伸缩处理的能力取决于信号格式与接收机结构两者。对DS-UWB,接收机能量捕获(rake)与 均衡的功能按照符号速率来实现,因此较低数据速率的应用自然只需较少的处理能力。

同时,这些功能的处理复杂度也可伸缩,以适应现有的多径环境。例如,rake 处理在DS-UWB接收机中用于能量捕获,通过改变rake 抽头,该功能就成为可伸缩的。随着采集期间rake得到训练,接收机就能计算出当前多径信道环境下所需的抽头数,从而决定要获得既定性能所需的处理数量。

直接序列UWB是一种单载波、高脉冲速率UWB技术,采用简单有效的BPSK调制,这种技术可扩展到极高的数据率(1,000 Mbps以上)。DS-UWB方法可利用灵活的时域处理技术,这些技术允许接收机利用多径信道环境的变化使设备功耗最小化并为手持多媒体WPAN应用提供最佳解决方案。

John McCorkle 是Freescale公司半导体UWB业务部的首席技术专家。

作者:John McCorkle

首席技术专家

Freescale公司半导体UWB业务部