直接序列超宽带技术的低功耗、高速、可伸缩特性分析

尽管直接序列超宽带(DS-UWB)技术还没有完全推向实际应用,但其固有的优越性能已经得到业界的关注,该技术具有良好的可伸缩性、低功耗特性、高速数据传输能力以及距离特性,适合于室内多媒体分布应用和手持无线数据传输应用。本文详细介绍了DS-UWB技术的这些性能特点。

直接序列超宽带(DS-UWB)技术目前处于IEEE 802.15.3a任务组的标准化考虑之中。这种技术充分利用超宽带(UWB)技术的固有优势,以提供比其它方法更卓越的性能和可伸缩性。

DS-UWB的物理层(PHY)已经过仔细设计,可以支持正在开发中的UWB标准将提供的关键应用。这些关键应用可以分成两个有明显不同要求的类,即无线室内视频分布应用和手持应用。无线室内视频分布应用的特点是要求高数据速率、支持多用户、性能稳定,没有严格的低功耗要求。相比之下,手持应用类对低成本和低功耗的要求很严格,而且还需要可扩展到极高数据速率(1Gbps以上)的扩展能力。S-UWB物理层提案已提交给IEEE,它将使15.3a标准UWB设备既提供高性能,又能提供高速率手持应用所需的低功耗/成本的可扩展特性。

在2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)为新一类基于超宽带技术的免许可证无线设备打开大门。新规则专门用来鼓励开发能充分利用超宽带技术固有优势的UWB设备,以现实短距离高速无线联网、精确测距和定位等应用。FCC允许这些设备使用现有无线服务所占的频带,但是要在极其低的功率水平下运行,以避免出现任何有干扰。

使高速数据传输成为可能

如上所述,DS-UWB提案的设计目的是满足更大范围的无线应用需求,包括无线室内音频/视频分布和移动/手持应用。为在这些应用中提供有效的可扩展性,必须既利用RF多径环境的自然可扩展性,又要利用真正UWB设计的本身优势。

也许UWB应用最艰难的设计挑战是设计一个可以扩展的系统,支持的速率能扩展到1Gbps以上,同时仍可以获得一个极低功耗的实现方案。为满足高速、低功耗设计要求,DS-UWB技术的设计曾经非常依赖于非常简单的二进制移相键控(即BPSK)调制技术,以及采用适度的前向纠错技术。

这种简单的BPSK调制采用非常短(小于1ns)的宽带脉冲,使得DS-UWB无线发射器极其简单。它完全不需要产生较多功耗的快速傅立叶变换或高速DAC(像某些窄带方法那样),因而使设备在几米范围内的发射数据速率达到1Gbps以上,而发射功耗却非常低。这个速度对于需要支持高速数据传输的多媒体播放器和其它电池供电的手持式消费电子设备是必需的。例如,一个手持式多媒体播放器传输一个500MB的电影文件,如果相应的无线链接可以提供1Gbps以上的数据传输速率,那么这样一个无线文件传输可以在几秒内完成。

低功耗和可伸缩性

对许多采用传统窄带技术的无线设备来说,比如OFDM,通常需要相当复杂的接收器设计,以便用高速的快速傅立叶变换(FFT)完成解调,并用强大的前向纠错解码来补偿严重的多径衰减(20dB或更高)。这些处理模块所需的复杂设计可能要增加上万个逻辑门,而且会使功耗大幅上升。DS-UWB方法避免了这些复杂设计,它利用了UWB技术固有的优势。因为对超宽带信号而言,接收的信号功率只会有微小的波动(仅几个dB),所以DS-UWB接收器可以使用相对简单的FEC解码器(其复杂度只是其它方法的一半)。事实上,距离较近时,DS-UWB系统甚至可以完全不需要FEC,这样就可以消除FEC解码器,而且大大降低了接收器的功耗。

DS-UWB方法的另一个关键优势就是它利用了该应用和本地无线电环境的自然伸缩特性来降低接收器的复杂度。对许多UWB应用来说,比如说需要100Mbps以下速率的流视频和多媒体,该DS-UWB接收器可以在较低的速率下完成其全部处理任务。例如,兼有多径信号能量的处理可以按照DS-UWB应用的数据速率成比例地减慢运行。对于像OFDM等其它方法,无线接收器总是不得不运行在高速率下(例如640Mbps),随后把多个原始数据位结合在一起以便获得可靠低速的数据模式。因而对手持应用来说,DS-UWB方法的接收器在较低速率下功耗要低很多,而且具有无可比拟的距离特性(range performance)。

为了使DS-UWB接收器在不需要过多处理功耗条件下达到超高数据速率,类似的可扩展特性也是必需的。对于需要极高速率(例如1Gbps以上)进行快速文件传输的应用来说,所需的工作距离仅仅几米而已。在这样的环境下,多径问题并不严重,因而DS-UWB接收器可以简化其信号处理。图1表示多径条件作为距离的一个函数是如何变化的,通过自适应这种变化条件,可以实现灵活的无线电设计来降低功耗和复杂度。例如,接收器梳状滤波器所用的多径选通器的数目可以减少,而且在某些情况下FEC甚至可以关掉。所有这些灵活性使DS-UWB接收器可以提供非常高的数据速率,同时降低处理功耗。

对于高速数据传输任务来说,采用如OFDM之类的其它窄带方法需要使用更复杂、更高功耗的处理来实现相同数据速率。复杂的方法,比如说同时采用多个OFDM频带或多传输/接收信号处理链,有可能使一个无线接收器的复杂度翻倍,同时大大增加了功耗。尽管窄带方法(500MHz或以下的瞬时带宽)还可以切换到较低效率的更高阶调制(比如QAM)以提高数据速率,但这又会使功耗和复杂度增加,同时还会降低传输距离。

作者: Matt Welborn

无线系统设计师

Freescale半导体公司