全新的无线传输观念

超宽频通讯是指使用比现存系统的频宽大更多的讯号来传输系统，其频宽可以高达几GHz。在部分文献中，只有3dB频宽比中心频率的四分之一还要宽的讯号才可称为超宽频讯号。由通讯理论的观点来看，一个系统最高可以传输的速度和其讯号频宽成正比，所以用这么大的频宽来传输资料在理论上是相当有意义的。

由傅立叶转换的理论来看，高频宽相当于讯号在时间轴上占的宽度越短，而在这样的系统中，讯号往往不是弦波而是宽度只有奈秒（10的负9次方）的短脉冲

（也有使用弦波的超宽频系统，会在后面说明）。假使用十个脉冲来代表一个数位的0或1的话，将可以在每秒传送100M位元的资料。由于该观念相当新颖，因此全世界各大通讯研究机构已投入相当的经费和人力来发展这个领域。

一般的无线传输调变会根据数位的0或1改变传送弦波的频率、振幅或相位。如果将弦波换成短脉冲的话，一样可以改变脉冲的极性、振幅或位置来传送数位资料。 (图一)即为改变脉冲极性的例子。

图一 : 弦波调变与超宽带脉冲调变

历史足迹

最早的超宽频技术是在美国和苏联冷战时期发展出来的。在当时，一般的技术都只能量测系统的频率响应而无法直接得知系统的脉冲响应。于是在1962年一群美国工程师做出可以产生奈秒脉冲宽度的短脉冲讯号产生器来直接观察微波网路系统的脉冲响应。有了这个产生器，美国军方的研究人员发现短脉冲讯号很难从杂讯中分离出来，因而很难被他人/敌方拦截并接收解码，而开始发展这个技术。

一直到80年代中期，短脉冲发射和接收装置被广泛的运用在军用天线、雷达、资料传输和定位系统上。不过在这个期间中，短脉冲技术有各式各样的名字，像基频传输、无载波系统、非弦波技术等等，一直到1989年美国国防部才开始用超宽频来称呼这个技术。在1990年，工程师已经可以用低成本来制造脉冲宽度1～3奈秒的短脉冲雷达，也在这个时候，美国终于将超宽频技术开放给非军方单位研究，而大幅的加速这个领域的进展。

在1993年到1999年间，美国南加州大学休兹教授（Robert Scholtz）领导的研究团队率先向学术界发表了一系列对商用超宽频无线通讯系统的研究成果。他们由通讯理论的观点来说明使用短脉冲讯号配合展频通讯技术可以让50个人以每秒9Mb的速度在1GHz的频宽中传输。同时他们也量测并建立了一个机率模型来描述短脉冲讯号在室内传输时的通道。有了这个模型，研究人员与工程师可以很容易的设计传送和接收器并在电脑上面模拟其效能并修改出新的架构。有了这些理论基础，通讯领域的其他研究员开始注意到这个新的商用无线通讯系统而竞相投入人力来改良。

在各方机构的催促和关切之下，美国联邦通讯委员会（FCC）终于在2002年通过超宽频的使用频带和其功率限制，如(图二)所示。在美国联邦管制人员的规划中，超宽频系统可以使用近10GHz的超高频宽。但由于担心这个宽频讯号会干扰到现存的全球定位系统（GPS）、国防通讯、GSM和3G行动通讯系统，他们限制超宽频系统只能在0～960MHz和3.1～10.6 GHz这两个频带可以有完整的发射讯号功率，在1～3GHz间必需衰减大约10～30分贝，相当于原来强度的千分之一到十分之一。在室外使用时，由于较容易干扰GPS讯号，因此衰减量要比室内高。即使在可以用最高功率发射的频带，也只能以-41dBm/MHz的功率发射，只相当于当红的IEEE 802.11a无线区域网路发射功率的万分之一。

图二 : FCC对超宽带讯号的功率限制

个人无线区域网路

目前国际电子工程协会（IEEE）的标准制订小组正考虑将超宽频应用在个人无线区域网路（Wireless PAN）上面。这个网路着眼于行动时代中各种可携式电子产品之间的无线资料传输。在我们身旁有越来越多的装置需要互相传输或上网，像个人数位助理（PDA）、笔记型电脑、数位相机、行动电话等等。可是目前需要较高速传输的装置，都需要USB线或1394线来连接。Wireless PAN 希望可以取代周遭的数位传输线，甚至希望可以让科幻电影中的智慧家庭（Smart Home）出现，让我们一回到家各式各样的电器会自动开启服务。目前分析师评估这个标准的产值可望在2007年达到13.9亿美元，因此许多大厂都竞相参加标准制订的活动。以下为大家介绍超宽频技术在高速和低速个人区域网路上的应用现况。

高速IEEE 802.15.3a

高速个人区域网路标准IEEE 802.15.3a希望可以在10公尺的短距离内达到每秒110Mb位元的传输率，在更短的2公尺内则希望达到每秒480Mb位元，其主要应用于影音传输需求高的消费性电子产品。希望透过超宽频无线网路，就可以把数位相机或DVD Player的相片和影片传到家庭电影院里面，而不需要绕来绕去的传输线。而这种速率也可以让现有的有线介面IEEE 1394或是USB 2.0都变成无线。这样短距离高速率的无线系统势必将会压挤到蓝芽（Bluetooth）技术的生存空间。由于传输速率高，这个标准使用3.1～10.6 GHz频带，整整有7GHz的频宽可用。

目前有两大阵营在竞争这个标准，一个是由摩托罗拉（Motorola）所提出，使用短脉冲配合直接序列展频（Direct sequence spread spectrum；DSSS）原理的系统；另一个则是由英特尔（Intel）和德州仪器（TI）所提出，使用和IEEE 802.11a相同的正交分频多工调变（orthogonal frequency division modulation；OFDM）技术。与使用短脉冲来调变不同的是，正交分频多工调变使用许多不同频率但正交的正弦波和余弦波，利用改变其振幅和相角的方式来传送数位资料。其唯一和短脉冲技术相同的只是都使用相同的频带，因此这两个阵营可以说是水火不容、互不相让。也就因此，此一标准所将采行的技术迟至今日尚未定案。

摩托罗拉提出的技术将频带分成两部分，低频的3.1到5.2 GHz和高频的5.8到10.6 GHz，高频带的传输速度是低频带的两倍。在无线电干扰中，有一种称为多路径干扰的问题。相同的传送讯号会因为房间中物体的反射而产生两个到多个不同的路径，这些路径有的长有的短，会使的反射讯号在不同时间抵达。最坏的情况就像波动重叠时波峰和波谷相消性干涉一样，让接收端完全收不到传出来的电波。但在这个系统中，利用直接序列展频技术所设计的接收机可以把经由不同路径抵达接收机的讯号分离，并把它们调整到适当的位置后让它们加成起来。不仅可以避免互相抵销的问题还可以让收到的讯号变得更强。除此之外，直接序列展频技术还可以让多个超宽频讯号在同一个频带同一个时间传送与接收，提高频谱的使用效率。

英特尔和德州仪器提出的OFDM技术则是利用巧妙的讯号设计，让多路径干扰变得很单纯。其原理利用一个很简单的数学关系，在时域上面的多路径干扰如果转到频域上面来看的话，只不过是改变在每一个传送弦波的振幅与相角。这样接收机只要把放大或缩小与相角转动弦波调整回来就可获得良好的讯号品质。其在3.1到4.8GHz使用128个不同频率的弦波来传送讯号，更高频带则等到电路技术更成熟时再使用。

使两大阵营除了上面提到解决多路径问题的效率之外，还包括许多原因，抗干扰就是其中的一个重要因素。之前提到超宽频系统和目前使用中的系统频带重叠，这不仅造成超宽频系统会干扰现有系统，现有系统的讯号也会干扰超宽频系统。超宽频接收机开了一扇大门让自己的讯号进来，比较窄频的其他信号当然也跑的进来。因为这些干扰的强度非常强，不去处理它们又不行。所以接收机能否克服此类干扰的能力也列为重要指标之一。(图三)画出一些主要的干扰讯号。

图三 : 窄频干扰讯号分布图

另外一个诉求的重点在于制作成本。虽然超宽频技术很棒，速率比蓝芽快10倍又省电，可是价格贵上好几倍，这样一般消费大众恐怕不愿意掏腰包购买。这些问题就在规格制订小组的会议室中一再地被讨论但一直都没有共识，也没有任何一个技术通过75％同意票的门槛，而美国联邦通讯委员会也不愿表态支持那一个技术。因此有人主张与其再这样下去2004年结束前也不会有结论，不如两种技术一起列入标准，直接交由市场决定，以免误了商机。

低速低耗电IEEE 802.15 SG4a

IEEE 802.15个人区域网路的制订小组正在拟定另外一个使用超宽频短脉冲传输系统的标准-IEEE 802.15 SG4a。这个标准的特色是它的传输率并不高，大约最高到每秒1Mb。和TG3a不同的是，这样的低传输率在同样的发射能量下可以将资料传送比较远，大概可以达到70至100公尺。而且由于传输率的要求并不高，所以接收器并不需要做的很复杂、很耗电，这样可以解决电池耗电的问题。以目前的科技进展来看，体积很小但蓄电量很高的电池恐怕还需要甚久的研发。如果我们将接收机做的很小很省电，一样可以延长无线装置的待机时间。而基频短脉冲传输系统由于不需要将电波载到一个高频的弦波上来传送，先天上就比使用载波的通讯系统少些讯号处理过程，因而相对而言耗电较低。此外短脉冲接收机由于可以精确的捉到每个脉冲的位置，而可以达到三点定位的功能。比起现有使用卫星来定位的GPS系统，短脉冲系统可以达到更精确的定位。

如果将超宽频传收机加上感测器（Sensor）且大量的布建这种装置的话，将可以形成一个具定位功能的无线感测器网路（Wireless sensor network）。这样的系统可以达到比传统通讯系统更加有效的应用，比如说在火灾现场，消防队员只要配戴这些接收器，救灾指挥中心就可以知道所有人的位置来加以指挥。这样每个消防队员不但可以知道对方的位置还可以很快的避开危险的地方和找到生还者。另外一个有趣的应用是智慧家庭，当家里的某一位成员回家时，在他手表上的超宽频装置就会和家中其他的超宽频装置网路沟通，让大家知道家人回家了。而当他走到客厅时，网路侦测到其位置，则会自动地将电灯打开。而工厂的老板也可以在货物上面贴上这种装置，整个无线网路就会自动向主电脑报告现在货物的状态，建立所谓的虚拟盘点而省下许多的人物力。目前这个标准希望可以在今年3月时被IEEE核准，并进一步地制定相关技术的细节。

欧日和台湾发展近况

而目前除了美国之外，欧洲和日​​本也相继开始与超宽频技术有关的计画。欧洲电信联盟（ETSI）执行了几个和超宽频有关的计画如Ultra Waves和Pulser等等，希望可以在欧洲将超宽频技术的应用商业化。目前他们也提出和美国联邦通讯委员会相似的发射频谱限制。日本通讯研究实验室（CRL）也成立了超宽频技术研究室，并积极参与IEEE 802.15.3a标准的制订，其总务省也计画在2002年第四季时核准部份商业超宽频装置的使用。而在台湾，目前台大电子所正在进行的一项研究计画，希望可以用积体电路来实现短脉冲超宽频通讯系统。而交大和成大也投入研究人力在超宽频系统相关的通道量测和天线制作上。而工研院的产业分析师也表示相较于蓝芽而言，超宽频商用系统还处于萌芽阶段，因此目前是国内厂商参与的最佳时机。

结论

超宽频通讯系统是目前全球通讯界一个热门的话题，其基本想法是使用很大的讯号频宽来提升传输的速度。目前在商业上可能的应用范围为个人区域网路，希望能改良我们四周可携式电子产品之间的无线资料传输，更者希望让日常家电也能互相沟通。由于应用层面的不同，IEEE正在制订高速和低速两个商业标准，前者希望能在短距离内可以达到和目前无线区域网路匹敌的速度而后者希望可以达到低成本低耗电。目前这个技术还有相当多问题可以研究，包括讯号发射频谱、抗窄频干扰、抗多路径干扰等等。在电路实现上，要如何达到低成本低耗电而不牺牲通讯品质也是一大挑战。希望在不久的将来，这些问题可以在人们的努力下而一一解决并让超宽频通讯系统改善人们的生活。