美国联邦通讯委员会（FCC）做出裁定后，所有准备都已就绪，只待UWB在市场上展翅高飞。设计人员只要改用多频带正交分频多任务调变（multiband OFDM）架构，就能获得所需的弹性、功耗及成本，使得UWB市场蓬勃发展。

过去一年半里，超宽带（UWB）通讯技术受到业界，媒体和学术界的高度重视，引起这阵骚动的原因是此技术可望在实际的多路径（multi-path）环境里，提供从10公尺距离的110Mbps延展至2公尺480Mbps的各种数据速率，而且电力和芯片面积的消耗都非常少。业界预期UWB装置将带来低成本的解决方案，能满足消费者对于数据速率的无尽要求，同时促成新的消费市场出现。

要让UWB系统从实验室环境走向实际系统设计，工程师必须战胜许多传统设计问题，例如复杂性、功耗、成本和弹性；幸运的是，这些问题的解答之一已经出现，多频带OFDM技术能克服其中的许多障碍。本文将就该技术架构做深入的介绍与解析。

联邦通讯委员会施以援手

UWB技术日益获得重视，主要是因为美国联邦通讯委员会在2002年2月做出一项重要决定，把高达7500MHz的频谱（3.1～10.6GHz）释出给UWB装置使用。随着IEEE 802.15.3a等标准的出现，这项决定不但让许多厂商对UWB通讯系统的发展产生极大兴趣，也为产品创新和技术进步带来许多新机会。

虽然联邦通讯委员会已将3.1～10.6GHz的频谱分配给UWB使用，实际结果却证明在现有的射频CMOS技术下，使用4.8 GHz以上的频带只能让整个链路的效能增加1dB，其代价却是设计变得更复杂，功耗也更多。

由于链路效能增加极少，复杂性和功耗却会提高，厂商因而认为3.1～4.8 GHz之间的频带是UWB装置初步应用的最有效带宽；事实上，将带宽上限设定为4.8GHz还能带来几项重要优势，包括缩短产品上市时程，简化射频和模拟前端电路（低噪声放大器和混波器）的设计，使其更容易采用CMOS技术，同时避免来自IEEE 802.11a讯号所使用的U-NII频带干扰。

当然，对于UWB带宽的限制，至少在初期阶段，并不表示将来不能使用整个带宽。随着射频技术进步，使用UWB频带的较高频率部份会变得更有效率，因此在系统定义时若能更具前瞻性和深思熟虑，UWB系统即可提供一条有效的升级路径，使其能于市场条件成熟时升级至此频谱的更高频带。

系统设计问题

若决定使用3.1～4.8 GHz的频带，就有数种方法可以设计UWB通讯系统，其中之一是使用整个1700 MHz带宽，然后利用展频或分码多任务（CDMA）技术将传输信息分散至整个频谱。

利用展频技术建造UWB通讯系统的主要优势在于这些技术早已为人们所熟悉，并已在其它商用技术（例如宽带CDMA技术）中获得验证，然而发展射频和模拟电路以及高速模拟数字转换器来处理这种极宽带讯号却是项艰巨挑战；除此之外，数字复杂性也必须变得很高（至少16个RAKE fingers），才能从多个传输路径获取足够能量，满足110Mbps系统的10公尺传输距离要求。

除了频谱配置之外，联邦通讯委员会还规定每个UWB讯号至少必须占用500MHz的10dB带宽。就许多方面而言，此规定已对UWB通讯系统设计造成革命性影响，因为它们不必再使用整个频带来传输信息，而是将频谱分成几个次频带，每个次频带的带宽约为500MHz；藉由将符码分散到不同的次频带，UWB系统仍能像使用整个频带一样，保持相同的传输功率。

这种做法的好处是信息的处理可在大幅缩小的带宽内进行，让设计复杂性降低，功耗和成本减少，频谱弹性和全球电信法规兼容性则获得改善。其它优点还包括让设计使用更低速率的模拟数字转换器，数字复杂性也能够简化。利用这种方法设计的系统通常被称为多频带系统。

了解多频带技术

在多频带系统中，每个次频带的信息都能利用单载波（脉冲式）或多载波（OFDM）技术传送。

单载波多频带系统是藉由极窄脉冲的相位调变来传送信息，这类系统的主要优势是发射器的设计很简单。这种方法也有缺点，包括：若只用一个射频讯号处理链，将很难搜集到足够的多路径能量；发射器和接收器的切换时间必须很短（少于100 ps）；模拟前端零件造成的群速延迟变化（group delay variation）会对接收器的讯号处理产生极大影响；以及为了避免窄频干扰而可能造成的频谱资源浪费。

多路径能量的搜集也是一个重要问题，因为它会决定通讯系统的传输距离。事实证明若用一个射频接收链，脉冲式系统将无法达到所要求的10公尺距离；相形之下，多频带方法最终却有可能达到必要的距离，但其代价通常是接收器的复杂性增加（例如多个射频接收链），功耗变大，模拟晶粒的面积增加，还有设计时间变长。

另一方面，多载波的多频带系统则是采用正交分频多任务（OFDM）技术在每个次频带传送信息。OFDM拥有多项良好性质，包括很高的频谱效率、对于射频干扰的固有抵抗能力、在多路径环境中能够稳定地工作、还能很有效率的撷取多路径讯号能量；除此之外，这种技术也早为人们所熟悉，并在其它商用技术中（例如IEEE 802.11a/g）获得验证。

这种方法的主要优点是它只要使用一个射频讯号处理链，就能搜集到多个路径的讯号能量；切换时间的要求会变得较宽松；不再受群速延迟变化的影响；接收机处理窄频干扰问题时，不必再牺牲次频带或数据速率。这类系统的唯一缺点是发射器的复杂性略为增加，因为它必须执行逆向快速傅利叶转换（IFFT），峰均比值也可能稍微高于脉冲式多频带技术。

多频带OFDM架构

先前已经简单介绍了设计人员所能采用的各种多频带方法，现在进一步讨论以OFDM为基础的多频带方法。

在多频带OFDM系统的初期应用阶段，只使用3.1～4.8 GHz的频带，而联邦通讯委员会又规定UWB讯号的带宽至少须为500 MHz，所以只有三个次频带可供运用。

采用该频率规划方式的原因有二：首先，它能在频道一的低频端和频道三的高频端提供足够的保护频带（guard band），使得信道预选滤波器（pre-select filter）的设计更简单。其次，它确保发射器和接收器在几奈秒内，就能切换至下一个中心频率。

假设时频交错（time-frequency interleaving）的执行只涵盖三个OFDM符码，但在实际应用中，时频交错的周期远大于此，每个超讯框（superframe）和微网（piconet）所使用的时频交错长度和样式都可能不相同。

从可清楚看出，每个OFDM符码的前端都会加入一个循环前缀（cyclic prefix），每个OFDM符码的后端还会加上9.5 ns的保护区间（guard interval）；加入保护区间是为了确保在所有信道环境和所有的数据速率下，它都只需要一个射频发射机和射频接收机，发射机和接收机也有充份的时间切换到下个信道。

结论

本文所描述的多频带OFDM系统提供了以CMOS技术为基础、设计完全符合业界标准的UWB通讯系统技术细节，这种系统不但低功耗、低复杂性和低成本，而且随着数据速率及信道条件的不同，它还能在超过10公尺的距离外，以110Mbps以上的数据速率传输通讯。除此之外，采用多频带OFDM技术的系统也拥有较大的弹性，因此它们不但能和现有的无线技术共存，还能调整配合不同地区的各种法规要求。

（作者群为Anuj Batra、Jaiganesh Balakrishnan、Anand Dabak，任职于TI德州仪器；本文摘选自零组件杂志155期《多频带OFDM UWB技术与架构剖析》一文，全文请见本刊网站）

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