歡迎來到新通訊元件網站
新電子首頁 | 加入會員 | 忘記密碼 | 設為首頁 | 加入書籤 | 訂閱雜誌  
首頁 | 有線通訊 | 無線通訊 | 車載通訊 | 關鍵零組件 | 電源管理 | 傳輸介面 | 量測儀器 | 精選影音 | 資源下載
本期目錄
各期雜誌
訂電子報
2018年版物聯網創新應用開發攻略
2018年版工業4.0實戰寶典
2018年版通訊產業關鍵報告
智慧移動載具趨勢與關鍵技術全剖析
2017年版物聯網創新應用開發攻略
更多
轉寄列印
高傳輸低耗電UWB(上) 解說技術基本原理與特性
新通訊 20059 月號 55 期《 技術前瞻 》
文.許正德
通訊的傳輸從聲音、數據、影像到現今的多媒體應用,如今為了因應多媒體的高傳輸量,因此必須要有更大的傳輸頻寬才能達到,且多媒體應用也必須要有即時性與低耗電性...
通訊的傳輸從聲音、數據、影像到現今的多媒體應用,如今為了因應多媒體的高傳輸量,因此必須要有更大的傳輸頻寬才能達到,且多媒體應用也必須要有即時性與低耗電性。而超寬頻(Ultra-wideband,UWB)技術具有這些特性,UWB技術是美國軍方使用多年的國防技術,但美國FCC於2002年開放了UWB商品的商業化,有鑑於此,本文針對UWB技術作個簡明扼要的整理介紹,使讀者對UWB技術和應用層面有所了解。  

通訊的發展造就了各種無線網路的應用,一般而言,若是依據傳輸距離的遠近作為區分,無線網路可分為四類(圖1):  

•無線廣域網路WWAN(Wireless Wide Area Network):傳輸範圍可以跨越國家或不同城市之間的網路,需要特殊的服務時提供者來架設,使用者則以終端連線裝置使用。  

•無線都會區網路WMAN(Wireless Metropolitan Area Network):傳輸範圍在城市之間的網路,像是用來聯繫座落於不同區域的辦公大樓或校區。  

•無線區域網路WLAN(Wireless Local Area Network):傳輸範圍在100公尺左右,用於單一建築物或是辦公室之內。  

•無線個人網路WPAN(Wireless Personal Area Network):傳輸範圍在個人活動區域內,主要用途是讓個人使用的資訊裝置,例如手機、PDA、Notebook可以互相通訊,資料交換。  

針對各個無線網路之間的差異性和特性,藉由表1的整理能更加了解到UWB是屬於WPAN網路,其特點是傳輸距離短(<10m),所以消耗功率相對的比其他無線網路低,其標準是規範在IEEE 802.15.3a。  

UWB技術從軍用邁入商用  

UWB技術最早出現於1960年代前,在當時一般的技術都只能量測到系統的頻率響應,當時若能知道系統本身脈衝響應則對於分析上會更有幫助,可是大多數的通訊系統是無法直接得知系統本身的脈波響應,因此開始有專家學者針對脈衝式通訊系統之微波特性進行相關研究,一直到1963年Ross發展出微波N-ports的回應時間,1965年Ross將短脈衝研究帶入Sperry研究中心,在1973年獲得第一個脈衝訊號技術專利。在1979年Ross與Bennet開始研究Time Domain電磁學,並在1980年代開始將脈衝技術應用在天線、雷達系統、資料傳輸和定位系統方面,不過,之後脈衝技術有各式各樣的不同的名稱,如基頻傳輸、無載波系統、非弦波技術等等,1989年美國國防部(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)提出超寬頻(Ultra-wideband,UWB)名詞並在1990年正式成立UWB發展計畫,首先在軍事雷達、定位系統與通訊技術進行開發。在1990年,工程師已可用低成本元件來製造時間脈波寬度1∼3ns的短脈衝雷達,在此時,美國政府也同意將UWB技術開放給非軍方機構單位研究,因此大幅加速UWB技術的演進。  

在1998年美國聯邦通訊委員會(Federal Communi-cations Commission,FCC)開始進行開放UWB使用的法令規劃,2000年5月公佈了初步立法提議(Notice of Proposed Rulemaking,NPRM),指示將考慮以不需授權和免費的方式來開放UWB通訊裝置頻譜。但此時有些政府機構和民間團體(美國國防部、GPS相關部門、部份無線電信業者)認為不妥,擔心釋出UWB使用頻帶會對現存使用的無線系統產生干擾,但是美國歷經911事件發生之後,注意到UWB技術對於牆壁、地面或濃密樹叢等障礙擁有較佳的穿透性,可應用於影像偵測與定位的功能,且多方的單位與企業界強力催促及關心,都希望有關UWB應用可以合法化,終於FCC在2002年2月14日核准UWB通訊裝置的使用頻帶和功率限制,為UWB技術的產品商業化打開第一扇門。  

國際電機電子工程協會(Institute of Elec-trical and Electronic Engineers,IEEE)為了規範UWB技術在WPAN的應用,也專門成立了IEEE Task Group 802.15.3a(圖2),而TG3a工作小組主要任務是制定UWB技術的標準。  

介紹UWB定義與頻譜  

首先,針對名詞定義作解釋:  

•超寬頻頻寬(UWB Bandwidth):以完整發射系統(含天線)之最高輻射發射位準,降低10dB之左右點為界限的頻帶範圍謂之UWB(圖3)。  

•中心頻率(Center Frequency,fc):  

(詳細公式請見新通訊55期9月號)  

•分頻寬比(Fractional Bandwidth,Bf):  

(詳細公式請見新通訊55期9月號)  

美國FCC修改UWB定義  

無線網路採用不同的通訊技術時,不同的系統對傳輸頻寬要求就有不同,若針對系統在傳輸時所使用的頻寬大小依據作區分,可分成三類,分別為窄頻(Narrowband)、寬頻(Wide Band)、超寬頻(Ultra-wideband)(表2)。  

通訊文獻記述UWB通訊一般之定義為至少大於25%的分頻寬(Fractional Bandwidth) ,但美國FCC對UWB通訊的定義有做修正,更改為必須要有大於20%的分頻寬比或-10dB的頻寬至少大於500MHz以上。因目前各國只有美國有對UWB技術的通訊裝置有開放使用頻段,因此UWB通訊應用若無嚴格說明,即是指FCC之定義標準。  

美國規範UWB通訊裝置分三類型  

目前只有美國FCC對於UWB技術的商用化有其標準及規範,而歐洲、日本、新加坡及台灣政府等地區,對UWB應用的頻譜開放皆只有草案或提案,因此在此只針對美國的UWB相關法規作說明。  

FCC Part 15 Subpart F內容中規範UWB通訊裝置分成三種類型:(1)影像系統(Imaging Systems)包含地面穿透雷達系統、牆內影像系統、穿牆影像系統、監視系統、醫療影像系統;(2)車用雷達系統(Vehicular Radar Systems);(3)室內超寬頻系統(Indoor UWB Systems)(表3)。對於不同的通訊應用裝置,FCC規劃不同的使用頻帶,主要原因是方便管理及通訊裝置的特性作為區分。當前眾人所關心的是第三種類型Indoor UWB Systems在商業上的應用價值,根據FCC的規範,Indoor UWB的通訊裝置使用頻帶為3.1GHz∼10.6GHz,此段的頻寬高達7500MHz,可想而知應用在此類型的通訊產品具有高速傳輸的特性,可輕易滿足影音多媒體的通訊產品。  

FCC既然對UWB的通訊裝置應用在頻譜上作區隔,也必然會對其通訊裝置的信號強度作限制,表4為FCC針對UWB通訊裝置在各個使用頻帶,所規範的信號強度限制值,此外又區分為室外、室內應用。圖4、圖5為UWB通訊裝置在室外及室內使用時的功率譜密度(Power Spectral Den-sity,PSD)的限制值,必須注意的是FCC對於UWB通訊裝置規範的信號強度,是採用有效等向輻射功率(Effective Isotropic Radiated,EIRP)作為檢測單位。以3.1GHz∼10.6GHz的限制值舉例,若頻寬為1MHz的輻射體在三米距離處產生的場強不得超過500V/m,相當於功率譜密度(PSD)為75nw/MHz,即-41.3dBm/MHz。  

解說UWB技術基本原理  

傳輸觀念基於傅利葉轉換理論  

UWB傳輸觀念是藉由基本的傅立葉轉換理論來看,若訊號在時間軸上所佔用的時間寬度越短,對應到頻率軸上,訊號則會佔用較高的頻寬(圖6)。  

但實際用於元件及電路上實現時會有硬體瓶頸,因為要產生這麼寬的頻寬訊號時,此時訊號無法在正弦波,而是時間寬度很短的脈衝(Impulse/Pulse),達幾百Pico Second。  

基於這樣的想法,延伸出一個觀念,在傳統無線通訊上會把要傳輸的訊息藉由載波來傳送,若我們把要傳輸的訊息採用Impulse的方式傳送,就無須利用有載波系統的通訊架構來傳送,若不採用有載波通訊架構所得到的好處,為整個系統相對的消耗功率會降低,且架構也較簡單。  

如何將要傳送的訊息藉由Impulse的方式傳送?方式為用一小串的Impulse來表示一個Bit,若用10個Impulse做編碼表示為一個數位上的「0」或「1」,每一個Impulse的時間寬度為500ps,則此系統通道上傳輸容量可達到200Mbps的傳輸速率。  

分四種數據 調變方式  

一般的無線傳輸通訊,其數位調變會根據訊息本身的數位訊號0或1,而改變傳送之載波的頻率、振幅或相位。其意義即是把所要傳送的訊息隱藏在頻率、振幅或相位振福。因為UWB技術是採用Impulse方式,因此必須想辦法將要送的訊息藉由Impulse的結構來傳送,因此變成改變要傳送之Impulse的極性、振幅或位置。目前文獻中公開實現UWB訊號的是數據調變方法,主要可分為下列四種(圖7):  

•脈波位置調變(Pulse Position Modulation,PPM):以脈波訊號所到達的時間和一個標準的時間做比較,如果脈波訊號到達的時間領先於標準的時間則表示為數位信號「1」,反之則表示為數位信號「0」。  

•脈波振幅調變(Pulse Amplitude Modula-tion,PAM):以兩種不同振幅大小的脈波訊號,分別來表示數位信號「1」或「0」。  

•開關鍵(On-Off Keying,OOK):以有傳送脈波訊號時,為數位信號「1」;不傳送脈波訊號時,為數位信號「0」。  

•相位調變(Bi-Phase Modula-tion):以脈波訊號右側朝上或下,決定傳送資料為數位信號「1」或「0」。  

依Channel Capacity理論分析容量  

UWB技術使用了極大的頻寬去傳送資料,因此在UWB的應用上可以傳送很高的資訊量,若要對系統傳輸容量作定量的分析,則這部份的理論是依據Shannon-Hartley的Channel Capacity理論:  

(詳細理論公式請見新通訊55期9月號)  

此定理說明,具有加成性白色高斯雜訊(AWGN)的連續波道,其容量為多少傳送速率(單位:位元/秒)。當頻道頻寬(B)愈大時,則最大傳輸速率(C)就會成等比級數成長,因此UWB通訊的傳輸速率可高達100Mbps,甚至480Mbps。  

傳統無線通訊系統無法企及  

由於UWB與傳統無線通訊系統相比,工作原理相差甚遠,因此UWB具有傳統通訊系統無法比擬的技術特點:  

•系統架構的實現比較簡單  

當前的無線通訊技術所使用的通訊載波是連續的電波,載波的頻率和功率在一定範圍內變化,從而利用載波的狀態變化來傳輸訊息。而UWB則不使用載波,它透過發送(ps)級Impulse來傳輸數據信號。因此不需要混頻器、本地振盪器(LO)及中頻(IF)濾波器、放大器等類比電路。起而代之的是傳送電路使用「脈衝產生器」,接收電路使用「匹配濾波器」,因此,數位處理電路的部位會加重。  

•高容量的數據傳輸  

一般要求UWB信號的傳輸範圍為10m之內,若在2m之內其傳輸速率可達480Mbps,是實現個人通信和短距離通訊的一種理想通訊應用技術。UWB的應用是以非常寬的頻寬來換取高容量的數據傳輸,可是卻不影響目前已使用的通訊頻譜,而是共享其他無線技術使用的頻帶。  

•安全性極高  

UWB通訊所產生Impulse訊號非常短,作為通訊系統的實體層(PHY)技術具有天然的安全性能,因由於UWB技術會把信號用極寬頻帶傳輸,對一般通訊系統,UWB信號相當於White Noise信號,並且大多數情況下,UWB訊號的功率頻譜密度(PSD)是低於自然的電波雜訊,若要從電波雜訊中將脈波信號檢測出來是一件非常困難的事,所以增加了通訊上的安全性。  

•消耗功率低  

UWB通訊系統使Impulse來發送資訊,脈衝持續時間很短,一般在200ps∼1.5ns之間,因此UWB通訊系統耗電量可以做到很低,在高速通訊時系統的耗電量僅為幾百μW∼幾十mW。因此UWB通訊裝置在電池壽命,相對於傳統無線通訊裝置有很大經濟效益。  

•抗多重路徑干擾較佳  

由於一般無線通訊的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大於多路徑傳播時間,多路徑效應的多寡會牽扯到整體通訊的品質和傳輸速率。由於UWB訊號發射時的是持續時間極短的脈衝,多路徑信號在時間上是可分離的。由於脈衝多路徑信號在時間上不重疊,很容易分離出發射信號的能量。  

•可用於定位系統  

過去美國軍方將UWB技術應用在雷達的偵測系統上,因UWB系統具備良好的時間解析能力,使其能發展出精確的測距能力與定位功能,而一般無線通訊難以做到這一點,還有另一個優點即UWB技術具有極強的穿透能力,可在室內和地下進行精確定位,而GPS定位系統只能使用在可以收到衛星訊號的地形。UWB定位與GPS定位提供絕對地理位置的不同,利用UWB定位系統可以給出相對位置,其定位精度可低於一公尺。  

•生產製造成本較低  

硬體實現時,UWB技術比其他無線技術要簡單得多,大多是數位化的電路。最重要的是如何產生脈衝,以及對脈衝訊號作調變,它需要以一種數學模式產生脈衝,並對脈衝產生調變,而這些電路都可以被集成到一個晶片上,而且大多是採用CMOS、SiGe的製程,可以降低生產製造成本。  

提供家庭多媒體無線化  

無論何種通訊系統,都必須找到有符合此系統的通訊特性應用,才能持續發展此系統,而UWB的兩大特性是高傳輸量、低耗電量,若要將家用多媒體傳輸無線化時,就必須使用具有高傳輸量、低耗電性的通訊特性,而移動能力無須考慮,因此UWB技術是解決家庭多媒體無線化的可行方案。  

(本文作者為中央大學通訊系碩士班研究生)  

(詳細圖表請見新通訊55期9月號)  

這篇文章讓你覺得?
非常滿意 滿意 普通 不滿意 非常不滿意
Back Top Home
關於新通訊 廣告委刊 聯絡編輯部 聯絡發行部 隱私權政策
城邦文化事業股份有限公司版權所有、轉載必究.Copyright (c) 2016 Cite Publishing Ltd.