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(多图) 面向嵌入系统的480Mb/s无线UWB链路

今日电子 瑞士苏黎世应用科学大学嵌入式系统研究所 (InES) Hans Gelke?? 2011年01月21日 ?? 收藏0

  近年来,短程WPAN网络(蓝牙或Zigbee)开始流行。然而,对于某些应用,如无线视频传输或与计算机的大容量数据交换,现有蓝牙或 Zigbee的数据传输速率还是达不到要求。另一方面,诸如WLAN之类的无线技术又存在数据吞吐量不确定,功耗高及电磁辐射大的缺点。相较之下,超宽带 (Ultra Wideband,UWB)适合依赖电池供电的手持设备,且电磁辐射非常低。

  UWB是一种高带宽(480~1320Mb/s)的短程(10~50m)无线传输技术,最初只作为一种军事技术,直至1994年美国军方解除限制后才开始发展其商业用途。本文将讨论如何使用系统级芯片和极少的外设部件来实现UWB无线链路。

  双向无线对等传送网络

  早期UWB芯片组的目标是在主流PC中替代USB电缆。采用这类芯片组,只需少量部件就可构建无线USB,但却很难用于其他嵌入系统。通过绕经USB协议实现通信会产生额外的迟滞,而这对需要完成同步加工生产的工业自动化设备来说是致命的。传输大量的数据(高清视频信号)要求与UWB媒体访问层直接快速接口,而之前提及的MAC-IP就是通过AHB直接利访问系统总线,不需绕过USB协议进行。

  任何设备都可启动通信通道,连接网络中另一设备。连接嵌入系统常常需要建立一个网络。在该网络中,所有成员享有相同的权利,并可以任何方向在设备间传输数据。本文讨论的架构中便容许建立一个实现双向数据传输的媒体访问层。

  UWB MAC支持两种通道访问方式。一种是以太网络协议采用的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision,CSMA)通道访问方式,该方式可实现较短的访问迟滞,但不保障数据吞吐量。第二种为带有可保留时隙的时分多址(Time Division Multiplexing,TDMA)方式,该方式非常适合那些要求保障数据吞吐量的应用(视频传输)。

  某些数据传输(如高清视频)要求确保400Mb/s的数据传输速率,而这是传统技术无法实现的。

  超宽带无线技术

  在传统无线技术采用的无线访问机制,吞吐量随通道占用情况而改变。这样,其他接收设备可能会暂时降低带宽。而在UWB技术中,收发期间通道则可一直保留。

  UWB技术协议开销相当小,而这一点对减小传输延迟非常重要。由于信息分布在128个子载波上,因此可建立非常稳健的无线通道。下面将探讨更多的优势和细节。

  1? USB无线通信层

  与现在成熟应用的无线传输技术(如WLAN)不同,UWB每个通道占用528MHz频带;而WLAN通道频带最大只有20MHz。三个528MHz的频带构成一个频带群。UWB的整个频率范围为3.1~10.6GHz,分成5个频带群。目前已有工作在频带群1 和3的先进的双频带收发器。

UWB频带群

图1? UWB频带群,最新UWB物理层覆盖频带群1和3

  WiMedia-UWB采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)调制技术。每个528MHz频带分为128个子载波;每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点(见图2)。这也是“正交”名称的由来。承载信息被分配在128个子载波中,每个528MHz通道的最大速率为480Mb/s。

每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点

图2 每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点

  由于子载波分布在528MHz的大带宽范围,因此就可使发送功率降得很低,如低至37μW(相比而言,WLAN发送功率则高于300mW)。528MHz的信息发送宽带和非常低的发送功率,使得UWB易于与其他无线频率应用共存。

  尽管发送功率仅为37μW,但其传输距离却达到10m,并可轻松穿过25cm砖墙。

  2 媒体访问控制层

  UWB无线通信层负责射频(RF)处理,而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个 UWB设备相距很近时,它们就构成所谓的点对点Ad Hoc网络。Ad Hoc网络不是一个预先规划好的网络,而是由相距很近的参与设备构建,参与设备可酌情加入和退出。

  如图3所示为由三个UWB设备构建的一个Ad Hoc网络。其中,设备A对设备C来说是不可见的。设备A(图中左边的设备)即便不能“听”到设备C,也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙,因为其可通过所谓的“信标”(beacon)来了解设备C。信标保存了邻近设备的信息,因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间,可能在任何方向直接传输数据。

设备A通过设备B知道设备C的存在

图3 设备A通过设备B知道设备C的存在


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480Mb/s? 无线UWB? 对等传送网络? CSMA?

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