1 引言
超寬帶(UWB)通信技術具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多徑衰落、易數位化等諸多優點。在網際網路、多媒體和無線通信技術融合的今天，它是實現小範圍內無縫覆蓋的無線多媒體傳輸需求的熱門技術手段，被視為新一代無線個域網物理層標準技術。
目前UWB有兩大標準：一是以Intel公司為首提交的多帶正交頻分復用(MB-OFDM)方案;另一個是以Freescale公司為首提交的直擴碼分多址(DS-CDMA)方案。而MB-OFDM方案已成為MBOA聯盟事實上的標準。在此基礎上提出的時頻交織MB-OFDM方式，與傳統OFDM有很多相似之處，又符合FCC關於UWB的定義，具有UWB的特點，是一種新的UWB通信實現方式，使得MB-OFDM晶片得到了越來越多廠商的支持和應用。
2 關鍵技術
1) 多頻帶的劃分
FCC公布UWB信號的定義是：相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大於0.2或絕對帶寬大於500 MHz的無線電信號。UWB系統可在發射功率譜密度小於-41.3 dBm/MHz的情況下，使用無需授權的3.1～10.6 CHz頻段。這裡沒有限制UWB信號的實現方式，只要絕對帶寬大於500 MHz，並非要用脈衝無線電。因此，MB-OFDM-UWB技術打破了傳統觀點。可將這個頻段分為14個帶寬為528 MHz的子帶、5個頻帶組：1組：3 168～4 752 MHz;2組：4 752～6 336 MHz;3組：6 336～7 920 MHz;4組：7 920～9 504 MHz;5組：9 504～1 056 MHz。由於UWB有效帶寬在3.1～5 GHz，因此，只有1組中3個子帶可用，其餘保留備用。
2) 時頻交織(TFI)技術
時頻交織技術示意圖如圖1所示。
OFDM符號在3個子帶上進行時域頻域交錯傳輸，即在一個OFDM符號時間內，只有一個子帶在工作。通過交錯各子帶信號，UWB系統就像使用了整個帶寬，這樣就可在小得多的帶寬上處理信息，不僅降低設計的複雜度、功耗及成本，而且還能提高頻譜利用率和靈活性，有助於在全球範圍內符合相關的標準。
3) 循環前綴和保護間隔設計
每個子帶內採用OFDM調製，用128點IFFT完成，每個子載波用QPSK實現星座映射。OFDM符號間隔為312.5 ns，3個符號為一個周期937.5 ns，子載波間隔為4。採用60.6 ns循環前綴對抗多徑，9.5 ns保護間隔提供充足頻帶切換時間，IFFT周期為242.4 ns，參數見表1。通過跳頻將信息比特交織到子載波上，有較好的頻率分集效果和抗頻率選擇性衰落性能。
4) 可擴展性設計
MB-TFI-OFDM技術具有良好的可擴展性，能兼顧到目前技術上的可實現性和可升級性。信道編碼採用卷積碼，碼率有1/3，11/32，1/2，5/8和3/4，系統支持的數據速率有55，80，110，160，200，320，480 Mbit/s。使用的頻帶可從3個頻帶組擴展到7個頻帶組。
3 系統性能和特點
3.1 性能分析
利用MATLAB軟體對MB-TFI-OFDM UWB系統進行仿真，圖2所示為跳頻後的OFDM符號在3個子帶上的功率譜密度仿真波形，可見，每個子帶帶寬約為528 MHz，採用時頻交織技術能實現在相同的時間內採用不同頻段工作，而不會引起符號間幹擾。因此，在不同頻帶的3個OFDM信號可並行傳輸，系統容量大，信道利用率高，頻譜更加靈活。
可靠性是系統性能的一個重要指標，在此用誤包率曲線表示。如圖3所示，誤包率是隨著信噪比的增加而減小的，且相同誤包率下，高速率對應高信噪比，因此，採用高速率的MB-TFI-OFDM超寬帶系統，抗噪聲和幹擾能力很強，有很大靈活性，可方便適應不同地區的頻譜規範。但高速率只能在一定距離上獲得，即傳輸距離和速率是相互制約的，因此UWB系統具有高速率、短距離等特點。可見，這種MB-TFI-OFDM UWB技術是滿足WPAN的數據速率與誤碼率和傳輸距離的要求的。
3.2 技術優點
1) 抗多徑、捕獲多徑信號的能力強。藉助循環前綴克服多徑信道引入的時延擴展，用結構較簡單的接收機，就能在高度多徑環境中捕獲到更多信號，電路簡單、成本低、功耗低，電池可支持行動裝置長時間連續使用。
2) 頻譜靈活性強、共存性好。UWB使用無需授權頻段，確保不會對授權頻段設備產生幹擾。MB-OFDM-UWB信號是由A/D轉換器產生，可用軟體動態地打開或關閉某些特定頻段，使其符合本地規定，這有助於在不同國家內採用MB-OFDM系統。
3) 設計複雜度低，上市快。傳統OFDM系統較複雜，MB-TFI-OFDM系統經過專門設計，只採用QPSK調製，降低了IFFT和FFT實現複雜度以及對ADC和DAC的解析度要求。模擬前端電路甚至總體結構的設計，易於用90 nm CMOS實現，縮短了產品投放市場的時間。
4) 安全機制建立方便。可建立一個嵌入式、始終處於「開通」狀態的安全架構，在協議棧的一些層次上提供安全性和隱私機制，確保無線技術所需的強壯性和對用戶的透明度。
4 技術應用與展望
4.1 MBOA的UWB通用平臺
由於IEEE802.15.3a標準出現僵局，MBOA於2004年初成立了特別興趣小組，著手制訂和推廣自己的物理層和MAC層規範，力爭成為全球事實標準。2004年5月，WiMedia聯盟和1394聯盟與MBOA聯合，使得MBOA的物理層和MAC層規範可廣泛支持各種應用層業務，成為UWB標準通用平臺，如圖4所示，它可支持無線USB、無線1394、通用即插即用(UPNP)、IP等多種應用。物理層規範具備了480 Mbit/s的空中解碼能力，可進一步升級，支持無線數字顯示接口(DVI)和高清晰媒體接口(HDMI)以及Gbit/s速率的數據傳輸。
4.2 Wisair-UWB晶片組
MBOA晶片已趨於成熟，具有代表性的產品是Wi-sair公司開發的UWB晶片組，已獲得美國FCC認證。該晶片組包括：基於MB-OFDM方式的射頻收發晶片(Wi-sair 502 PHY RF chip)和基帶處理晶片(Wisair 531MAC\Baseband chip)。其中，用0.18μm矽鍺biCMOS工藝生產的502收發器可替代業界第一批符合WiMedia和MBOA標準的501收發器。它減少了UWB無線解決方案的功耗、尺寸和總成本，還支持多頻帶OFDM TFI和FFI模式。佔據的頻譜在3.1 GHz和4.8 GHz之間，主要是3條528 MHz寬子頻帶。它可在短距離上提供高達480 Mbit/s的數據傳輸速率。此外，它包括一個片上帶通濾波器、一個具有很寬可編程動態範圍的寬帶接收器、以及一個帶有片上壓控振蕩器的超快速跳頻寬帶混頻器。其可編程的功率放大器可確保最大允許輸出功率。而且還支持用2個天線來實現天線分集，不需要外部匹配不平衡變壓器。Wisair531UWB基帶晶片主要針對消費電子設備不斷增長的對超高速視頻和數據傳送的需求。它們也適用於快速實現PC外設、移動和汽車產品、以及要求在短距離上實現高速傳送的其他應用。
4.3 各廠商應用情況
2006年是UWB激活的一年，在全球超寬帶峰會上，有12家廠商展示了UWB產品及解決方案。2007年1月於美國消費電子展(CES)上，又有不少廠商展出了基於UWB技術的商用產品。如美國DC REDNA研究所在梅賽德斯-奔馳R500上採用寬帶技術實現高清視頻播放，採用了Intel的UWB解決方案;三星SC-D365無線數字攝像機，是全球首個採用超寬帶技術，以無縫方式顯示了通過無線USB鏈路發送的視頻剪輯，它不再需要取出內存或通過電線連接，而是能將家庭電影片段以無線方式傳送到PC進行存儲或顯示;華碩公司的一款無線HDMI產品，採用UWB支持S-Video埠、HDMI信號以及A-DI的ADV202 JPEG2000圖像解碼晶片，可用於高速影片圖片傳輸、音樂下載、列印，以及PC外設與消費電子產品的數據同步。2007年5月，香港應科院與深圳雅圖科技演示了他們共同研發的「世界上第一臺具無線超寬帶視頻流技術的超大屏幕投影電視」。
4.4 存在問題與前景展望
UWB的應用推廣有3個至關重要的問題：一是標準問題，業界廠商要群策群力制定標準，才能帶來廣泛的互通和應用;二是產業鏈的跟進，包括晶片、系統廠商技術與產品的研發與推廣;三是互聯互通的網絡結構和協議。
WPAN技術主要的目的就是將電子設備之間的連線替換成無線連接，使家庭或辦公室中的各種設備之間的信息交換更加方便、靈活和快捷。MB-OFDM-UWB技術又是實現WPAN的最佳選擇之一，因此，在數位化無線家庭網絡、數位化辦公室、個人便攜設備和軍事等諸多領域都有著廣闊的發展和應用前景。
5 小結
MB-TFI-OFDM技術是UWB通信中一種新的實現方式，以它獨特的優勢，將會促進MB-OFDM晶片的商業化和產品化進程，使得MB-OFDM方案得到了越來越多廠商的支持與應用，從而有希望成為WPAN物理層的標準技術。該技術仍處於起步階段，市場潛力巨大，發展前景廣闊。我國應該抓住國際上UWB的研發熱潮，積極參與國際標準化活動，根據具有自主智慧財產權的技術制定我國的相關標準，積極開拓UWB技術的產業化道路。