UWB技術在家庭和有線電視網絡中的應用

?超寬帶技術UWB(Ultra Wideband)始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術，利用頻譜極寬的超短脈沖進行通信，又稱為基帶通信、無載波通信。由于其具有低功耗、高帶寬、高傳輸速率、低復雜性、抗多徑能力強、發射信號功率譜密度低、安全性高等優點，預計未來幾年UWB技術將在和人們生活密切相關的數字家電和消費網絡設備中得到推廣，在有線電視網絡及家庭網絡中會得到廣泛應用。

　　一、超寬帶技術的基本原理

　　2002年2月，美國聯邦通信委員會(FCC)修訂了第15標準，定義UWB信號為相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大于0.2，或在傳輸的任何時刻絕對帶寬不小于500MHz的信號，其中信號帶寬定義為：低于最高發射功率10dB的截止頻率間的帶寬。FCC還規定，UWB的使用頻段范圍是 3.1～10.6GHz，且其發射功率必須在1mW以下。

　　同傳統通信系統相比，超寬帶系統是有著其獨特之處的。從時域上講，一般的通信系統是通過發送射頻載波進行信號調制，而UWB是利用起、落點的時域脈沖(幾十納秒)直接實現調制，超寬帶的傳輸把調制信息過程放在一個非常寬的頻帶上進行，而且以這一過程中所持續的時間來決定帶寬所占據的頻率范圍。從頻域上講，超寬帶有別于傳統的窄帶和寬帶，它的頻帶更寬。窄帶是指相對帶寬小于1%，相對帶寬在1%～25%之間的被稱為寬帶，相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的被稱為超寬帶。

　　二、超寬帶技術在家庭網絡中的應用

　　1.家庭網絡

　　家庭網絡系統由有線系統和無線系統綜合構成。其中，有線系統采用國際數字接口標準IEEE 1394b，在IEEE 1394b基礎上，家庭網絡無線系統引入了頻譜高效率的超寬帶脈沖無線電技術，可提供靈活性和移動性的寬帶無線接入。直擴序列超寬帶的家庭網絡把移動高速高性能無線網無縫隙的擴展至有線1394骨干網。

　　2.直接序列超寬帶通信子網技術

　　采用單頻帶體制的DS-UWB系統是家庭網絡比較理想的方案。DS-CDMA建議采用了雙頻帶(3.1～5.15GHz加 5.825～10.6GHz)的方法，即在每個超過1GHz的頻帶內用極短時間脈沖傳輸數據，該方法也稱為脈沖無線電。DS-UWB無線通信系統結構圖如圖1所示。

　　與無線1394網橋綜合的家庭網絡結構支持IEEE1394固定連接和DS-UWB無線連接。無線UWB總線系統的拓撲結構是呈現星形，HUB 位置不是固定不變，管理所有掛在無線總線上的子站，負責維護幀結構，分配周期定時信息。要監控在總線注冊的子站狀態，在子站和子站間廣播通信質量信息，顯示同步和等時模式子站的時隙安排，控制多址接入過程，保證輸出功率在某一電平之下。數據流的傳輸是自組織網絡中對等通信的模式，當一對子站之間直接鏈路被阻隔時，子站和HUB也可以承擔中繼多條數據的功能。

　　直接序列超寬帶系統的物理層采用二進制相移鍵控調制技術，為了避免多徑衰落的影響，使用RAKE接收機接收信號。其多址接入技術采用直擴碼分多址技術。由于UWB信號產生的特殊性，其脈沖成型技術為甚窄高斯單周脈沖，并使用空時編碼對其進行編碼。典型高斯單周脈沖寬帶為0.2～2.0 ns，脈沖間隔為10～100ns，脈沖位置可以是等間隔、隨機或偽隨機間隔。

　　直接序列超寬帶系統的數據鏈路控制層(DLC)是由一系列幀長為1394周期數倍的DLC幀構成的，該幀由管理區域、數據區域、隨機區域等組成。數據鏈路控制層把資源分成兩部分，分別是用于等時時隙的預留帶寬和用于同步時隙的動態帶寬。UWB總線協議棧結構如圖2。

　　直接序列超寬帶的1394匯聚層(CL)含有IEEE1394特定業務會聚子層(SSCS)和公共部分會聚子層(CPCS)，它類似IEEE1394b鏈路層，負責1394事務處理層和UWB低層次之間的映射。

　三、超寬帶技術在有線電視網絡中的應用

　　1.有線電視網絡及高清晰度電視技術

　　有線電視網是高效廉價的綜合網絡，它具有頻帶寬、容量大、多功能、成本低、抗干擾能力強、支持多種業務連接千家萬戶的優勢，它的發展為信息高速公路的發展奠定了基礎。有線電視網成為最貼近家庭的多媒體渠道，只不過它目前還是靠同軸電纜向用戶傳送電視節目，還處于模擬水平。高清晰度電視，屬于數字電視的最高標準，擁有最佳的視頻、音頻效果。它與當前采用模擬信號傳輸的傳統電視系統不同，采用了數字信號傳輸。由于高清晰度電視從電視節目的采集、制作到電視節目的傳輸，以及到用戶終端的接收全部實現數字化，因此給我們帶來了極高的清晰度，除此之外，信號抗噪能力也大大加強。數字電視具有高清晰畫面、高保真立體聲伴音、電視信號可以存儲、可與計算機完成多媒體系統、頻率資源利用充分等多種優點，成為家庭影院的主力。

?　　2.有線電視網絡中的超寬帶技術應用

　　交互式電視點播系統和高清晰度電視業務的碼率高、數據量大，需要占用很大的帶寬和網絡資源，而數量巨大的用戶數引起了資源的短缺。為了解決有線電視網絡的帶寬問題，引入超寬帶技術，因為它使用無載波結構，網絡配置成本低，只需要在系統前端和用戶側增加相應裝置，就可以在不改變現有有線電視網絡結構的基礎上傳輸UWB數據流。

　　UWB技術具有類噪聲特性，傳送數據時在時域產生持續時間非常短的脈沖信號，而有線電視系統中發送的載波信號會受到外界噪聲和其他信號的干擾后，系統可用帶寬和有線網絡的傳輸容量會受到很大影響，UWB的短脈沖信號則不會對載波信號造成干擾，于是在有線電視網絡的公共傳輸媒質中實現了UWB脈沖信號與其他頻域信號的共存。

　　在有線電視網絡中使用UWB技術存在一個固有的問題，即有線電視網絡本身的固有頻率損耗會改變UWB脈沖信號的形狀和幅度，為了解決這個問題，可以采用預補償的方法。UWB數據進入有線電視網之前先進行預補償，這樣信號就容易通過同軸電纜系統，同時，UWB信號具有偽隨機特性，混合光纖同軸電纜網的噪聲電平高于其功率譜密度，信號傳送就不會受到影響。

　　有線電視網絡傳送UWB信號時，首先將數據分成視頻、音頻和數據流，頻道調制器將每一路信號與射頻混頻同時分配一臺號，RF信號進入混合器后，混合器將這些信號合并為一個輸出信號，其他的視頻數據流調制成射頻信號后同混合器輸出的普通節目混合，然后轉換為光信號，經過光纖傳輸。在接收端，系統將混合信號里的UWB信號提取出來，同時視頻和音頻數據被解調器解調出來。該技術的顯著特點就是在現有有線電視網絡中加入UWB信號調制解調器，而無需對有線電視網絡進行較大的改變。UWB信號被擴展到50MHz～1GHz頻段范圍內，在任何頻率處的信號能量都能低于該頻段處的噪聲電平。普通的有線電視系統或者混合光纖同軸電纜網一般使用的最大頻率范圍為870MHz，但系統仍具有1GHz左右的帶寬，這樣，UWB窄脈沖可以在同軸電纜中可靠地傳輸，可在相同時間內發送更多的數據。

　　四、應用UWB技術的有線電視網絡和家庭網絡的連接

　　將UWB技術應用于有線電視網絡中，充分利用其技術優點，基本不干擾現有的電視頻道，同時沒有占用或者很少占用頻道資源。同時，UWB的多址方式，可以實現數量不少的并發用戶，有線電視網絡服務商可以充分利用