技术与发展史概述

超宽频（Ultra-Wideband；UWB）技术的发展类似展频无线电──长久以来超宽频一直被归类为军事科技，但如今这项技术已跨入一般消费性的应用与产品。根据美国联邦通讯委员会（FCC）的最新定义，中央频率高于2.5GHz的超宽频（UWB）系统须具备至少500MHz的10dB频宽。频率较低的UWB系统须拥有20％以上的分频宽（fractional bandwidth）。这点让UWB与传统无线电系统有显著的差异，例如像采用2.4GHz频段的IEEE 802.11无线区域网路（WLAN）等传统系统，其分频宽一般都不会超过1％或20MHz。

UWB的发展最早可追溯至1960年代，当时在研究微波网路的瞬间行为，探索其在时域脉冲上的反应。在1970年代，经过Harmuth、Ross以及Robbins三位学术先锋的努力后，UWB技术出现大幅的进展，当时研究的焦点集中在雷达系统，其中包括透地雷达系统。直到1980年代后期，这些技术才开始改称为无载波或脉冲无线电。美国国防部在1989年首度使用超宽频的名称。当时，UWB历经30年的发展后，开始在理论与技术层面上开花结果。从1994年开始，在美国大多数UWB研究都没有受到分级的限制。随着商业应用持续发展，这种现象亦有助于加快研发的脚步。其中有两项发展刺激大众的兴趣以及业者对这项技术进行商业层面的研究：

UWB拥有极多元化的特质，因此也具备无数的应用价值。其中包括WLAN、个人区域网路（PAN）、短距雷达（汽车感测器、​​避撞雷达、智慧型高速公路行车系统、以及液面感测器等）、穿地雷达、应用在医学监控或运动员训练感测的人身区域网路（body area network）。以下将介绍UWB的各种连线应用。由于FCC针对功率频谱密度制定限制范围，因此初期发展集中在无线PAN，其最大通讯距离为10公尺，资料传​​输率介于110Mbps至480Mbps。这么高的资料传输率可让数位消费性装置在客厅的娱乐中心建立多媒体连线（包括DVD、卫星/有线电视视讯转换器、电视萤幕以及环绕立体声音效处理）。此外，未来的数位相机、扫瞄器、印表机、摄录影机以及MP3播放机都能运用无线连线系统与PC串连，让配备有USB 2.0或IEEE1394的装置扩增应用价值，也许最终将淘汰这类有线型连线技术。多点式（multi-hop）的应用亦可能实现，未来将可运用多站转接的技术克服10公尺的距离限制。

在定义UWB为能调节超过20％以上的部分频宽或500MHz的时脉前提之下，该注意这方面有许多产生讯号的技术。其中包括直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）、频宽较窄的脉冲（亦即脉冲无线电）、正交分频多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）。以上所有技术都可结合跳频机制进一步扩展频谱，让讯号处理的需求更容易掌控。所有这些技术都根据IEEE 802.15.3a针对无线PAN所制定的替代规范。以下将介绍这些技术的详细资讯。

直接序列UWB

产生UWB讯号的一项方式就是展开资料将位元直接读出，这种系统可视为分码多重存取（code division multiple access；CDMA）的特殊型式。 802.15.3a其中有一项规范采用长度为24的三进码（(1、0），以1.368GHz的速度进行展频。32字元被切分成4组8字元，形成四组同时运作的微网路（piconet）。每个微网路的8字元可在正负两极下进行传送，让整个字元表包括16种符合，或每个4位元符号有两个可调节的位元。长度为24的序列在两个微网路之间提供约14dB的隔离。IEEE规范的规格中，每个晶片内的脉冲波型为常见的根升余弦（root raised cosine）。以往研究人员以狭窄的单脉冲描述序列中的每组晶片，因而得到更高的能量分布（energy spreading）

正交分频多工UWB

许多宽频通讯系统采用OFDM机制，这类系统在多通道（multipath）频道中需要较高的资料传输率。最常见的例子就是IEEE 802.11a无线区域网路标准，它占用16.6MHz频宽，每隔4微秒就提供48组独立承载资讯的讯号。在10公尺通讯距离下的UWB频道，其最差状态的r.m.s.延迟为25ns（奈秒），一般的无线区域网路延迟则低于150ns至200ns。这让符号之间的间隔大幅缩小，让系统能占用500MHz的频宽，而不须大幅增加所需的FFT。

另一项IEEE 802.15.3a机制则采用128组OFDM符号，讯号长度为242.4ns，需占用528MHz的频宽。该规格采用跳频模式，让占用频宽增加3倍，成为1.6GHz。符号外围再增加一组60.6ns的循环表头以及9.5ns的预留缓冲时间，让每组脉冲的周期时间（dwell time）达到312.5ns。每个子载波的调节机制为QPSK。这种机制的波形如(图一)所示。

《图一 跳跃3个带宽后的OFDM UWB功率频谱》

运用OFDM搭配适合的符号长度，确保在多通道型频道的效能得以符合UWB无线PAN的要求。然而，透过三频道多频机制所提供的频道扩充，无法针对同一位置上的许多不对等微网路提供充裕的隔离机制，以及适当的频谱配置。为改进这方面的缺失，须增加多频中的频率数量。

脉冲无线电UWB

脉冲无线电（Impulse Radio）系统使用的讯号，是一连串由单一基本脉冲波型所衍生的短周期脉冲。脉冲波型的周期从0.2ns到1ns，脉冲循环间隔为25ns到1ms（毫秒）。因此在每两个脉冲之间有极长的静默时间，让频道脉冲能衰减至零，因而让符号间的干扰几乎可以降低至零，故不须使用等化器。

在调节含有资料的脉冲讯号方面，有许多方式可采用，但其中一项共同的特性就是脉冲讯号在传输时不会转译成更高的载波频率；故称之「无载波」无线电。调节技术就是脉冲位置调节，以及各种脉冲波幅调节，其中包括on-off keying以及polarity keying。

业界使用的脉冲波长有许多种，其中包括高斯脉冲以及如(图二)所示的第1与第2衍生型脉冲。当频谱须配合特定的频谱遮罩以支援法律规范时，则须采用更精密的脉冲波型。

脉冲无线电的另一项考量重点就是若接收器使用散布能量（dispersed energy），频道脉冲就需要一组较长的匹配过滤器。这类匹配过滤器的成本与复杂度，加上设定适当tap权值的频道估计流程，可能会影响脉冲无线电技术的简易性。

《图二 高斯单脉冲》

多频UWB

直接建立Giga Hertz频谱的UWB讯号所衍生的各种建置问题，可由两个步骤加以克服：第一，在500MHz频道附近建立一套调节机制，第二，针对最终讯号进行跳频，以取得最终频宽。上述所有机制都可另外再搭配一套跳频机制。这种模式被称为多频UWB（亦称为跳频），最近已获得许多大厂的支持（参见：http://www.uwbmultiband.org/）。

《图三 UWB的多频带概念》

一般而言，跳频序列应预先决定，且每个微网路皆应不同。这种设计让多组微网路能在有限的碰撞次数下使用相同的频谱。相对的，多组同频谱的微网路就不需要跳频序列，本身即可用来传达调节资讯（虽然每个频宽需要平行接收器）。

多频模式有两项重要的特性，就是扩充性与弹性。这两项特性的优点包括：

《图四 弹性压制子频段以降低干扰》

UWB展望及美国之标准化发展

第一个通过的重要障碍就是美国联邦通讯委员会针对UWB的传输制定管理法则。规范频谱的发射限制特别针对一些涉及影像与多媒体的高速PAN应用，这方面已透过IEEE Task Group 802.15.3a制定标准。该小组在2002年12月11日获得IEEE Standards Board的批准，通过标准发展的5项评估：例如像广泛市场的发展潜力、相容性、明确的一致性（其它标准所无法达到）、技术上的可行性以及成本上的可行性。TG3a专案已于今年3月由大约20家厂商于达拉斯发表实体层技术提案；5月份的IEEE 802.15.3a会议则发表了更新版的实际方案，而今年7月在旧金山举行的IEEE会议也为TG3a专案选择最终技术规格。持续推动的标准化时程反映出市场未来推出的新一波数位多媒体消费性应用上，非常有机会支援高速无线通讯功能。

尽管无法确定时间，但标准的制定是市场广泛采纳的必经过程，消费者接纳UWB作为家庭多媒体连线方案将有助于推动这项技术的普及。与不对等的UWB微网路之间的并存能力亦是重要的关键，包括自己以及邻近使用者的微网路。由于已投入庞大的资源，因此多数厂商都正积极寻找一套汇整技术，以大多数消费者能接受的价位提供标准化的产品。 （作者为飞利浦半导体连接事业部系统架构经理）