技術與發展史概述

超寬頻（Ultra-Wideband；UWB）技術的發展類似展頻無線電──長久以來超寬頻一直被歸類為軍事科技，但如今這項技術已跨入一般消費性的應用與產品。根據美國聯邦通訊委員會（FCC）的最新定義，中央頻率高於2.5GHz的超寬頻（UWB）系統須具備至少500MHz的10dB頻寬。頻率較低的UWB系統須擁有20％以上的分頻寬（fractional bandwidth）。這點讓UWB與傳統無線電系統有顯著的差異，例如像採用2.4GHz頻段的IEEE 802.11無線區域網路（WLAN）等傳統系統，其分頻寬一般都不會超過1％或20MHz。

UWB的發展最早可追溯至1960年代，當時在研究微波網路的瞬間行為，探索其在時域脈衝上的反應。在1970年代，經過Harmuth、Ross以及Robbins三位學術先鋒的努力後，UWB技術出現大幅的進展，當時研究的焦點集中在雷達系統，其中包括透地雷達系統。直到1980年代後期，這些技術才開始改稱為無載波或脈衝無線電。美國國防部在1989年首度使用超寬頻的名稱。當時，UWB歷經30年的發展後，開始在理論與技術層面上開花結果。從1994年開始，在美國大多數UWB研究都沒有受到分級的限制。隨著商業應用持續發展，這種現象亦有助於加快研發的腳步。其中有兩項發展刺激大眾的興趣以及業者對這項技術進行商業層面的研究：

UWB擁有極多元化的特質，因此也具備無數的應用價值。其中包括WLAN、個人區域網路（PAN）、短距雷達（汽車感測器、避撞雷達、智慧型高速公路行車系統、以及液面感測器等）、穿地雷達、應用在醫學監控或運動員訓練感測的人身區域網路（body area network）。以下將介紹UWB的各種連線應用。由於FCC針對功率頻譜密度制定限制範圍，因此初期發展集中在無線PAN，其最大通訊距離為10公尺，資料傳輸率介於110Mbps至480Mbps。這麼高的資料傳輸率可讓數位消費性裝置在客廳的娛樂中心建立多媒體連線（包括DVD、衛星/有線電視視訊轉換器、電視螢幕以及環繞立體聲音效處理）。此外，未來的數位相機、掃瞄器、印表機、攝錄影機以及MP3播放機都能運用無線連線系統與PC串連，讓配備有USB 2.0或IEEE1394的裝置擴增應用價值，也許最終將淘汰這類有線型連線技術。多點式（multi-hop）的應用亦可能實現，未來將可運用多站轉接的技術克服10公尺的距離限制。

在定義UWB為能調節超過20％以上的部分頻寬或500MHz的時脈前提之下，該注意這方面有許多產生訊號的技術。其中包括直接序列展頻（Direct Sequence Spread Spectrum；DSSS）、頻寬較窄的脈衝（亦即脈衝無線電）、正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）。以上所有技術都可結合跳頻機制進一步擴展頻譜，讓訊號處理的需求更容易掌控。所有這些技術都根據IEEE 802.15.3a針對無線PAN所制定的替代規範。以下將介紹這些技術的詳細資訊。

直接序列UWB

產生UWB訊號的一項方式就是展開資料將位元直接讀出，這種系統可視為分碼多重存取（code division multiple access；CDMA）的特殊型式。802.15.3a其中有一項規範採用長度為24的三進碼（(1、0），以1.368GHz的速度進行展頻。32字元被切分成4組8字元，形成四組同時運作的微網路（piconet）。每個微網路的8字元可在正負兩極下進行傳送，讓整個字元表包括16種符合，或每個4位元符號有兩個可調節的位元。長度為24的序列在兩個微網路之間提供約14dB的隔離。IEEE規範的規格中，每個晶片內的脈衝波型為常見的根升餘弦（root raised cosine）。以往研究人員以狹窄的單脈衝描述序列中的每組晶片，因而得到更高的能量分佈（energy spreading）

正交分頻多工UWB

許多寬頻通訊系統採用OFDM機制，這類系統在多通道（multipath）頻道中需要較高的資料傳輸率。最常見的例子就是IEEE 802.11a無線區域網路標準，它佔用16.6MHz頻寬，每隔4微秒就提供48組獨立承載資訊的訊號。在10公尺通訊距離下的UWB頻道，其最差狀態的r.m.s.延遲為25ns（奈秒），一般的無線區域網路延遲則低於150ns至200ns。這讓符號之間的間隔大幅縮小，讓系統能佔用500MHz的頻寬，而不須大幅增加所需的FFT。

另一項IEEE 802.15.3a機制則採用128組OFDM符號，訊號長度為242.4ns，需佔用528MHz的頻寬。該規格採用跳頻模式，讓佔用頻寬增加3倍，成為1.6GHz。符號外圍再增加一組60.6ns的循環表頭以及9.5ns的預留緩衝時間，讓每組脈衝的週期時間（dwell time）達到312.5ns。每個子載波的調節機制為QPSK。這種機制的波形如(圖一)所示。

《圖一　跳躍3個頻寬後的OFDM UWB功率頻譜》

運用OFDM搭配適合的符號長度，確保在多通道型頻道的效能得以符合UWB無線PAN的要求。然而，透過三頻道多頻機制所提供的頻道擴充，無法針對同一位置上的許多不對等微網路提供充裕的隔離機制，以及適當的頻譜配置。為改進這方面的缺失，須增加多頻中的頻率數量。

脈衝無線電UWB

脈衝無線電（Impulse Radio）系統使用的訊號，是一連串由單一基本脈衝波型所衍生的短週期脈衝。脈衝波型的週期從0.2ns到1ns，脈衝循環間隔為25ns到1ms（毫秒）。因此在每兩個脈衝之間有極長的靜默時間，讓頻道脈衝能衰減至零，因而讓符號間的干擾幾乎可以降低至零，故不須使用等化器。

在調節含有資料的脈衝訊號方面，有許多方式可採用，但其中一項共同的特性就是脈衝訊號在傳輸時不會轉譯成更高的載波頻率；故稱之「無載波」無線電。調節技術就是脈衝位置調節，以及各種脈衝波幅調節，其中包括on-off keying以及polarity keying。

業界使用的脈衝波長有許多種，其中包括高斯脈衝以及如(圖二)所示的第1與第2衍生型脈衝。當頻譜須配合特定的頻譜遮罩以支援法律規範時，則須採用更精密的脈衝波型。

脈衝無線電的另一項考量重點就是若接收器使用散佈能量（dispersed energy），頻道脈衝就需要一組較長的匹配過濾器。這類匹配過濾器的成本與複雜度，加上設定適當tap權值的頻道估計流程，可能會影響脈衝無線電技術的簡易性。

《圖二　高斯單脈衝》

多頻UWB

直接建立Giga Hertz頻譜的UWB訊號所衍生的各種建置問題，可由兩個步驟加以克服：第一，在500MHz頻道附近建立一套調節機制，第二，針對最終訊號進行跳頻，以取得最終頻寬。上述所有機制都可另外再搭配一套跳頻機制。這種模式被稱為多頻UWB（亦稱為跳頻），最近已獲得許多大廠的支持（參見：http://www.uwbmultiband.org/）。

《圖三　UWB的多頻帶概念》

一般而言，跳頻序列應預先決定，且每個微網路皆應不同。這種設計讓多組微網路能在有限的碰撞次數下使用相同的頻譜。相對的，多組同頻譜的微網路就不需要跳頻序列，本身即可用來傳達調節資訊（雖然每個頻寬需要平行接收器）。

多頻模式有兩項重要的特性，就是擴充性與彈性。這兩項特性的優點包括：

《圖四　彈性壓制子頻段以降低干擾》

UWB展望及美國之標準化發展

第一個通過的重要障礙就是美國聯邦通訊委員會針對UWB的傳輸制定管理法則。規範頻譜的發射限制特別針對一些涉及影像與多媒體的高速PAN應用，這方面已透過IEEE Task Group 802.15.3a制定標準。該小組在2002年12月11日獲得IEEE Standards Board的批准，通過標準發展的5項評估：例如像廣泛市場的發展潛力、相容性、明確的一致性（其它標準所無法達到）、技術上的可行性以及成本上的可行性。TG3a專案已於今年3月由大約20家廠商於達拉斯發表實體層技術提案；5月份的IEEE 802.15.3a會議則發表了更新版的實際方案，而今年7月在舊金山舉行的IEEE會議也為TG3a專案選擇最終技術規格。持續推動的標準化時程反映出市場未來推出的新一波數位多媒體消費性應用上，非常有機會支援高速無線通訊功能。

儘管無法確定時間，但標準的制定是市場廣泛採納的必經過程，消費者接納UWB作為家庭多媒體連線方案將有助於推動這項技術的普及。與不對等的UWB微網路之間的並存能力亦是重要的關鍵，包括自己以及鄰近使用者的微網路。由於已投入龐大的資源，因此多數廠商都正積極尋找一套彙整技術，以大多數消費者能接受的價位提供標準化的產品。（作者為飛利浦半導體連接事業部系統架構經理）