全新的無線傳輸觀念

超寬頻通訊是指使用比現存系統的頻寬大更多的訊號來傳輸系統，其頻寬可以高達幾GHz。在部分文獻中，只有3dB頻寬比中心頻率的四分之一還要寬的訊號才可稱為超寬頻訊號。由通訊理論的觀點來看，一個系統最高可以傳輸的速度和其訊號頻寬成正比，所以用這麼大的頻寬來傳輸資料在理論上是相當有意義的。

由傅立葉轉換的理論來看，高頻寬相當於訊號在時間軸上佔的寬度越短，而在這樣的系統中，訊號往往不是弦波而是寬度只有奈秒（10的負9次方）的短脈衝

（也有使用弦波的超寬頻系統，會在後面說明）。假使用十個脈衝來代表一個數位的0或1的話，將可以在每秒傳送100M位元的資料。由於該觀念相當新穎，因此全世界各大通訊研究機構已投入相當的經費和人力來發展這個領域。

一般的無線傳輸調變會根據數位的0或1改變傳送弦波的頻率、振幅或相位。如果將弦波換成短脈衝的話，一樣可以改變脈衝的極性、振幅或位置來傳送數位資料。(圖一)即為改變脈衝極性的例子。

圖一 : 　弦波調變與超寬頻脈衝調變

歷史足跡

最早的超寬頻技術是在美國和蘇聯冷戰時期發展出來的。在當時，一般的技術都只能量測系統的頻率響應而無法直接得知系統的脈衝響應。於是在1962年一群美國工程師做出可以產生奈秒脈衝寬度的短脈衝訊號產生器來直接觀察微波網路系統的脈衝響應。有了這個產生器，美國軍方的研究人員發現短脈衝訊號很難從雜訊中分離出來，因而很難被他人/敵方攔截並接收解碼，而開始發展這個技術。

一直到80年代中期，短脈衝發射和接收裝置被廣泛的運用在軍用天線、雷達、資料傳輸和定位系統上。不過在這個期間中，短脈衝技術有各式各樣的名字，像基頻傳輸、無載波系統、非弦波技術等等，一直到1989年美國國防部才開始用超寬頻來稱呼這個技術。在1990年，工程師已經可以用低成本來製造脈衝寬度1～3奈秒的短脈衝雷達，也在這個時候，美國終於將超寬頻技術開放給非軍方單位研究，而大幅的加速這個領域的進展。

在1993年到1999年間，美國南加州大學休茲教授（Robert Scholtz）領導的研究團隊率先向學術界發表了一系列對商用超寬頻無線通訊系統的研究成果。他們由通訊理論的觀點來說明使用短脈衝訊號配合展頻通訊技術可以讓50個人以每秒9Mb的速度在1GHz的頻寬中傳輸。同時他們也量測並建立了一個機率模型來描述短脈衝訊號在室內傳輸時的通道。有了這個模型，研究人員與工程師可以很容易的設計傳送和接收器並在電腦上面模擬其效能並修改出新的架構。有了這些理論基礎，通訊領域的其他研究員開始注意到這個新的商用無線通訊系統而競相投入人力來改良。

在各方機構的催促和關切之下，美國聯邦通訊委員會（FCC）終於在2002年通過超寬頻的使用頻帶和其功率限制，如(圖二)所示。在美國聯邦管制人員的規劃中，超寬頻系統可以使用近10GHz的超高頻寬。但由於擔心這個寬頻訊號會干擾到現存的全球定位系統（GPS）、國防通訊、GSM和3G行動通訊系統，他們限制超寬頻系統只能在0～960MHz和3.1～10.6 GHz這兩個頻帶可以有完整的發射訊號功率，在1～3GHz間必需衰減大約10～30分貝，相當於原來強度的千分之一到十分之一。在室外使用時，由於較容易干擾GPS訊號，因此衰減量要比室內高。即使在可以用最高功率發射的頻帶，也只能以-41dBm/MHz的功率發射，只相當於當紅的IEEE 802.11a無線區域網路發射功率的萬分之一。

圖二 : 　FCC對超寬頻訊號的功率限制

個人無線區域網路

目前國際電子工程協會（IEEE）的標準制訂小組正考慮將超寬頻應用在個人無線區域網路（Wireless PAN）上面。這個網路著眼於行動時代中各種可攜式電子產品之間的無線資料傳輸。在我們身旁有越來越多的裝置需要互相傳輸或上網，像個人數位助理（PDA）、筆記型電腦、數位相機、行動電話等等。可是目前需要較高速傳輸的裝置，都需要USB線或1394線來連接。Wireless PAN 希望可以取代周遭的數位傳輸線，甚至希望可以讓科幻電影中的智慧家庭（Smart Home）出現，讓我們一回到家各式各樣的電器會自動開啟服務。目前分析師評估這個標準的產值可望在2007年達到13.9億美元，因此許多大廠都競相參加標準制訂的活動。以下為大家介紹超寬頻技術在高速和低速個人區域網路上的應用現況。

高速IEEE 802.15.3a

高速個人區域網路標準IEEE 802.15.3a希望可以在10公尺的短距離內達到每秒110Mb位元的傳輸率，在更短的2公尺內則希望達到每秒480Mb位元，其主要應用於影音傳輸需求高的消費性電子產品。希望透過超寬頻無線網路，就可以把數位相機或DVD Player的相片和影片傳到家庭電影院裡面，而不需要繞來繞去的傳輸線。而這種速率也可以讓現有的有線介面IEEE 1394或是USB 2.0都變成無線。這樣短距離高速率的無線系統勢必將會壓擠到藍芽（Bluetooth）技術的生存空間。由於傳輸速率高，這個標準使用3.1～10.6 GHz頻帶，整整有7GHz的頻寬可用。

目前有兩大陣營在競爭這個標準，一個是由摩托羅拉（Motorola）所提出，使用短脈衝配合直接序列展頻（Direct sequence spread spectrum；DSSS）原理的系統；另一個則是由英特爾（Intel）和德州儀器（TI）所提出，使用和IEEE 802.11a相同的正交分頻多工調變（orthogonal frequency division modulation；OFDM）技術。與使用短脈衝來調變不同的是，正交分頻多工調變使用許多不同頻率但正交的正弦波和餘弦波，利用改變其振幅和相角的方式來傳送數位資料。其唯一和短脈衝技術相同的只是都使用相同的頻帶，因此這兩個陣營可以說是水火不容、互不相讓。也就因此，此一標準所將採行的技術遲至今日尚未定案。

摩托羅拉提出的技術將頻帶分成兩部分，低頻的3.1到5.2 GHz和高頻的5.8到10.6 GHz，高頻帶的傳輸速度是低頻帶的兩倍。在無線電干擾中，有一種稱為多路徑干擾的問題。相同的傳送訊號會因為房間中物體的反射而產生兩個到多個不同的路徑，這些路徑有的長有的短，會使的反射訊號在不同時間抵達。最壞的情況就像波動重疊時波峰和波谷相消性干涉一樣，讓接收端完全收不到傳出來的電波。但在這個系統中，利用直接序列展頻技術所設計的接收機可以把經由不同路徑抵達接收機的訊號分離，並把它們調整到適當的位置後讓它們加成起來。不僅可以避免互相抵銷的問題還可以讓收到的訊號變得更強。除此之外，直接序列展頻技術還可以讓多個超寬頻訊號在同一個頻帶同一個時間傳送與接收，提高頻譜的使用效率。

英特爾和德州儀器提出的OFDM技術則是利用巧妙的訊號設計，讓多路徑干擾變得很單純。其原理利用一個很簡單的數學關係，在時域上面的多路徑干擾如果轉到頻域上面來看的話，只不過是改變在每一個傳送弦波的振幅與相角。這樣接收機只要把放大或縮小與相角轉動弦波調整回來就可獲得良好的訊號品質。其在3.1到4.8GHz使用128個不同頻率的弦波來傳送訊號，更高頻帶則等到電路技術更成熟時再使用。

使兩大陣營除了上面提到解決多路徑問題的效率之外，還包括許多原因，抗干擾就是其中的一個重要因素。之前提到超寬頻系統和目前使用中的系統頻帶重疊，這不僅造成超寬頻系統會干擾現有系統，現有系統的訊號也會干擾超寬頻系統。超寬頻接收機開了一扇大門讓自己的訊號進來，比較窄頻的其他信號當然也跑的進來。因為這些干擾的強度非常強，不去處理它們又不行。所以接收機能否克服此類干擾的能力也列為重要指標之一。(圖三)畫出一些主要的干擾訊號。

圖三 : 　窄頻干擾訊號分佈圖

另外一個訴求的重點在於製作成本。雖然超寬頻技術很棒，速率比藍芽快10倍又省電，可是價格貴上好幾倍，這樣一般消費大眾恐怕不願意掏腰包購買。這些問題就在規格制訂小組的會議室中一再地被討論但一直都沒有共識，也沒有任何一個技術通過75％同意票的門檻，而美國聯邦通訊委員會也不願表態支持那一個技術。因此有人主張與其再這樣下去2004年結束前也不會有結論，不如兩種技術一起列入標準，直接交由市場決定，以免誤了商機。

低速低耗電IEEE 802.15 SG4a

IEEE 802.15個人區域網路的制訂小組正在擬定另外一個使用超寬頻短脈衝傳輸系統的標準-IEEE 802.15 SG4a。這個標準的特色是它的傳輸率並不高，大約最高到每秒1Mb。和TG3a不同的是，這樣的低傳輸率在同樣的發射能量下可以將資料傳送比較遠，大概可以達到70至100公尺。而且由於傳輸率的要求並不高，所以接收器並不需要做的很複雜、很耗電，這樣可以解決電池耗電的問題。以目前的科技進展來看，體積很小但蓄電量很高的電池恐怕還需要甚久的研發。如果我們將接收機做的很小很省電，一樣可以延長無線裝置的待機時間。而基頻短脈衝傳輸系統由於不需要將電波載到一個高頻的弦波上來傳送，先天上就比使用載波的通訊系統少些訊號處理過程，因而相對而言耗電較低。此外短脈衝接收機由於可以精確的捉到每個脈衝的位置，而可以達到三點定位的功能。比起現有使用衛星來定位的GPS系統，短脈衝系統可以達到更精確的定位。

如果將超寬頻傳收機加上感測器（Sensor）且大量的佈建這種裝置的話，將可以形成一個具定位功能的無線感測器網路（Wireless sensor network）。這樣的系統可以達到比傳統通訊系統更加有效的應用，比如說在火災現場，消防隊員只要配戴這些接收器，救災指揮中心就可以知道所有人的位置來加以指揮。這樣每個消防隊員不但可以知道對方的位置還可以很快的避開危險的地方和找到生還者。另外一個有趣的應用是智慧家庭，當家裡的某一位成員回家時，在他手錶上的超寬頻裝置就會和家中其他的超寬頻裝置網路溝通，讓大家知道家人回家了。而當他走到客廳時，網路偵測到其位置，則會自動地將電燈打開。而工廠的老闆也可以在貨物上面貼上這種裝置，整個無線網路就會自動向主電腦報告現在貨物的狀態，建立所謂的虛擬盤點而省下許多的人物力。目前這個標準希望可以在今年3月時被IEEE核准，並進一步地制定相關技術的細節。

歐日和台灣發展近況

而目前除了美國之外，歐洲和日本也相繼開始與超寬頻技術有關的計畫。歐洲電信聯盟（ETSI）執行了幾個和超寬頻有關的計畫如Ultra Waves和Pulser等等，希望可以在歐洲將超寬頻技術的應用商業化。目前他們也提出和美國聯邦通訊委員會相似的發射頻譜限制。日本通訊研究實驗室（CRL）也成立了超寬頻技術研究室，並積極參與IEEE 802.15.3a標準的制訂，其總務省也計畫在2002年第四季時核准部份商業超寬頻裝置的使用。而在台灣，目前台大電子所正在進行的一項研究計畫，希望可以用積體電路來實現短脈衝超寬頻通訊系統。而交大和成大也投入研究人力在超寬頻系統相關的通道量測和天線製作上。而工研院的產業分析師也表示相較於藍芽而言，超寬頻商用系統還處於萌芽階段，因此目前是國內廠商參與的最佳時機。

結論

超寬頻通訊系統是目前全球通訊界一個熱門的話題，其基本想法是使用很大的訊號頻寬來提升傳輸的速度。目前在商業上可能的應用範圍為個人區域網路，希望能改良我們四周可攜式電子產品之間的無線資料傳輸，更者希望讓日常家電也能互相溝通。由於應用層面的不同，IEEE正在制訂高速和低速兩個商業標準，前者希望能在短距離內可以達到和目前無線區域網路匹敵的速度而後者希望可以達到低成本低耗電。目前這個技術還有相當多問題可以研究，包括訊號發射頻譜、抗窄頻干擾、抗多路徑干擾等等。在電路實現上，要如何達到低成本低耗電而不犧牲通訊品質也是一大挑戰。希望在不久的將來，這些問題可以在人們的努力下而一一解決並讓超寬頻通訊系統改善人們的生活。