美國聯邦通訊委員會（FCC）做出裁定後，所有準備都已就緒，只待UWB在市場上展翅高飛。設計人員只要改用多頻帶正交分頻多工調變（multiband OFDM）架構，就能獲得所需的彈性、功耗及成本，使得UWB市場蓬勃發展。

過去一年半裡，超寬頻（UWB）通訊技術受到業界，媒體和學術界的高度重視，引起這陣騷動的原因是此技術可望在實際的多路徑（multi-path）環境裡，提供從10公尺距離的110Mbps延展至2公尺480Mbps的各種資料速率，而且電力和晶片面積的消耗都非常少。業界預期UWB裝置將帶來低成本的解決方案，能滿足消費者對於資料速率的無盡要求，同時促成新的消費市場出現。

要讓UWB系統從實驗室環境走向實際系統設計，工程師必須戰勝許多傳統設計問題，例如複雜性、功耗、成本和彈性；幸運的是，這些問題的解答之一已經出現，多頻帶OFDM技術能克服其中的許多障礙。本文將就該技術架構做深入的介紹與解析。

聯邦通訊委員會施以援手

UWB技術日益獲得重視，主要是因為美國聯邦通訊委員會在2002年2月做出一項重要決定，把高達7500MHz的頻譜（3.1～10.6GHz）釋出給UWB裝置使用。隨著IEEE 802.15.3a等標準的出現，這項決定不但讓許多廠商對UWB通訊系統的發展產生極大興趣，也為產品創新和技術進步帶來許多新機會。

雖然聯邦通訊委員會已將3.1～10.6GHz的頻譜分配給UWB使用，實際結果卻證明在現有的射頻CMOS技術下，使用4.8 GHz以上的頻帶只能讓整個鏈路的效能增加1dB，其代價卻是設計變得更複雜，功耗也更多。

由於鏈路效能增加極少，複雜性和功耗卻會提高，廠商因而認為3.1～4.8 GHz之間的頻帶是UWB裝置初步應用的最有效頻寬；事實上，將頻寬上限設定為4.8GHz還能帶來幾項重要優勢，包括縮短產品上市時程，簡化射頻和類比前端電路（低雜訊放大器和混波器）的設計，使其更容易採用CMOS技術，同時避免來自IEEE 802.11a訊號所使用的U-NII頻帶干擾。

當然，對於UWB頻寬的限制，至少在初期階段，並不表示將來不能使用整個頻寬。隨著射頻技術進步，使用UWB頻帶的較高頻率部份會變得更有效率，因此在系統定義時若能更具前瞻性和深思熟慮，UWB系統即可提供一條有效的升級路徑，使其能於市場條件成熟時升級至此頻譜的更高頻帶。

系統設計問題

若決定使用3.1～4.8 GHz的頻帶，就有數種方法可以設計UWB通訊系統，其中之一是使用整個1700 MHz頻寬，然後利用展頻或分碼多工（CDMA）技術將傳輸資訊分散至整個頻譜。

利用展頻技術建造UWB通訊系統的主要優勢在於這些技術早已為人們所熟悉，並已在其它商用技術（例如寬頻CDMA技術）中獲得驗證，然而發展射頻和類比電路以及高速類比數位轉換器來處理這種極寬頻訊號卻是項艱鉅挑戰；除此之外，數位複雜性也必須變得很高（至少16個RAKE fingers），才能從多個傳輸路徑獲取足夠能量，滿足110Mbps系統的10公尺傳輸距離要求。

除了頻譜配置之外，聯邦通訊委員會還規定每個UWB訊號至少必須佔用500MHz的10dB頻寬。就許多方面而言，此規定已對UWB通訊系統設計造成革命性影響，因為它們不必再使用整個頻帶來傳輸資訊，而是將頻譜分成幾個次頻帶，每個次頻帶的頻寬約為500MHz；藉由將符碼分散到不同的次頻帶，UWB系統仍能像使用整個頻帶一樣，保持相同的傳輸功率。

這種做法的好處是資訊的處理可在大幅縮小的頻寬內進行，讓設計複雜性降低，功耗和成本減少，頻譜彈性和全球電信法規相容性則獲得改善。其它優點還包括讓設計使用更低速率的類比數位轉換器，數位複雜性也能夠簡化。利用這種方法設計的系統通常被稱為多頻帶系統。

瞭解多頻帶技術

在多頻帶系統中，每個次頻帶的資訊都能利用單載波（脈衝式）或多載波（OFDM）技術傳送。

單載波多頻帶系統是藉由極窄脈衝的相位調變來傳送資訊，這類系統的主要優勢是發射器的設計很簡單。這種方法也有缺點，包括：若只用一個射頻訊號處理鏈，將很難蒐集到足夠的多路徑能量；發射器和接收器的切換時間必須很短（少於100 ps）；類比前端零件造成的群速延遲變化（group delay variation）會對接收器的訊號處理產生極大影響；以及為了避免窄頻干擾而可能造成的頻譜資源浪費。

多路徑能量的蒐集也是一個重要問題，因為它會決定通訊系統的傳輸距離。事實證明若用一個射頻接收鏈，脈衝式系統將無法達到所要求的10公尺距離；相形之下，多頻帶方法最終卻有可能達到必要的距離，但其代價通常是接收器的複雜性增加（例如多個射頻接收鏈），功耗變大，類比晶粒的面積增加，還有設計時間變長。

另一方面，多載波的多頻帶系統則是採用正交分頻多工（OFDM）技術在每個次頻帶傳送資訊。OFDM擁有多項良好性質，包括很高的頻譜效率、對於射頻干擾的固有抵抗能力、在多路徑環境中能夠穩定地工作、還能很有效率的擷取多路徑訊號能量；除此之外，這種技術也早為人們所熟悉，並在其它商用技術中（例如IEEE 802.11a/g）獲得驗證。

這種方法的主要優點是它只要使用一個射頻訊號處理鏈，就能蒐集到多個路徑的訊號能量；切換時間的要求會變得較寬鬆；不再受群速延遲變化的影響；接收機處理窄頻干擾問題時，不必再犧牲次頻帶或資料速率。這類系統的唯一缺點是發射器的複雜性略為增加，因為它必須執行逆向快速傅利葉轉換（IFFT），峰均比值也可能稍微高於脈衝式多頻帶技術。

多頻帶OFDM架構

先前已經簡單介紹了設計人員所能採用的各種多頻帶方法，現在進一步討論以OFDM為基礎的多頻帶方法。

在多頻帶OFDM系統的初期應用階段，只使用3.1～4.8 GHz的頻帶，而聯邦通訊委員會又規定UWB訊號的頻寬至少須為500 MHz，所以只有三個次頻帶可供運用。

採用該頻率規劃方式的原因有二：首先，它能在頻道一的低頻端和頻道三的高頻端提供足夠的保護頻帶（guard band），使得通道預選濾波器（pre-select filter）的設計更簡單。其次，它確保發射器和接收器在幾奈秒內，就能切換至下一個中心頻率。

假設時頻交錯（time-frequency interleaving）的執行只涵蓋三個OFDM符碼，但在實際應用中，時頻交錯的週期遠大於此，每個超訊框（superframe）和微網（piconet）所使用的時頻交錯長度和樣式都可能不相同。

從可清楚看出，每個OFDM符碼的前端都會加入一個循環字首（cyclic prefix），每個OFDM符碼的後端還會加上9.5 ns的保護區間（guard interval）；加入保護區間是為了確保在所有通道環境和所有的資料速率下，它都只需要一個射頻發射機和射頻接收機，發射機和接收機也有充份的時間切換到下個通道。

結論

本文所描述的多頻帶OFDM系統提供了以CMOS技術為基礎、設計完全符合業界標準的UWB通訊系統技術細節，這種系統不但低功耗、低複雜性和低成本，而且隨著資料速率及通道條件的不同，它還能在超過10公尺的距離外，以110Mbps以上的資料速率傳輸通訊。除此之外，採用多頻帶OFDM技術的系統也擁有較大的彈性，因此它們不但能和現有的無線技術共存，還能調整配合不同地區的各種法規要求。

（作者群為Anuj Batra、Jaiganesh Balakrishnan、Anand Dabak，任職於TI德州儀器；本文摘選自零組件雜誌155期《多頻帶OFDM UWB技術與架構剖析》一文，全文請見本刊網站）

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