[摘要]如今，隨著人們生活品位的提高，家居影音系統(tǒng)的走線正逐漸成為困擾人們的大問題，因此迫切需要能實現(xiàn)高清晰影音的無線傳輸。超寬帶(UWB)技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了短距離內(nèi)超帶寬、高速的數(shù)據(jù)傳輸，被視為是家庭影音傳輸?shù)目尚行越鉀Q方案。介紹了UWB無線通信技術(shù)的概念、UWB技術(shù)用于家居無線影音系統(tǒng)的實現(xiàn)方法以及基于UWB技術(shù)的家居無線影音系統(tǒng)安全性問題。
[關(guān)鍵詞]家居 無線 影音 UWB技術(shù)
中圖分類號：TH6 文獻標識碼：B 文章編號：1002－6908（2007）0820010－01
一、引言
家居設(shè)計最討厭的是各種線纜鋪設(shè)的問題，買了一組家庭影院，還要考慮如何擺設(shè)它，尤其是架設(shè)后置喇叭，可能就讓你傷透腦筋。將無線技術(shù)應(yīng)用于家居影音設(shè)計中，可以把一大堆設(shè)備連接起來而不需要任何電纜或是連接線。再也不會有亂成一團的線圈，也不會有繁雜的連接過程，更不會有因為連接錯誤而損壞設(shè)備的危險。這就是無線連接技術(shù)讓每個人都興奮不已的最重要原因。
二、家居無線影音采用的技術(shù)
對于無線傳輸來說，有三大考慮的議題，分別是：傳輸率、距離/涵蓋范圍和可靠性，不同的應(yīng)用會對這三大議題有所偏重。無線市場上不斷地運用各種可行技術(shù)來改善這三大議題，例如使用OFDM、64QAM等更復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，以及提升對頻譜的利用率。
家居無線影音系統(tǒng)中傳輸?shù)氖歉咔逦挠耙粑募咔逦耙粑募膫鬏斝枰獙崟r的可靠性和可用性，也就需要帶寬保證、降低封包錯誤率以及提高電波干擾的穩(wěn)定性。Wi-Fi雖然已經(jīng)在許多家庭中開始普及，并且制定了QoS標準，但是面對高清影音的高帶寬要求，似乎有些力不從心，主要的瓶頸來自傳輸率和涵蓋范圍不足，以及無法克服存在于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的干擾變量。另一項可供選擇的超寬帶UWB(Ultra Wideband)技術(shù)更被看好，UWB在短距離內(nèi)能提供高達480Mbps以上的速度，如果能克服傳輸穩(wěn)定性的問題，必然能成為家庭無線娛樂的主流方案。
UWB起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用。UWB規(guī)格的家居無線影音系統(tǒng)支持廣泛的數(shù)據(jù)傳輸速率，在短距離內(nèi)，現(xiàn)今的規(guī)范中可從53.3Mbit/s支持到480Mbit/s。不過，480 Mbit/s并非UWB的極限，透過更佳的技術(shù)，它甚至可支持到1Gbit/s 以上的速率。并且，由于UWB采用了跳時擴頻信號，基于其構(gòu)成的家居無線影音系統(tǒng)有較大的處理增益，在發(fā)射端將微弱的脈沖信號分散到寬闊的頻帶上，輸出功率甚至低于普通設(shè)備的噪聲，具有較強的抗干擾性。
三、家居無線影音技術(shù)的實現(xiàn)
目前，家居無線影音系統(tǒng)中UWB技術(shù)的PHY和MAC層標準化工作主要在IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中進行，其中IEEE802.15.3a工作組負責(zé)UWB，而IEEE802.15.4a負責(zé)低速UWB。
�。ㄒ唬└咚賃WB
IEEE802.15.3a標準化的眾多物理層技術(shù)中，目前主要包括兩大技術(shù)陣營：一個是以Intel和TI為代表的多頻帶OFDM(MB-OFDM)，將頻譜以500MHz帶寬大小進行分割，在每個子頻帶上采用OFDM技術(shù)；另一個是以Motorola和Freeseale為代表的直接序列UWB(DS-UWB)，采用傳統(tǒng)脈沖無線電方案。這兩種方案都工作在FCC分配的3.1～10.6GHz的免許可頻段，但兩者有不同的頻段劃分。
MB-OFDM將該頻帶劃分為13個頻段，每個頻段528MHz，用來發(fā)送128點的OFDM信號，每個載波占用4MHz帶寬。根據(jù)目前的需要和硬件實現(xiàn)水平，采用3帶方式(使用子頻帶1～3)和7帶方式(使用子頻帶1～3和6～9)兩種子頻帶配置方式。MB-OFDM方案的發(fā)射端框架如圖1所示。
DS-UWB將頻帶分為兩個頻段，即3.1～4.58GHz和6.2～9.7GHz，在高低兩個頻段中基帶信號擴頻到整個帶寬。而為了避免使用U-NII頻段的其他系統(tǒng)，高低兩個頻段之間的部分沒有使用。兩個DS-UWB信號占用的帶寬遠遠大于DS-UWB信號的帶寬，所以更容易達到很低的功率譜密度。DS-UWB系統(tǒng)的發(fā)射框架如圖2所示。
IEEE 802.15.3a 高速UWB的上層協(xié)議由WiMedia Alliance負責(zé)。最近WiMedia Alliance與多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)合并。WiMedia聯(lián)盟和MBOA均為行業(yè)小組，而且有幾近相同的成員和相似的使命，他們的結(jié)合將可以顯著提高開發(fā)超寬帶標準和互操作性的效率。
�。ǘ┑退賃WB
IEEE 802.15.4a是作為802.15.4的一個補充，其物理層的標準可能采用低速UWB技術(shù)。在2005年3月的IEEE 802全體會議WPAN標準化分會期間，將26項提案整合為6個技術(shù)方案，達成了一個“單一提案”。就目前來看，要實現(xiàn)這6項方案的真正融合還需要一段時間。
四、家居無線影音技術(shù)的安全性
由于家居無線影音系統(tǒng)是采用短距離通信技術(shù)， 盡管網(wǎng)絡(luò)范圍很小，但還是應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膯栴}。所以，必須在網(wǎng)絡(luò)中采用加密算法才能保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)安全交互，并防止第三方的“竊聽”和攻擊。
作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)，UWB技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)而言，UWB信號相當于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。UWB安全性還表現(xiàn)在兩個方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。
五、總結(jié)
實時的無線影音傳輸是挑戰(zhàn)性相對高出許多的一塊市場，UWB技術(shù)提供了遠高于802.11a/g的傳輸率，這雖然并非是實現(xiàn)高質(zhì)量影音內(nèi)容的唯一條件，但高傳輸率確實能保證更佳的傳輸質(zhì)量，提供更高的抗干擾能力。
UWB技術(shù)訴諸于短距離的高速序列傳輸應(yīng)用，也就是說，對于點對點的短距離影音內(nèi)容傳輸來說，UWB會是有線技術(shù)的重要取代方案，會被用來將內(nèi)容從播放器傳送到TV顯示器。在家庭無線影音系統(tǒng)中，視頻傳輸?shù)木�纜也最終將被UWB技術(shù)所取代。
參考文獻：
[1]朱義軍，常力，UWB的特點及在短距離無線通信中的應(yīng)用前景[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2004。
[2]Aiello G R， Rogerson GD. Ultra-wideband wireless systems [J]. Microwave Magazine， 2003，4(2)。
[3]劉婕，陳偉， UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報. 信息與管理工程版， 2005(5)。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。
[關(guān)鍵詞]家居 無線 影音 UWB技術(shù)
中圖分類號：TH6 文獻標識碼：B 文章編號：1002－6908（2007）0820010－01
一、引言
家居設(shè)計最討厭的是各種線纜鋪設(shè)的問題，買了一組家庭影院，還要考慮如何擺設(shè)它，尤其是架設(shè)后置喇叭，可能就讓你傷透腦筋。將無線技術(shù)應(yīng)用于家居影音設(shè)計中，可以把一大堆設(shè)備連接起來而不需要任何電纜或是連接線。再也不會有亂成一團的線圈，也不會有繁雜的連接過程，更不會有因為連接錯誤而損壞設(shè)備的危險。這就是無線連接技術(shù)讓每個人都興奮不已的最重要原因。
二、家居無線影音采用的技術(shù)
對于無線傳輸來說，有三大考慮的議題，分別是：傳輸率、距離/涵蓋范圍和可靠性，不同的應(yīng)用會對這三大議題有所偏重。無線市場上不斷地運用各種可行技術(shù)來改善這三大議題，例如使用OFDM、64QAM等更復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，以及提升對頻譜的利用率。
家居無線影音系統(tǒng)中傳輸?shù)氖歉咔逦挠耙粑募咔逦耙粑募膫鬏斝枰獙崟r的可靠性和可用性，也就需要帶寬保證、降低封包錯誤率以及提高電波干擾的穩(wěn)定性。Wi-Fi雖然已經(jīng)在許多家庭中開始普及，并且制定了QoS標準，但是面對高清影音的高帶寬要求，似乎有些力不從心，主要的瓶頸來自傳輸率和涵蓋范圍不足，以及無法克服存在于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的干擾變量。另一項可供選擇的超寬帶UWB(Ultra Wideband)技術(shù)更被看好，UWB在短距離內(nèi)能提供高達480Mbps以上的速度，如果能克服傳輸穩(wěn)定性的問題，必然能成為家庭無線娛樂的主流方案。
UWB起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用。UWB規(guī)格的家居無線影音系統(tǒng)支持廣泛的數(shù)據(jù)傳輸速率，在短距離內(nèi)，現(xiàn)今的規(guī)范中可從53.3Mbit/s支持到480Mbit/s。不過，480 Mbit/s并非UWB的極限，透過更佳的技術(shù)，它甚至可支持到1Gbit/s 以上的速率。并且，由于UWB采用了跳時擴頻信號，基于其構(gòu)成的家居無線影音系統(tǒng)有較大的處理增益，在發(fā)射端將微弱的脈沖信號分散到寬闊的頻帶上，輸出功率甚至低于普通設(shè)備的噪聲，具有較強的抗干擾性。
三、家居無線影音技術(shù)的實現(xiàn)
目前，家居無線影音系統(tǒng)中UWB技術(shù)的PHY和MAC層標準化工作主要在IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中進行，其中IEEE802.15.3a工作組負責(zé)UWB，而IEEE802.15.4a負責(zé)低速UWB。
�。ㄒ唬└咚賃WB
IEEE802.15.3a標準化的眾多物理層技術(shù)中，目前主要包括兩大技術(shù)陣營：一個是以Intel和TI為代表的多頻帶OFDM(MB-OFDM)，將頻譜以500MHz帶寬大小進行分割，在每個子頻帶上采用OFDM技術(shù)；另一個是以Motorola和Freeseale為代表的直接序列UWB(DS-UWB)，采用傳統(tǒng)脈沖無線電方案。這兩種方案都工作在FCC分配的3.1～10.6GHz的免許可頻段，但兩者有不同的頻段劃分。
MB-OFDM將該頻帶劃分為13個頻段，每個頻段528MHz，用來發(fā)送128點的OFDM信號，每個載波占用4MHz帶寬。根據(jù)目前的需要和硬件實現(xiàn)水平，采用3帶方式(使用子頻帶1～3)和7帶方式(使用子頻帶1～3和6～9)兩種子頻帶配置方式。MB-OFDM方案的發(fā)射端框架如圖1所示。
DS-UWB將頻帶分為兩個頻段，即3.1～4.58GHz和6.2～9.7GHz，在高低兩個頻段中基帶信號擴頻到整個帶寬。而為了避免使用U-NII頻段的其他系統(tǒng)，高低兩個頻段之間的部分沒有使用。兩個DS-UWB信號占用的帶寬遠遠大于DS-UWB信號的帶寬，所以更容易達到很低的功率譜密度。DS-UWB系統(tǒng)的發(fā)射框架如圖2所示。
IEEE 802.15.3a 高速UWB的上層協(xié)議由WiMedia Alliance負責(zé)。最近WiMedia Alliance與多頻帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)合并。WiMedia聯(lián)盟和MBOA均為行業(yè)小組，而且有幾近相同的成員和相似的使命，他們的結(jié)合將可以顯著提高開發(fā)超寬帶標準和互操作性的效率。
�。ǘ┑退賃WB
IEEE 802.15.4a是作為802.15.4的一個補充，其物理層的標準可能采用低速UWB技術(shù)。在2005年3月的IEEE 802全體會議WPAN標準化分會期間，將26項提案整合為6個技術(shù)方案，達成了一個“單一提案”。就目前來看，要實現(xiàn)這6項方案的真正融合還需要一段時間。
四、家居無線影音技術(shù)的安全性
由于家居無線影音系統(tǒng)是采用短距離通信技術(shù)， 盡管網(wǎng)絡(luò)范圍很小，但還是應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膯栴}。所以，必須在網(wǎng)絡(luò)中采用加密算法才能保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)安全交互，并防止第三方的“竊聽”和攻擊。
作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)，UWB技術(shù)具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)而言，UWB信號相當于白噪聲信號，并且大多數(shù)情況下UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數(shù)進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。UWB安全性還表現(xiàn)在兩個方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼時才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。
五、總結(jié)
實時的無線影音傳輸是挑戰(zhàn)性相對高出許多的一塊市場，UWB技術(shù)提供了遠高于802.11a/g的傳輸率，這雖然并非是實現(xiàn)高質(zhì)量影音內(nèi)容的唯一條件，但高傳輸率確實能保證更佳的傳輸質(zhì)量，提供更高的抗干擾能力。
UWB技術(shù)訴諸于短距離的高速序列傳輸應(yīng)用，也就是說，對于點對點的短距離影音內(nèi)容傳輸來說，UWB會是有線技術(shù)的重要取代方案，會被用來將內(nèi)容從播放器傳送到TV顯示器。在家庭無線影音系統(tǒng)中，視頻傳輸?shù)木�纜也最終將被UWB技術(shù)所取代。
參考文獻：
[1]朱義軍，常力，UWB的特點及在短距離無線通信中的應(yīng)用前景[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2004。
[2]Aiello G R， Rogerson GD. Ultra-wideband wireless systems [J]. Microwave Magazine， 2003，4(2)。
[3]劉婕，陳偉， UWB無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報. 信息與管理工程版， 2005(5)。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。
