如何使用系统级芯片实现UWB无线链路的设计与研究

近年来，短程WPAN网络（蓝牙或Zigbee）开始流行。然而，对于某些应用，如无线视频传输或与计算机的大容量数据交换，现有蓝牙或Zigbee的数据传输速率还是达不到要求。另一方面，诸如WLAN之类的无线技术又存在数据吞吐量不确定，功耗高及电磁辐射大的缺点。相较之下，超宽带（Ultra Wideband，UWB）适合依赖电池供电的手持设备，且电磁辐射非常低。

UWB是一种高带宽（480～1320Mb/s）的短程（10～50m）无线传输技术，最初只作为一种军事技术，直至1994年美国军方解除限制后才开始发展其商业用途。本文将讨论如何使用系统级芯片和极少的外设部件来实现UWB无线链路。

双向无线对等传送网络

早期UWB芯片组的目标是在主流PC中替代USB电缆。采用这类芯片组，只需少量部件就可构建无线USB，但却很难用于其他嵌入系统。通过绕经USB协议实现通信会产生额外的迟滞，而这对需要完成同步加工生产的工业自动化设备来说是致命的。传输大量的数据（高清视频信号）要求与UWB媒体访问层直接快速接口，而之前提及的MAC-IP就是通过AHB直接利访问系统总线，不需绕过USB协议进行。

任何设备都可启动通信通道，连接网络中另一设备。连接嵌入系统常常需要建立一个网络。在该网络中，所有成员享有相同的权利，并可以任何方向在设备间传输数据。本文讨论的架构中便容许建立一个实现双向数据传输的媒体访问层。

UWB MAC支持两种通道访问方式。一种是以太网络协议采用的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision，CSMA）通道访问方式，该方式可实现较短的访问迟滞，但不保障数据吞吐量。第二种为带有可保留时隙的时分多址（Time Division Multiplexing，TDMA）方式，该方式非常适合那些要求保障数据吞吐量的应用（视频传输）。

某些数据传输（如高清视频）要求确保400Mb/s的数据传输速率，而这是传统技术无法实现的。

超宽带无线技术

在传统无线技术采用的无线访问机制，吞吐量随通道占用情况而改变。这样，其他接收设备可能会暂时降低带宽。而在UWB技术中，收发期间通道则可一直保留。

UWB技术协议开销相当小，而这一点对减小传输延迟非常重要。由于信息分布在128个子载波上，因此可建立非常稳健的无线通道。下面将探讨更多的优势和细节。

1 、 USB无线通信层

与现在成熟应用的无线传输技术（如WLAN）不同，UWB每个通道占用528MHz频带；而WLAN通道频带最大只有20MHz。三个528MHz的频带构成一个频带群。UWB的整个频率范围为3.1～10.6GHz，分成5个频带群。目前已有工作在频带群1和3的先进的双频带收发器。

WiMedia-UWB采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）调制技术。每个528MHz频带分为128个子载波；每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点（见图2）。这也是“正交”名称的由来。承载信息被分配在128个子载波中，每个528MHz通道的最大速率为480Mb/s。

图2 每个子载波的波峰处于相邻子载波的零点

由于子载波分布在528MHz的大带宽范围，因此就可使发送功率降得很低，如低至37μW（相比而言，WLAN发送功率则高于300mW）。528MHz的信息发送宽带和非常低的发送功率，使得UWB易于与其他无线频率应用共存。

尽管发送功率仅为37μW，但其传输距离却达到10m，并可轻松穿过25cm砖墙。

2、 媒体访问控制层

UWB无线通信层负责射频（RF）处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点Ad Hoc网络。Ad Hoc网络不是一个预先规划好的网络，而是由相距很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。

如图3所示为由三个UWB设备构建的一个Ad Hoc网络。其中，设备A对设备C来说是不可见的。设备A（图中左边的设备）即便不能“听”到设备C，也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为其可通过所谓的“信标”（beacon）来了解设备C。信标保存了邻近设备的信息，因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间，可能在任何方向直接传输数据。

图3 设备A通过设备B知道设备C的存在

UWB采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，即按照时隙和帧来组织传输。UWB传输时隙组合构成超帧（见图4）。超帧分为信标段（BP）和数据传输段（DTP）。信标及有效数据占据超帧的256个媒体访问时隙，一个媒体访问时隙持续256μs，一个超帧持续65.5ms。所有能相互“听”到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通信通道。

图4 UWB数据超帧分为信标段和数据传输段

3、 采用信标和TDMA技术节能

由于按时隙组织通道，因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据。一个设备每次只需被唤醒65.5ms收听信标；如果该设备没有任何任务，将重新返回睡眠状态。这类似于手机延长电池寿命的睡眠模式。

4 、无竞争大频带与通道访问

UWB的无线接口很像电缆。如果有几个通信参与者而通道又有限，就必须对访问权限进行管理。打算发送信息到某一通道的设备需要确定该通道是否已被别的设备占用。如果发现该通道空闲，就发送信息。当然，有可能两个设备同时在收听该通道，都发现它是空闲的，并同时向其发送信息，这就是所谓的“碰撞”。发生“碰撞”时，设备将尝试稍后再访问通道。这期间，每个设备在重试前都等待一个随机时长。优先级较高的设备可能比优先级较低的设备先进行重试。这种“竞争访问”机制是20世纪70年代随以太网发明的，也常用于WLAN。显然，如果要以最低延迟无中断地传输一段视频流，这种方法就行不通了。为确保能无中断地传输视频流，UWB采用了分布式驻留协议（DRP）。由于UWB基于TDMA，为保障与另一设备通信，网络成员可保留一些固定的时隙（媒体访问时隙）。保留通道占用时隙的相关信息在信标时段传送。如果某一时隙被标记为“硬保留”，任何第三方都不可占用该时隙。这是保障视频传输要求的确定性数据传输速率所必须的。

除DRP访问机制外，UWB还可使用“优先排序竞争访问”机制。

实施方案

图5所示为使用爱特梅尔公司CAP可定制微控制器实现UWB-MAC的例子。该系统级芯片（SoC）利用Atmel微控制器外设，如USB主机和设备、以太网MAC和外部存储控制器。这些设备可通过多层高级主机总线（Advanced Host Bus， AHB）与UWB-MAC高速交换数据，并借助ARM外设总线（Advanced Host Bus， APB）控制数据。

图5 集成UWB-MAC的嵌入系统结构图

UWB物理层（UWB-PHY）可以是Wionics Research公司的RTU7012双频物理层（Dual Band PHY），该物理层符合WiMedia PHY 1.1和 PHY 1.2技术规范，可在UWB频带群1和3中工作。

1、 低延迟UWB媒体访问控制器

UWB标准的许多参数都由微控制器固件来控制。这样，在需要增添其他高层协议如无线USB时，无须任何硬件修改。使用固件实施方案，还可降低规范变更的风险，并提高了灵活性。

MAC可在UWB设备间按任何方向传输任何数据。例如，一个无线发送视频信号的应用，来自数字视频接口的数据通过AHB传送到与外部总线接口（External Bus Interface，EBI）连接的SDRAM。该SDRAM用作一个视频中间缓冲器（见图6）。MAC从该SDRAM提取视频数据，并将其传送到UWB网络以完成传输。在相反的方向上，则将UWB物理层接收到的数据传送到SDRAM。

图6 UWB-MAC用作总线主控

在UWB网络和SDRAM之间传输数据时，MAC用作AHB总线，无须处理器核进行干预。这意味着处理器不会被数据传输任务占用，因而可用于控制后续UWB超帧的MAC设置。在这种架构下，任何AHB总线设备都可成为数据传输的目标或源，无论是传送到UWB-MAC，还是从UWB-MAC传出。对于UWB无线模块的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口标准。

2 、 集成在可定制应用处理器中的UWB-MAC和控制器外设

嵌入系统的其他必备部件包括用于电池管理的A/D转换器和脉宽调控器（PWM）。为将所有部件集成到SoC芯片中，并降低这种电池供电设备的功耗，选择标准的ASIC器件显然比较适合这类嵌入应用。

如果预计产量太低，不足以分担采用标准ASIC的开发成本，而功耗和成本又不允许采用FPGA，爱特梅尔公司的CAP可定制应用处理器显然就是最合适的选择（见图7）。这款基于ARM技术的微控制器具备所有常用的外设和标准Atmel ARM微控制器的软件驱动程序，外加实现用户定制功能的金属可编程逻辑区域，可在CAP金属可编程区域实现UWB-MAC和其他定制IP核，类似于门阵列。该微控制器的其他标准外设如外部总线接口（EBI），可用于控制SDRAM，可以避免增添内存控制器的技术风险和成本。

图7 使用带有金属可编程模块的Atmel CAP9可定制微控制器实现UWB-MAC

为便于UWB应用开发，爱特梅尔公司提供一款CAP UWB评测工具套件（见图8）。CAP9器件的固定部分是一个标准的微控制器，该微控制器与一个用于仿真金属可编程模块的高密度FPGA耦合。用户可以快速配置这款评测工具套件，仿真目前正在开发的设计，在FPGA中实现UWB MAC和其他专用逻辑。在扩展板卡上实现UWB物理层。CAP UWB评测工具套件与一台运行业界标准ARM开发工具的PC连接，以完成系统开发和调试。这样的开发方式允许软硬件开发并行，从而大幅缩短开发时间。当系统经全面调试后，将UWB MAC和专用逻辑重新映像到CAP的金属可编程模块中，提供了组件数目较少的完整的UWB收发器。这种低成本、中等数量UWB解决方案非常适合嵌入式系统开发。

图8 带UWB陆离层和天线的CAP开发板

3 、在控制器软件中实现的无线USB协议

采用UWB-MAC和微控制器的USB主机/设备控制器硬件模块，就可实现无线USB主机或设备。

虽然UWB-MAC和USB-MAC/PHY的第1层和第2层是由硬件实现的，但无线USB协议却可以软件形式在第3层实现。

同样，也可在采用无线通信的工业自动化设备中实现以太网到UWB的网桥。

结论

UWB技术可以实现较短的传输延迟和高传输速率，且功耗小，电磁辐射低。而且，即便移动电话和WLAN传送器邻近工作，UWB的无线链路也非常牢靠。在这些方面，它优于WLAN链路。

UWB-MAC模块绕过USB接口或无线USB驱动器，因而能够实现延迟短、链路速度快的完整UWB网络。

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