UWB技术在家庭和有线电视网络中的应用

UWB技术在家庭和有线电视网络中的应用

 超宽带技术UWB(Ultra Wideband)始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，利用频谱极宽的超短脉冲进行通信，又称为基带通信、无载波通信。由于其具有低功耗、高带宽、高传输速率、低复杂性、抗多径能力强、发射信号功率谱密度低、安全性高等优点，预计未来几年UWB技术将在和人们生活密切相关的数字家电和消费网络设备中得到推广，在有线电视网络及家庭网络中会得到广泛应用。

　　一、超宽带技术的基本原理

　　2002年2月，美国联邦通信委员会(FCC)修订了第15标准，定义UWB信号为相对带宽(信号带宽与中心频率之比)大于0.2，或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500MHz的信号，其中信号带宽定义为：低于最高发射功率10dB的截止频率间的带宽。FCC还规定，UWB的使用频段范围是 3.1～10.6GHz，且其发射功率必须在1mW以下。

　　同传统通信系统相比，超宽带系统是有着其独特之处的。从时域上讲，一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲(几十纳秒)直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间来决定带宽所占据的频率范围。从频域上讲，超宽带有别于传统的窄带和宽带，它的频带更宽。窄带是指相对带宽小于1%，相对带宽在1%～25%之间的被称为宽带，相对带宽大于25%，而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。

　　二、超宽带技术在家庭网络中的应用

　　1.家庭网络

　　家庭网络系统由有线系统和无线系统综合构成。其中，有线系统采用国际数字接口标准IEEE 1394b，在IEEE 1394b基础上，家庭网络无线系统引入了频谱高效率的超宽带脉冲无线电技术，可提供灵活性和移动性的宽带无线接入。直扩序列超宽带的家庭网络把移动高速高性能无线网无缝隙的扩展至有线1394骨干网。

　　2.直接序列超宽带通信子网技术

　　采用单频带体制的DS-UWB系统是家庭网络比较理想的方案。DS-CDMA建议采用了双频带(3.1～5.15GHz加 5.825～10.6GHz)的方法，即在每个超过1GHz的频带内用极短时间脉冲传输数据，该方法也称为脉冲无线电。DS-UWB无线通信系统结构图如图1所示。

　　与无线1394网桥综合的家庭网络结构支持IEEE1394固定连接和DS-UWB无线连接。无线UWB总线系统的拓扑结构是呈现星形，HUB 位置不是固定不变，管理所有挂在无线总线上的子站，负责维护帧结构，分配周期定时信息。要监控在总线注册的子站状态，在子站和子站间广播通信质量信息，显示同步和等时模式子站的时隙安排，控制多址接入过程，保证输出功率在某一电平之下。数据流的传输是自组织网络中对等通信的模式，当一对子站之间直接链路被阻隔时，子站和HUB也可以承担中继多条数据的功能。

　　直接序列超宽带系统的物理层采用二进制相移键控调制技术，为了避免多径衰落的影响，使用RAKE接收机接收信号。其多址接入技术采用直扩码分多址技术。由于UWB信号产生的特殊性，其脉冲成型技术为甚窄高斯单周脉冲，并使用空时编码对其进行编码。典型高斯单周脉冲宽带为0.2～2.0 ns，脉冲间隔为10～100ns，脉冲位置可以是等间隔、随机或伪随机间隔。

　　直接序列超宽带系统的数据链路控制层(DLC)是由一系列帧长为1394周期数倍的DLC帧构成的，该帧由管理区域、数据区域、随机区域等组成。数据链路控制层把资源分成两部分，分别是用于等时时隙的预留带宽和用于同步时隙的动态带宽。UWB总线协议栈结构如图2。

　　直接序列超宽带的1394汇聚层(CL)含有IEEE1394特定业务会聚子层(SSCS)和公共部分会聚子层(CPCS)，它类似IEEE1394b链路层，负责1394事务处理层和UWB低层次之间的映射。

　三、超宽带技术在有线电视网络中的应用

　　1.有线电视网络及高清晰度电视技术

　　有线电视网是高效廉价的综合网络，它具有频带宽、容量大、多功能、成本低、抗干扰能力强、支持多种业务连接千家万户的优势，它的发展为信息高速公路的发展奠定了基础。有线电视网成为最贴近家庭的多媒体渠道，只不过它目前还是靠同轴电缆向用户传送电视节目，还处于模拟水平。高清晰度电视，属于数字电视的最高标准，拥有最佳的视频、音频效果。它与当前采用模拟信号传输的传统电视系统不同，采用了数字信号传输。由于高清晰度电视从电视节目的采集、制作到电视节目的传输，以及到用户终端的接收全部实现数字化，因此给我们带来了极高的清晰度，除此之外，信号抗噪能力也大大加强。数字电视具有高清晰画面、高保真立体声伴音、电视信号可以存储、可与计算机完成多媒体系统、频率资源利用充分等多种优点，成为家庭影院的主力。

 　　2.有线电视网络中的超宽带技术应用

　　交互式电视点播系统和高清晰度电视业务的码率高、数据量大，需要占用很大的带宽和网络资源，而数量巨大的用户数引起了资源的短缺。为了解决有线电视网络的带宽问题，引入超宽带技术，因为它使用无载波结构，网络配置成本低，只需要在系统前端和用户侧增加相应装置，就可以在不改变现有有线电视网络结构的基础上传输UWB数据流。

　　UWB技术具有类噪声特性，传送数据时在时域产生持续时间非常短的脉冲信号，而有线电视系统中发送的载波信号会受到外界噪声和其他信号的干扰后，系统可用带宽和有线网络的传输容量会受到很大影响，UWB的短脉冲信号则不会对载波信号造成干扰，于是在有线电视网络的公共传输媒质中实现了UWB脉冲信号与其他频域信号的共存。

　　在有线电视网络中使用UWB技术存在一个固有的问题，即有线电视网络本身的固有频率损耗会改变UWB脉冲信号的形状和幅度，为了解决这个问题，可以采用预补偿的方法。UWB数据进入有线电视网之前先进行预补偿，这样信号就容易通过同轴电缆系统，同时，UWB信号具有伪随机特性，混合光纤同轴电缆网的噪声电平高于其功率谱密度，信号传送就不会受到影响。

　　有线电视网络传送UWB信号时，首先将数据分成视频、音频和数据流，频道调制器将每一路信号与射频混频同时分配一台号，RF信号进入混合器后，混合器将这些信号合并为一个输出信号，其他的视频数据流调制成射频信号后同混合器输出的普通节目混合，然后转换为光信号，经过光纤传输。在接收端，系统将混合信号里的UWB信号提取出来，同时视频和音频数据被解调器解调出来。该技术的显著特点就是在现有有线电视网络中加入UWB信号调制解调器，而无需对有线电视网络进行较大的改变。UWB信号被扩展到50MHz～1GHz频段范围内，在任何频率处的信号能量都能低于该频段处的噪声电平。普通的有线电视系统或者混合光纤同轴电缆网一般使用的最大频率范围为870MHz，但系统仍具有1GHz左右的带宽，这样，UWB窄脉冲可以在同轴电缆中可靠地传输，可在相同时间内发送更多的数据。

　　四、应用UWB技术的有线电视网络和家庭网络的连接

　　将UWB技术应用于有线电视网络中，充分利用其技术优点，基本不干扰现有的电视频道，同时没有占用或者很少占用频道资源。同时，UWB的多址方式，可以实现数量不少的并发用户，有线电视网络服务商可以充分利用