互动科普

奇妙的超宽频无线传输

最古老的无线电技术为便携式电子产品提供了一种全新的方式，使之能无线传输大量数据。

David G. Leeper

随着一声煎蛋似的噼啪声，一道波浪状的蓝白色强光从两根金属棒的尖端闪过。德国卡尔斯鲁厄大学灯光昏暗的教室里，一位温文儒雅的物理学教授——3l岁的亨利·赫兹，使用他的火花放电发射器向学生演示了电磁现象。这是1887年，赫兹正在制造无线电波。7年后，一个名叫马可尼的意大利年轻人在阿尔卑斯山度假时，读到了赫兹在期刊上发表的文章，脑中突然浮现出了无线电报的景象，于是他火速赶回家。不久，马可尼就能用自己的火花放电发送器，以无线的方式在他的实验室里发送摩尔斯电报码脉冲流。1901年，这位无线电先锋在提高发射功率并制造了更大的天线之后，终于能用这套装置将带有编码的无线电信号传送到大西洋彼岸。

一个世纪很快过去了，研究人员又开始在实验室里发送短电磁脉冲。但技术已经发生了变化。赫兹和马可尼使用的笨重的线圈和电容器，已被小巧的集成电路和隧道二极管取代。而且，早期发送器所转送的粗糙而不稳定的火花束，现在也已变成时问准确、形态特别的脉冲序列，每个脉冲仅持续几百兆分之一秒。当初马可尼的设备每秒仅能传送相当于10比特的数据，而火花放电系统的后代——短距离、低功率的超宽频(UWB)无线技术，可在相同的时间里传送超过1亿比特的数字信息。

插上插头就可无线上网

超宽频系统的高速数据传输能力，吸引了一群发明家和企业家的目光，他们视这种短距离传输技术为一种几乎理想的方式，可以处理便携式电子设备(由电池供电)网络之问急速增长的无线信息传输。这些独立的网络包括个人数字助理(PDA)、数码相机、数字摄影机、视听设备、移动电话、笔记本电脑以及其他移动式电子设备。为了交换大量的数字文档以支持逐渐成熟的宽频应用，这些设备需要高频宽的无线通讯来连接。

互联网有线连接的日益增长是短距无线传输技术发展的另一个动力。在一些发达国家，很多人一天大部分的活动范围的10米以内都能接上有线的互联网络。这样的短距离，让便携式电子产品与互联网之间有可能通过短距离无线技术进行通讯。因此，产业界已经开发出了“插上插头就可无线上网”的窄频通讯技术。其中包括IEEE802．1lb~1]蓝牙标准(其运作的频带是无需授权的2．400-2．483GHz)，还有IEEE802．1la(以5．150-5．350GHz的频带在室内运作)。

蓝牙是无线个人局域网(PAN)中最为熟知的一个标准。无线个人局域网可以取代相邻电子设备间传递数据的串行线或USB线。尽管具体的实施细节不同，但低功率的蓝牙标准有望在10米距离以内，为用户提供最高达每秒700kb的数据传输速度。

IEEE802．1la和802．1lb标准是为局域网(LAN)制定的，强调更快的速度和更长的传输距离，但需消耗更高的功率。通常无线局域网通过接入点让笔记本电脑与有线局域网连接。IEEE802．1lb的用户可以在100米以内的开放空间里获得最大约5．5Mblis的传输速率。而同类的标准IEEE802．1la，可在50米左右的开放空间内，为用户提供的最大数据传输速率达24—35Mbps。在实际应用中，所有短距离无线通讯系统为了补偿距离、墙壁、人及其他障碍的影响，速度都会下降。

目前，采用半导体的超宽频收发机，能够提供非常高的数据传输速度，在5—10米的开放空间里可以达到100-500Mbps。这么高的比特率(bitrate)将会催生出许多以今天的无线技术标准无法支持的应用。而且，工程师希望这些超宽频组件能比目前的窄频无线电设备更廉价、体积更小而且能耗更低。

比起其它的短距离架构，超宽频无线技术还有另一项优势。由于人们不断要求更大的无线数据容量，加之受管制的无线电频谱已趋饱和，受到青睐的系统不仅要提供较高的比特率，而且必须集中在较小的物理区域内，其衡量标准称为空问容量。这个“数据强度”的度量，以每平方米每秒的比特数作为单位，就像用每平方米的流明(lumen)确定灯具的照明强度一样。随着越来越多的宽频用户聚集在拥挤空问，如机场、宾馆、会议中心或其他工作场所，无线系统最关键的一项参数将是空问容量，而这方面正是宽频无线技术UWB的强项(见下页图)。

超宽频无线技术的成功开发，将会催生一系列全新的电子设备及功能，我们的生活方式也将随之改变。例如，我们可能不再到音像店去挑选CD盘了，而是使用便携式大容量存储~,MUWB无线传输下载所要的影片，而且这些事情在给汽车加油的同时就能办到。UWB可让大容N．PDA中的日程表和电子邮件通讯簿，在瞬间完成同步处理，信息的收发也可在咖啡厅、机场、宾馆、会议中心等公共场所完成。当乘坐飞机或火车旅行时，人们可以通过配备UWB的三维视觉眼镜以及高保真音响来欣赏一连串输入的影片或是玩交互式游戏。摄影爱好者可以通过UWB无线设备，将数字化图像和视频从照相机或摄像机里下载到计算机或者家庭影院上，完全不需要我们现在常用的如鼠窝般盘根错节的缆线。

超宽频技术在其他非通讯方面也有重要应用。它靠的是薄如刀锋、时间精确的脉冲，类似雷达上的应用。这些脉冲信号使UWB能够辨别隐藏的物体或墙后面的动静，这对搜救行动和执行执法任务有着重要的意义。

超宽频的精确脉冲还可用来确定室内发射器的位置。其运作就像地区版的全球定位系统(GPS)或“路劫”汽车防盗技术。它利用放置在附近的多个接收机，通过三角定位法找出贴有发射器的货物位置。这种功能对于百货公司的从业人员进行“虚拟盘点”非常有用，例如可以跟踪货架上或仓库中的贵重商品。这种搜索物体位置的功能也可以用于加强安全：将超宽频接收器安装在“智能”门锁或自动提款机ATM里，只有获得授权的人(带有超宽频发射器)接近到1米以内，机器才能运作。

无载波无线电

超宽频无线技术不同干熟悉的无线电通讯形式，如AM／FM、短波、匪警或火警波段、收音机、电视等。这些窄频业务使用所谓的载波，为了避免互相干扰，都在各自的频段上工作。通过某种方式对载波的幅值、频率或相位进行调制，将要传递的数据信息叠加在基底的载波信号上，然后在接收端将其提取出来(见本文“无线电信号的技术细节”有关调制技术的介绍)。

超宽频技术则截然不同，它不使用载波，而是发射一系列间歇式脉冲。通过改变脉冲的幅值、极性、时长或其他特性，将信息编码成数据流。UWB传输模式还用到其他多种专门术语，如无载波、基频、非正弦及脉冲基等等。

避免干扰

由于持续时间非常短，因此超宽频脉冲需在一个连续的频带上工作，这一频带可能会有数GHz宽。结果是脉冲时间越短，占用的频谱就越宽(见本文“无线电信号的技术细节”的有关解释)。

由于UWB脉冲使用了与传统广播电台相同的频率，因此可能会干扰对方。马可尼的火花放电发射站之所以使用很大的功率，是因为需要使电波跨越很远的距离。在当今无线电受管制的环境中，马可尼的那种系统让人无法忍受，因为它会干扰大气中几乎所有的人。与之类似，超宽带通讯系统也会存在同样的问题，除非特意降低其功率，使其发射出来的无线电能量平均低干电吹风、电钻、笔记本电脑或其他家电向外辐射的电磁能。这样低的功率输出，意味着UWB的应用范围要受到严格的限制，传播距离只能在l00米以下，通常只有l0米左右。对于运作良好的调制系统，来自UWB发射机的干扰通常是无害的，因为它们的能量太低，不会造成问题。

相比家用电器产生的辐射，UWB发射机的平均辐射功率非常低，不会对使用者造成任何生理上的损害，不过这一点还需要进一步的实验室测试来证实。例如，一个典型的200微瓦的UWB发射机，它辐射出的平均能量仅有一台常规的600毫瓦移动电话的1／3000。

在相关的利益团体讨论了近2年之后，美国联邦通信委员会(FCC)终于在2002年2月14日有条件地批准UWB投入使用。在900多条针对管制提案的意见中，大多数都是关于UWB是否会干扰现有的服务的，如GPS、雷达和国防通讯以及移动电话等。

联邦管理人员采取了保守的规定，只允许在3．1—10．6GHz的UWB通讯应用拥有完整的“偶发辐射”功率。在这个频带之外，信号必须衰减12分贝，在GPS频带附近必须衰减34分贝。对于使用UWB设备的执法部门和公共安全人员，可以放宽限制，以便其搜寻地震或恐怖袭击的受害者。

尽管有这些规定限制，UWB的开发人员还是满怀信心，认为支持者所想象的数据传输工作，大多数都可由这种无线技术完成。FCC的管理者表示，在积累了一定运行经验，并且进行了进一步研究试验后，他们会考虑逐步放宽对UWB的限制。

有讽刺意味的是，更具挑战的技术问题是寻找阻止其他发射机干扰超宽频设备的方法。在这方面，窄频系统具有决定性优势，因为这类系统都装有前端滤波器，防止在其接收频带之外的发射机对其产生影响。而UWB接收机却需要“开放”的前端滤波器，让较宽的频谱通过，这其中有干扰源发出的信号。UWB接收机克服这一障碍——有时称作干扰阻抗(jamming resistance)的能力，是衡量接收机设计好坏的关键特性。提高干扰阻抗的一种办法是安装所谓的陷波滤波器(notchfilter)，以衰减频谱中可能产生干扰的窄频部分。另一种已开发出来的保护措施，是利用自动陷波滤波器搜索并衰减特别强的窄频干扰。

多路径干涉

另一种无线电干扰——多路径干涉，也是个问题。在某些情况下，同一窄频信号经附近物体反射后，产生两条或多条不同的路径，因而经过反射后的信号再传到接收机时相位不同，有时甚至会相互抵消。在汽车里收听调频广播的人大部分都经历过多路径问题。例如，如果车子停在红绿灯前，信号会突然变得吵杂而失真。车子向前开出几十厘米，通常就可以改变接受信号的相对时间，从而使收听效果恢复正常。

由于反射引起的多路径信号可能也是UWB无线设备的一个软肋，但巧妙的设计却可以利用这一点。UWB的窄脉冲让某些接收机能够将独立的多路径脉冲流分解开来，同时使用多个接收“武器”锁定不同的反射信号。各接收端几乎实时“表决”确定接收到的是l还是0。这种比特检查(bit-checking)功能切实地改善了接收机的性能。

低功率、短距离的无线宽频通讯

当今使用低功率信号在短距离内发送信息的趋势，其实在早期的无线通信中已经出现。在1980年以前，一座大功率的发射塔就可以覆盖整个城市，但其频谱有限，因而服务的客户不多。在1976年，纽约市的无线电话运营商一次只能处理545个移动电话用户，按今天的标准，这个容量实在少得可笑。移动电话技术通过大幅降低功率、缩短传输距离，使同一频谱在同一区域重复使用多次，从而能够容纳更多的用户。现在，短距离无线技术特别是超宽频也准备采用相同的办法。

我们当中一些人也许仍然记得1920年之前那个“火花称王”的时代。今天，在半导体和互联网的帮助下，火花放电发射机的后代——超宽频技术必将很快成为先进的无线高速数据传输的主力军。

【袁永康／译 李爱珺／校】