面向嵌入系統的480Mb/s無線UWB鏈路

近年來，短程WPAN網絡(藍牙或Zigbee)開始流行。然而，對于某些應用，如無線視頻傳輸或與計算機的大容量數據交換，現有藍牙或Zigbee的數據傳輸速率還是達不到要求。另一方面，諸如WLAN之類的無線技術又存在數據吞吐量不確定，功耗高及電磁輻射大的缺點。相較之下，超寬帶(Ultra Wideband，UWB)適合依賴電池供電的手持設備，且電磁輻射非常低。

UWB是一種高帶寬(480～1320Mb/s)的短程(10～50m)無線傳輸技術，最初只作為一種軍事技術，直至1994年美國軍方解除限制后才開始發展其商業用途。本文將討論如何使用系統級芯片和極少的外設部件來實現UWB無線鏈路。

雙向無線對等傳送網絡
早期UWB芯片組的目標是在主流PC中替代USB電纜。采用這類芯片組，只需少量部件就可構建無線USB，但卻很難用于其他嵌入系統。通過繞經USB協議實現通信會產生額外的遲滯，而這對需要完成同步加工生產的工業自動化設備來說是致命的。傳輸大量的數據(高清視頻信號)要求與UWB媒體訪問層直接快速接口，而之前提及的MAC-IP就是通過AHB直接利訪問系統總線，不需繞過USB協議進行。

任何設備都可啟動通信通道，連接網絡中另一設備。連接嵌入系統常常需要建立一個網絡。在該網絡中，所有成員享有相同的權利，并可以任何方向在設備間傳輸數據。本文討論的架構中便容許建立一個實現雙向數據傳輸的媒體訪問層。

UWB MAC支持兩種通道訪問方式。一種是以太網絡協議采用的載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access with Collision，CSMA)通道訪問方式，該方式可實現較短的訪問遲滯，但不保障數據吞吐量。第二種為帶有可保留時隙的時分多址(Time Division Multiplexing，TDMA)方式，該方式非常適合那些要求保障數據吞吐量的應用(視頻傳輸)。

某些數據傳輸(如高清視頻)要求確保400Mb/s的數據傳輸速率，而這是傳統技術無法實現的。

超寬帶無線技術
在傳統無線技術采用的無線訪問機制，吞吐量隨通道占用情況而改變。這樣，其他接收設備可能會暫時降低帶寬。而在UWB技術中，收發期間通道則可一直保留。

UWB技術協議開銷相當小，而這一點對減小傳輸延遲非常重要。由于信息分布在128個子載波上，因此可建立非常穩健的無線通道。下面將探討更多的優勢和細節。

1? USB無線通信層
與現在成熟應用的無線傳輸技術(如WLAN)不同，UWB每個通道占用528MHz頻帶；而WLAN通道頻帶最大只有20MHz。三個528MHz的頻帶構成一個頻帶群。UWB的整個頻率范圍為3.1～10.6GHz，分成5個頻帶群。目前已有工作在頻帶群1和3的先進的雙頻帶收發器。

圖1? UWB頻帶群，最新UWB物理層覆蓋頻帶群1和3

WiMedia-UWB采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調制技術。每個528MHz頻帶分為128個子載波；每個子載波的波峰處于相鄰子載波的零點(見圖2)。這也是“正交”名稱的由來。承載信息被分配在128個子載波中，每個528MHz通道的最大速率為480Mb/s。

圖2 每個子載波的波峰處于相鄰子載波的零點

由于子載波分布在528MHz的大帶寬范圍，因此就可使發送功率降得很低，如低至37μW(相比而言，WLAN發送功率則高于300mW)。528MHz的信息發送寬帶和非常低的發送功率，使得UWB易于與其他無線頻率應用共存。

盡管發送功率僅為37μW，但其傳輸距離卻達到10m，并可輕松穿過25cm磚墻。

2 媒體訪問控制層
UWB無線通信層負責射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負責管理UWB網絡和控制無線通信狀態。當數個UWB設備相距很近時，它們就構成所謂的點對點Ad Hoc網絡。Ad Hoc網絡不是一個預先規劃好的網絡，而是由相距很近的參與設備構建，參與設備可酌情加入和退出。

面向嵌入系統的480Mb/s無線UWB鏈路

如圖3所示為由三個UWB設備構建的一個Ad Hoc網絡。其中，設備A對設備C來說是不可見的。設備A(圖中左邊的設備)即便不能“聽”到設備C，也有可能知道設備C的存在及其所占用的時隙，因為其可通過所謂的“信標”(beacon)來了解設備C。信標保存了鄰近設備的信息，因而設備可以彼此了解。在能夠相互接收信息的所有設備之間，可能在任何方向直接傳輸數據。

圖3 設備A通過設備B知道設備C的存在

UWB采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時隙和幀來組織傳輸。UWB傳輸時隙組合構成超幀(見圖4)。超幀分為信標段(BP)和數據傳輸段(DTP)。信標及有效數據占據超幀的256個媒體訪問時隙，一個媒體訪問時隙持續256μs，一個超幀持續65.5ms。所有能相互“聽”到的網絡成員都通過收聽到的信標來與超幀同步。信標中的信息可視為網絡成員的通信通道。

圖4 UWB數據超幀分為信標段和數據傳輸段

3 采用信標和TDMA技術節能
由于按時隙組織通道，因此并不需要每個設備每時每刻都在接收和發送數據。一個設備每次只需被喚醒65.5ms收聽信標；如果該設備沒有任何任務，將重新返回睡眠狀態。這類似于手機延長電池壽命的睡眠模式。

4 無競爭大頻帶與通道訪問
UWB的無線接口很像電纜。如果有幾個通信參與者而通道又有限，就必須對訪問權限進行管理。打算發送信息到某一通道的設備需要確定該通道是否已被別的設備占用。如果發現該通道空閑，就發送信息。當然，有可能兩個設備同時在收聽該通道，都發現它是空閑的，并同時向其發送信息，這就是所謂的“碰撞”。發生“碰撞”時，設備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個設備在重試前都等待一個隨機時長。優先級較高的設備可能比優先級較低的設備先進行重試。這種“競爭訪問”機制是20世紀70年代隨以太網發明的，也常用于WLAN。顯然，如果要以最低延遲無中斷地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。為確保能無中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協議(DRP)。由于UWB基于TDMA，為保障與另一設備通信，網絡成員可保留一些固定的時隙(媒體訪問時隙)。保留通道占用時隙的相關信息在信標時段傳送。如果某一時隙被標記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數據傳輸速率所必須的。

除DRP訪問機制外，UWB還可使用“優先排序競爭訪問”機制。

實施方案
圖5所示為使用愛特梅爾公司CAP可定制微控制器實現UWB-MAC的例子。該系統級芯片(SoC)利用Atmel微控制器外設，如USB主機和設備、以太網MAC和外部存儲控制器。這些設備可通過多層高級主機總線(Advanced Host Bus, AHB)與UWB-MAC高速交換數據，并借助ARM外設總線(Advanced Host Bus, APB)控制數據。

圖5 集成UWB-MAC的嵌入系統結構圖

UWB物理層(UWB-PHY)可以是Wionics Research公司的RTU7012雙頻物理層(Dual Band PHY)，該物理層符合WiMedia PHY 1.1和 PHY 1.2技術規范，可在UWB頻帶群1和3中工作。

1 低延遲UWB媒體訪問控制器
UWB標準的許多參數都由微控制器固件來控制。這樣，在需要增添其他高層協議如無線USB時，無須任何硬件修改。使用固件實施方案，還可降低規范變更的風險，并提高了靈活性。

MAC可在UWB設備間按任何方向傳輸任何數據。例如，一個無線發送視頻信號的應用，來自數字視頻接口的數據通過AHB傳送到與外部總線接口(External Bus Interface，EBI)連接的SDRAM。該SDRAM用作一個視頻中間緩沖器(見圖6)。MAC從該SDRAM提取視頻數據，并將其傳送到UWB網絡以完成傳輸。在相反的方向上，則將UWB物理層接收到的數據傳送到SDRAM。

圖6? UWB-MAC用作總線主控

在UWB網絡和SDRAM之間傳輸數據時，MAC用作AHB總線，無須處理器核進行干預。這意味著處理器不會被數據傳輸任務占用，因而可用于控制后續UWB超幀的MAC設置。在這種架構下，任何AHB總線設備都可成為數據傳輸的目標或源，無論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。對于UWB無線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標準。

2? 集成在可定制應用處理器中的UWB-MAC和控制器外設
嵌入系統的其他必備部件包括用于電池管理的A/D轉換器和脈寬調控器(PWM)。為將所有部件集成到SoC芯片中，并降低這種電池供電設備的功耗，選擇標準的ASIC器件顯然比較適合這類嵌入應用。

如果預計產量太低，不足以分擔采用標準ASIC的開發成本，而功耗和成本又不允許采用FPGA，愛特梅爾公司的CAP可定制應用處理器顯然就是最合適的選擇(見圖7)。這款基于ARM技術的微控制器具備所有常用的外設和標準Atmel ARM微控制器的軟件驅動程序，外加實現用戶定制功能的金屬可編程邏輯區域，可在CAP金屬可編程區域實現UWB-MAC和其他定制IP核，類似于門陣列。該微控制器的其他標準外設如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM，可以避免增添內存控制器的技術風險和成本。

圖7 使用帶有金屬可編程模塊的Atmel CAP9可定制微控制器實現UWB-MAC

為便于UWB應用開發，愛特梅爾公司提供一款CAP UWB評測工具套件(見圖8)。CAP9器件的固定部分是一個標準的微控制器，該微控制器與一個用于仿真金屬可編程模塊的高密度FPGA耦合。用戶可以快速配置這款評測工具套件，仿真目前正在開發的設計，在FPGA中實現UWB MAC和其他專用邏輯。在擴展板卡上實現UWB物理層。CAP UWB評測工具套件與一臺運行業界標準ARM開發工具的PC連接，以完成系統開發和調試。這樣的開發方式允許軟硬件開發并行，從而大幅縮短開發時間。當系統經全面調試后，將UWB MAC和專用邏輯重新映像到CAP的金屬可編程模塊中，提供了組件數目較少的完整的UWB收發器。這種低成本、中等數量UWB解決方案非常適合嵌入式系統開發。

圖8 帶UWB陸離層和天線的CAP開發板

3 在控制器軟件中實現的無線USB協議
采用UWB-MAC和微控制器的USB主機/設備控制器硬件模塊，就可實現無線USB主機或設備。

雖然UWB-MAC和USB-MAC/PHY的第1層和第2層是由硬件實現的，但無線USB協議卻可以軟件形式在第3層實現。

圖9 無線UWB實施方案的層結構模型

同樣，也可在采用無線通信的工業自動化設備中實現以太網到UWB的網橋。

結論
UWB技術可以實現較短的傳輸延遲和高傳輸速率，且功耗小，電磁輻射低。而且，即便移動電話和WLAN傳送器鄰近工作，UWB的無線鏈路也非常牢靠。在這些方面，它優于WLAN鏈路。

UWB-MAC模塊繞過USB接口或無線USB驅動器，因而能夠實現延遲短、鏈路速度快的完整UWB網絡。