2006/09/06 来源：电子系统设计

时值2006年的炎夏，全球天气热浪此起彼伏。业界的超宽带技术：UWB领域同样是热气逼人。其中，无线USB技术的推广就已蓄势待发，各UWB/无线USB芯片设计/供应商，系统设计/制造商，分销商等等，都已摩拳擦掌，为争抢今冬圣诞节的UWB/无线USB商业大饼而跃跃欲试。

6月5日，以色列Wisair公司发布了面向支持新一代高速无线USB接口设备的参考设计。

6月13日，富士通宣布日前研制出笔记本电脑的无线USB内置天线模块，其无线USB信号收发模块采用了美国Staccato Communications的“SC3500”系列。

6月21日，USB技术促进团体——The USB Implementers Forum，在美国加利福尼亚州圣何塞市举行开发商会议，介绍了与会企业对相关IC及支持软件进行开发的情况，并现场演示了多个产品样机。参与相互联接测试的5 家公司是美国微软、美国Alereon、英特尔、台湾瑞昱半导体及荷兰飞利浦半导体。来自日本的NEC电子及TDK等也设置了相关产品的展台。

这一切都已表明，支持UWB/无线USB通信的无线消费电子产品浪潮即将来临!

回顾UWB/无线USB的发展历程，我们可以更清晰地看到这一趋势，早在2002年9月，就已经由美国无线媒体联盟“WiMedia Alliance”的成立而开始。经过快三年的激烈竞争，UWB技术的标准化协议由当初对立互不兼容的两大方案，直接序列UWB 方案“Direct Sequence UWB or DS-UWB”对多频带正交频分复用方案“Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing or MB-OFDM”，逐渐演化成以MB-OFDM方案为主导。最初提出MB-OFDM方案的Multi-Band OFDM联盟也合并入WiMedia联盟。MB-OFDM UWB方案也顺理成章地成为WiMedia UWB方案。

支持DS-UWB阵营的Motorola和FreeScale公司在2006年4月宣布退出“UWB Forum”论坛，这就等于秘而不宣地承认，支持WiMedia阵营的Microsoft、Intel、Philips、Fujitsu、NEC以及众多WiMedia协议制式的UWB/无线USB 芯片设计/供应商，系统设计/制造商，分销商等等，在竞争中已占上锋。WiMedia联盟公布的UWB物理层“PHY”协议，UWB媒体接入控制层“MAC”协议，UWB媒体接入控制层——物理层接口“MAC-PHY Interface”协议，及基于UWB的无线USB协议已成为业界的标准。

WiMedia标准的UWB技术的基本特征就是短距超宽带高速无线通信和多种通信协议共用无线信道。从频谱上说，UWB是一种占用极大带宽(3.1GHz～10.6GHz)的扩频信号，其发射能量分布于相应的超大频段范围，带宽范围比任何窄带系统均高出许多，带宽越宽，可携带的信息越多，这使其具有极高的传输速率，可达480Mbps。从发射功率来说，美国联邦通信委员会“Federal Communications Commission”规定UWB的发射功率密度必须低于-41dBm/Mhz，其发射功率对于现存的无线系统来说，可被视作背景噪音，所以，UWB信号对现存无线通信系统干扰性极低，可与现有其他无线传输系统共存，其传输距离在10-20米以内。见图1。


图1: UWB频段及基本特性。

UWB 核心技术的结构位于国际标准ISO/OSI-IEEE 802参考模型的最低两层，物理层与数据链路层“Data Link Layer”。ISO/OSI-IEEE 802的数据链路层又分两亚层，媒体接入控制亚层与逻辑链路控制亚层“Logic Link Control”。

UWB最低一层为物理层，负责射频信号收发和基带信号处理。其上一层为媒体接入控制层，负责从基带信号中解调出有效信息，或把有效信息调制入基带信号，并协同系统中央处理器与操作系统提供硬件-软件接口和用户应用。在媒体接入控制层之上与操作系统结合部份，系统设计可充分利用媒体接入控制层超级帧“Super Frame Structure”的特点，安排多种通信协议，如无线USB、无线1394、蓝牙3.0，以及基于互联网TCP-IP 通信协议的WiNET协议、中国闪联IGRS协议、Microsoft通用即插即用协议，见图2。以求达成类似中国闪联联盟，和美国Intel公司主导的数字生活网络联盟“Digital Life Network Alliance-DLNA”所倡导的数字家庭生活模式。


图2: UWB 核心技术的结构与公共技术平台。

换一句话说，UWB提供了一个共用无线信道及技术平台，为无线USB和无线多媒体产品等各种不同的应用创造了一个多协议应用生态系统，见图3。推动家居生活数字化、网络化、无线化、智能化。


图3: UWB 共用无线信道与多协议应用生态系统。

即将到来的UWB/无线USB浪潮只会是家居生活数字化、网络化、无线化、智能化的第一步。目前家居生活中，人与视频信息的交界面一直就是智能化家居的关键。就UWB/无线USB协议而言，它解决了数据无线传输和通用USB接口联接的问题，但仍未解决高速视频媒体流无线传输和不同视频消费电器多样接口联接的问题。

UWB/无线USB的设计目标主要是针对数据文件“data file”在无线USB制式中的传输，就是把信息数据分拆成多个信息数据包“data packet”，然后把若干个信息数据包集合成为准备传送的数据“Data Payload” ，封装在无线USB协议的数据包内，“Wireless USB Application Packet”。每一个无线USB协议应用包，包含了物理层前导符“PHY Preamble”，物理层控制头“PHY Header”，媒体接入控制层控制头“MAC Header”，媒体接入控制层帧体或数据包“MAC Frame Body or Data Payload”。然后再利用UWB媒体接入控制层超级帧的结构特点“UWB MAC Super-Frame Structure”，在UWB的信标传输时间片“Beacon Slots”之后的媒体接入时间片内“Media Access Slots”把一个个无线USB协议应用包传输出去。

由于无线USB仍然是数据文件传输，而不是视频媒体流传输，所以，如果将无线USB直接用于传输视频媒体流给电视机显示，在目前情况下，还是有不便之处。因为它要求必须在电视机内加装一定量的闪存记忆体，来存放UWB/无线USB传输过来的视频媒体数据，再加装一个媒体播放器“Media Player”来播放闪存记忆体上的视频媒体数据，还需要功能比较强大的CPU。但是，现在绝大多数的电视机产品没有USB接口，无论是采用无线USB连线适配器，还是采用内嵌无线USB，UWB/无线USB电路部份都要求类似个人电脑的外围电路的设计。那么，电视机的设计就接近电脑，使最终产品的成本大大提高，这对消费者的承受力无疑是一个打击。

用另一个方法，跳过无线USB协议，将超宽带直接加于互联网TCP-IP通信协议，即所谓UWB TCP-IP，然后直接用于传输视频媒体流给电视机显示，则是另一番景象。由于目前有线视频媒体流的应用设计基本上都采用互联网802 TCP-IP的协议，很多现成的设计可以直接被超宽带TCP-IP采用，这会大大降低研发和最终产品成本。而且，现成的设计无需有线适配器，可把解调后的有效信息数据直接送入系统总线，如PCI/Mini-PCI等。图4为UWB无线视频媒体流的一个应用设计案例。采用UWB TCP-IP和内嵌系统Mini-PCI总线的方式，实际测量吞吐速率可达100Mbps以上。


图4: UWB无线视频媒体流的应用设计案例。

这个UWB无线视频媒体流的应用设计案例有两种模式。如果视频媒体源是DVD、磁带录放机、硬盘录放机、机顶盒等，可直接从通用CVBS或VGA接口取出视频信号，通过媒体编码把视频图像压缩，由系统总线，PCI/Mini-PCI送往UWB发射模块，将视频媒体流无线传送到另一个UWB接收模块，再通过媒体解码重新将视频图像复原，复原后的视频图像亦由通用CVBS或VGA接口送往电视显示。如果视频媒体源是台式或笔记本式个人电脑等，情况更为简单，可直接从个人电脑PCI/Mini-PCI接口上取出已经压缩的视频图像信号，直接送往UWB发射模块。

这个设计案例还解决了视频接口的问题。如前述，现在绝大多数的电视机及其他视频消费产品没有USB接口，仍然大量采用CVBS 或VGA。在不改变电视机内部结构的前提下，UWB无线视频媒体流方案提供了一个技术可行的方案。另外，在机顶盒上已经有视频媒体解码器，现在电视机产业界也将实行在电视机内加装视频媒体解码，如此，UWB无线视频媒体流方案会进一步降低最终产品成本。

中国大陆及香港地区的消费电子工业包含成分极重的电视机及视频消费产品制造业。我国是名符其实的电视机大国，总产量占全球90%以上，大型的厂家有TCL、长虹、康佳、创维等等，此现状非常适合无线视频媒体流技术的广泛应用。因为大量已售的电视机及视频消费产品，只要外加如前述UWB无线视频媒体流Mini-PCI模块为基础的视频适配器，就可顺理成章的实现无线应用。 图5是香港应用科技研究院有限公司——ASTRI研制的UWB无线视频媒体流Mini-PCI模块，正好是这一类无线视频媒体流技术应用的典型例子。ASTRI的UWB无线视频媒体流Mini-PCI模块已完成设计测试，可供业界加入整机，准备生产。


图5: ASTRI公司UWB无线视频媒体流Mini-PCI模块实物图。

作者：高彤军——Jim Gao，现在香港应用科技研究院有限公司ASTRI任职Product Design Manager。
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