如何使用系統(tǒng)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)UWB無(wú)線鏈路的設(shè)計(jì)與研究

近年來(lái)，短程WPAN網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙或Zigbee）開(kāi)始流行。然而，對(duì)于某些應(yīng)用，如無(wú)線視頻傳輸或與計(jì)算機(jī)的大容量數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)有藍(lán)牙或Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸速率還是達(dá)不到要求。另一方面，諸如WLAN之類的無(wú)線技術(shù)又存在數(shù)據(jù)吞吐量不確定，功耗高及電磁輻射大的缺點(diǎn)。相較之下，超寬帶（Ultra Wideband，UWB）適合依賴電池供電的手持設(shè)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(wú)線傳輸技術(shù)，最初只作為一種軍事技術(shù)，直至1994年美國(guó)軍方解除限制后才開(kāi)始發(fā)展其商業(yè)用途。本文將討論如何使用系統(tǒng)級(jí)芯片和極少的外設(shè)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)UWB無(wú)線鏈路。

雙向無(wú)線對(duì)等傳送網(wǎng)絡(luò)

早期UWB芯片組的目標(biāo)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(gòu)建無(wú)線USB，但卻很難用于其他嵌入系統(tǒng)。通過(guò)繞經(jīng)USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信會(huì)產(chǎn)生額外的遲滯，而這對(duì)需要完成同步加工生產(chǎn)的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)說(shuō)是致命的。傳輸大量的數(shù)據(jù)（高清視頻信號(hào)）要求與UWB媒體訪問(wèn)層直接快速接口，而之前提及的MAC-IP就是通過(guò)AHB直接利訪問(wèn)系統(tǒng)總線，不需繞過(guò)USB協(xié)議進(jìn)行。

任何設(shè)備都可啟動(dòng)通信通道，連接網(wǎng)絡(luò)中另一設(shè)備。連接嵌入系統(tǒng)常常需要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，所有成員享有相同的權(quán)利，并可以任何方向在設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。本文討論的架構(gòu)中便容許建立一個(gè)實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w訪問(wèn)層。

UWB MAC支持兩種通道訪問(wèn)方式。一種是以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（Carrier Sense Multiple Access with Collision，CSMA）通道訪問(wèn)方式，該方式可實(shí)現(xiàn)較短的訪問(wèn)遲滯，但不保障數(shù)據(jù)吞吐量。第二種為帶有可保留時(shí)隙的時(shí)分多址（Time Division Multiplexing，TDMA）方式，該方式非常適合那些要求保障數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用（視頻傳輸）。

某些數(shù)據(jù)傳輸（如高清視頻）要求確保400Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，而這是傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

超寬帶無(wú)線技術(shù)

在傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)采用的無(wú)線訪問(wèn)機(jī)制，吞吐量隨通道占用情況而改變。這樣，其他接收設(shè)備可能會(huì)暫時(shí)降低帶寬。而在UWB技術(shù)中，收發(fā)期間通道則可一直保留。

UWB技術(shù)協(xié)議開(kāi)銷相當(dāng)小，而這一點(diǎn)對(duì)減小傳輸延遲非常重要。由于信息分布在128個(gè)子載波上，因此可建立非常穩(wěn)健的無(wú)線通道。下面將探討更多的優(yōu)勢(shì)和細(xì)節(jié)。

1 、 USB無(wú)線通信層

與現(xiàn)在成熟應(yīng)用的無(wú)線傳輸技術(shù)（如WLAN）不同，UWB每個(gè)通道占用528MHz頻帶；而WLAN通道頻帶最大只有20MHz。三個(gè)528MHz的頻帶構(gòu)成一個(gè)頻帶群。UWB的整個(gè)頻率范圍為3.1～10.6GHz，分成5個(gè)頻帶群。目前已有工作在頻帶群1和3的先進(jìn)的雙頻帶收發(fā)器。

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

圖2 每個(gè)子載波的波峰處于相鄰子載波的零點(diǎn)

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

盡管發(fā)送功率僅為37μW，但其傳輸距離卻達(dá)到10m，并可輕松穿過(guò)25cm磚墻。

2、 媒體訪問(wèn)控制層

UWB無(wú)線通信層負(fù)責(zé)射頻（RF）處理，而媒體訪問(wèn)控制層則負(fù)責(zé)管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無(wú)線通信狀態(tài)。當(dāng)數(shù)個(gè)UWB設(shè)備相距很近時(shí)，它們就構(gòu)成所謂的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)預(yù)先規(guī)劃好的網(wǎng)絡(luò)，而是由相距很近的參與設(shè)備構(gòu)建，參與設(shè)備可酌情加入和退出。

如圖3所示為由三個(gè)UWB設(shè)備構(gòu)建的一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。其中，設(shè)備A對(duì)設(shè)備C來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。設(shè)備A（圖中左邊的設(shè)備）即便不能“聽(tīng)”到設(shè)備C，也有可能知道設(shè)備C的存在及其所占用的時(shí)隙，因?yàn)槠淇赏ㄟ^(guò)所謂的“信標(biāo)”（beacon）來(lái)了解設(shè)備C。信標(biāo)保存了鄰近設(shè)備的信息，因而設(shè)備可以彼此了解。在能夠相互接收信息的所有設(shè)備之間，可能在任何方向直接傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 設(shè)備A通過(guò)設(shè)備B知道設(shè)備C的存在

UWB采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，即按照時(shí)隙和幀來(lái)組織傳輸。UWB傳輸時(shí)隙組合構(gòu)成超幀（見(jiàn)圖4）。超幀分為信標(biāo)段（BP）和數(shù)據(jù)傳輸段（DTP）。信標(biāo)及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙，一個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙持續(xù)256μs，一個(gè)超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“聽(tīng)”到的網(wǎng)絡(luò)成員都通過(guò)收聽(tīng)到的信標(biāo)來(lái)與超幀同步。信標(biāo)中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

圖4 UWB數(shù)據(jù)超幀分為信標(biāo)段和數(shù)據(jù)傳輸段

3、 采用信標(biāo)和TDMA技術(shù)節(jié)能

由于按時(shí)隙組織通道，因此并不需要每個(gè)設(shè)備每時(shí)每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)設(shè)備每次只需被喚醒65.5ms收聽(tīng)信標(biāo)；如果該設(shè)備沒(méi)有任何任務(wù)，將重新返回睡眠狀態(tài)。這類似于手機(jī)延長(zhǎng)電池壽命的睡眠模式。

4 、無(wú)競(jìng)爭(zhēng)大頻帶與通道訪問(wèn)

UWB的無(wú)線接口很像電纜。如果有幾個(gè)通信參與者而通道又有限，就必須對(duì)訪問(wèn)權(quán)限進(jìn)行管理。打算發(fā)送信息到某一通道的設(shè)備需要確定該通道是否已被別的設(shè)備占用。如果發(fā)現(xiàn)該通道空閑，就發(fā)送信息。當(dāng)然，有可能兩個(gè)設(shè)備同時(shí)在收聽(tīng)該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時(shí)向其發(fā)送信息，這就是所謂的“碰撞”。發(fā)生“碰撞”時(shí)，設(shè)備將嘗試稍后再訪問(wèn)通道。這期間，每個(gè)設(shè)備在重試前都等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)長(zhǎng)。優(yōu)先級(jí)較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備先進(jìn)行重試。這種“競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)”機(jī)制是20世紀(jì)70年代隨以太網(wǎng)發(fā)明的，也常用于WLAN。顯然，如果要以最低延遲無(wú)中斷地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。為確保能無(wú)中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協(xié)議（DRP）。由于UWB基于TDMA，為保障與另一設(shè)備通信，網(wǎng)絡(luò)成員可保留一些固定的時(shí)隙（媒體訪問(wèn)時(shí)隙）。保留通道占用時(shí)隙的相關(guān)信息在信標(biāo)時(shí)段傳送。如果某一時(shí)隙被標(biāo)記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時(shí)隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。

除DRP訪問(wèn)機(jī)制外，UWB還可使用“優(yōu)先排序競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)”機(jī)制。

實(shí)施方案

圖5所示為使用愛(ài)特梅爾公司CAP可定制微控制器實(shí)現(xiàn)UWB-MAC的例子。該系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）利用Atmel微控制器外設(shè)，如USB主機(jī)和設(shè)備、以太網(wǎng)MAC和外部存儲(chǔ)控制器。這些設(shè)備可通過(guò)多層高級(jí)主機(jī)總線（Advanced Host Bus， AHB）與UWB-MAC高速交換數(shù)據(jù)，并借助ARM外設(shè)總線（Advanced Host Bus， APB）控制數(shù)據(jù)。

圖5 集成UWB-MAC的嵌入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)規(guī)范，可在UWB頻帶群1和3中工作。

1、 低延遲UWB媒體訪問(wèn)控制器

UWB標(biāo)準(zhǔn)的許多參數(shù)都由微控制器固件來(lái)控制。這樣，在需要增添其他高層協(xié)議如無(wú)線USB時(shí)，無(wú)須任何硬件修改。使用固件實(shí)施方案，還可降低規(guī)范變更的風(fēng)險(xiǎn)，并提高了靈活性。

MAC可在UWB設(shè)備間按任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)無(wú)線發(fā)送視頻信號(hào)的應(yīng)用，來(lái)自數(shù)字視頻接口的數(shù)據(jù)通過(guò)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(gè)視頻中間緩沖器（見(jiàn)圖6）。MAC從該SDRAM提取視頻數(shù)據(jù)，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡(luò)以完成傳輸。在相反的方向上，則將UWB物理層接收到的數(shù)據(jù)傳送到SDRAM。

圖6 UWB-MAC用作總線主控

在UWB網(wǎng)絡(luò)和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MAC用作AHB總線，無(wú)須處理器核進(jìn)行干預(yù)。這意味著處理器不會(huì)被數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)占用，因而可用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設(shè)置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設(shè)備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)或源，無(wú)論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。對(duì)于UWB無(wú)線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標(biāo)準(zhǔn)。

2 、 集成在可定制應(yīng)用處理器中的UWB-MAC和控制器外設(shè)

嵌入系統(tǒng)的其他必備部件包括用于電池管理的A/D轉(zhuǎn)換器和脈寬調(diào)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(shè)備的功耗，選擇標(biāo)準(zhǔn)的ASIC器件顯然比較適合這類嵌入應(yīng)用。

如果預(yù)計(jì)產(chǎn)量太低，不足以分擔(dān)采用標(biāo)準(zhǔn)ASIC的開(kāi)發(fā)成本，而功耗和成本又不允許采用FPGA，愛(ài)特梅爾公司的CAP可定制應(yīng)用處理器顯然就是最合適的選擇（見(jiàn)圖7）。這款基于ARM技術(shù)的微控制器具備所有常用的外設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)Atmel ARM微控制器的軟件驅(qū)動(dòng)程序，外加實(shí)現(xiàn)用戶定制功能的金屬可編程邏輯區(qū)域，可在CAP金屬可編程區(qū)域?qū)崿F(xiàn)UWB-MAC和其他定制IP核，類似于門陣列。該微控制器的其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)如外部總線接口（EBI），可用于控制SDRAM，可以避免增添內(nèi)存控制器的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)UWB-MAC

為便于UWB應(yīng)用開(kāi)發(fā)，愛(ài)特梅爾公司提供一款CAP UWB評(píng)測(cè)工具套件（見(jiàn)圖8）。CAP9器件的固定部分是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器，該微控制器與一個(gè)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(píng)測(cè)工具套件，仿真目前正在開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)UWB MAC和其他專用邏輯。在擴(kuò)展板卡上實(shí)現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB評(píng)測(cè)工具套件與一臺(tái)運(yùn)行業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM開(kāi)發(fā)工具的PC連接，以完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)試。這樣的開(kāi)發(fā)方式允許軟硬件開(kāi)發(fā)并行，從而大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)全面調(diào)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(shù)目較少的完整的UWB收發(fā)器。這種低成本、中等數(shù)量UWB解決方案非常適合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

圖8 帶UWB陸離層和天線的CAP開(kāi)發(fā)板

3 、在控制器軟件中實(shí)現(xiàn)的無(wú)線USB協(xié)議

采用UWB-MAC和微控制器的USB主機(jī)/設(shè)備控制器硬件模塊，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)線USB主機(jī)或設(shè)備。

雖然UWB-MAC和USB-MAC/PHY的第1層和第2層是由硬件實(shí)現(xiàn)的，但無(wú)線USB協(xié)議卻可以軟件形式在第3層實(shí)現(xiàn)。

同樣，也可在采用無(wú)線通信的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)到UWB的網(wǎng)橋。

結(jié)論

UWB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)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(dòng)電話和WLAN傳送器鄰近工作，UWB的無(wú)線鏈路也非常牢靠。在這些方面，它優(yōu)于WLAN鏈路。

UWB-MAC模塊繞過(guò)USB接口或無(wú)線USB驅(qū)動(dòng)器，因而能夠?qū)崿F(xiàn)延遲短、鏈路速度快的完整UWB網(wǎng)絡(luò)。

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