面向嵌入系統(tǒng)的480Mb/s無線UWB鏈路

近年來，短程WPAN網(wǎng)絡(luò)(藍牙或Zigbee)開始流行。然而，對于某些應(yīng)用，如無線視頻傳輸或與計算機的大容量數(shù)據(jù)交換，現(xiàn)有藍牙或Zigbee的數(shù)據(jù)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(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。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)無線傳輸技術(shù)，最初只作為一種軍事技術(shù)，直至1994年美國軍方解除限制后才開始發(fā)展其商業(yè)用途。本文將討論如何使用系統(tǒng)級芯片和極少的外設(shè)部件來實現(xiàn)UWB無線鏈路。

雙向無線對等傳送網(wǎng)絡(luò)
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(gòu)建無線USB，但卻很難用于其他嵌入系統(tǒng)。通過繞經(jīng)USB協(xié)議實現(xiàn)通信會產(chǎn)生額外的遲滯，而這對需要完成同步加工生產(chǎn)的工業(yè)自動化設(shè)備來說是致命的。傳輸大量的數(shù)據(jù)(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(tǒng)總線，不需繞過USB協(xié)議進行。

任何設(shè)備都可啟動通信通道，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)中便容許建立一個實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿襟w訪問層。

UWB MAC支持兩種通道訪問方式。一種是以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xiàn)較短的訪問遲滯，但不保障數(shù)據(jù)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(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)無法實現(xiàn)的。

超寬帶無線技術(shù)
在傳統(tǒng)無線技術(shù)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(shè)備可能會暫時降低帶寬。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)議開銷相當(dāng)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(wěn)健的無線通道。下面將探討更多的優(yōu)勢和細節(jié)。

1? USB無線通信層
與現(xiàn)在成熟應(yīng)用的無線傳輸技術(shù)(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(gòu)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(fā)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(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)調(diào)制技術(shù)。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(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(zé)射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負責(zé)管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無線通信狀態(tài)。當(dāng)數(shù)個UWB設(shè)備相距很近時，它們就構(gòu)成所謂的點對點Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不是一個預(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。

面向嵌入系統(tǒng)的480Mb/s無線UWB鏈路

如圖3所示為由三個UWB設(shè)備構(gòu)建的一個Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。其中，設(shè)備A對設(shè)備C來說是不可見的。設(shè)備A(圖中左邊的設(shè)備)即便不能“聽”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隙，因為其可通過所謂的“信標”(beacon)來了解設(shè)備C。信標保存了鄰近設(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通過設(shè)備B知道設(shè)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(gòu)成超幀(見圖4)。超幀分為信標段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個媒體訪問時隙，一個媒體訪問時隙持續(xù)256μs，一個超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“聽”到的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

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

3 采用信標和TDMA技術(shù)節(jié)能
由于按時隙組織通道，因此并不需要每個設(shè)備每時每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個設(shè)備每次只需被喚醒65.5ms收聽信標；如果該設(shè)備沒有任何任務(wù)，將重新返回睡眠狀態(tài)。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(quán)限進行管理。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，有可能兩個設(shè)備同時在收聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時向其發(fā)送信息，這就是所謂的“碰撞”。發(fā)生“碰撞”時，設(shè)備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個設(shè)備在重試前都等待一個隨機時長。優(yōu)先級較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級較低的設(shè)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(wǎng)發(fā)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(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隙(媒體訪問時隙)。保留通道占用時隙的相關(guān)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(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。

除DRP訪問機制外，UWB還可使用“優(yōu)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(xiàn)UWB-MAC的例子。該系統(tǒng)級芯片(SoC)利用Atmel微控制器外設(shè)，如USB主機和設(shè)備、以太網(wǎng)MAC和外部存儲控制器。這些設(shè)備可通過多層高級主機總線(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媒體訪問控制器
UWB標準的許多參數(shù)都由微控制器固件來控制。這樣，在需要增添其他高層協(xié)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(guī)范變更的風(fēng)險，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，一個無線發(fā)送視頻信號的應(yīng)用，來自數(shù)字視頻接口的數(shù)據(jù)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(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，MAC用作AHB總線，無須處理器核進行干預(yù)。這意味著處理器不會被數(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)哪繕嘶蛟?，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(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，選擇標準的ASIC器件顯然比較適合這類嵌入應(yīng)用。

如果預(yù)計產(chǎn)量太低，不足以分擔(dān)采用標準ASIC的開發(fā)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(yīng)用處理器顯然就是最合適的選擇(見圖7)。這款基于ARM技術(shù)的微控制器具備所有常用的外設(shè)和標準Atmel ARM微控制器的軟件驅(qū)動程序，外加實現(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準外設(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(xiàn)UWB-MAC

為便于UWB應(yīng)用開發(fā)，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(fā)的設(shè)計，在FPGA中實現(xiàn)UWB MAC和其他專用邏輯。在擴展板卡上實現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB評測工具套件與一臺運行業(yè)界標準ARM開發(fā)工具的PC連接，以完成系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試。這樣的開發(fā)方式允許軟硬件開發(fā)并行，從而大幅縮短開發(fā)時間。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)開發(fā)。

圖8 帶UWB陸離層和天線的CAP開發(fā)板

3 在控制器軟件中實現(xiàn)的無線USB協(xié)議
采用UWB-MAC和微控制器的USB主機/設(shè)備控制器硬件模塊，就可實現(xiàn)無線USB主機或設(shè)備。

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

圖9 無線UWB實施方案的層結(jié)構(gòu)模型

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

結(jié)論
UWB技術(shù)可以實現(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(yōu)于WLAN鏈路。

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