智慧型軟體無線電UWB Ad Hoc通信系統研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

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成 果 報 告

…

期中進度報告

智慧型軟體無線電

UWB Ad-Hoc 通信系統研究

計畫類別：□ 個別型計畫

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整合型計畫

計畫編號：NSC 96－2623－7－009－004－D

執行期間：96 年 1 月 1 日至 96 年 12 月 31 日

計畫主持人：唐震寰

共同主持人：李大嵩、鍾世忠、張志揚、方凱田、陳棟洲

計畫參與人員：莊秉文

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告

;

完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立交通大學電信工程系

中 華 民 國 97 年 3 月 31 日

目 錄

中文摘要... 1 英文摘要... 2 1. 研究方法... 3 1.1UWB 天線模組之開發與實作... 3 1.2UWB 射頻模組之開發與實作... 6 1.3UWB 基頻模組之開發與實作... 9 1.3.1 UWB 基頻模組 ... 9 1.3.2 SDR 模組... 11 1.3.3 MAC 模組之開發與實作... 12 1.4UWB 混合式多重擇路協定與 AD HOC多重跳躍式實驗平台之開發與效能實測... 16 2. UWB 天線設計與量測 ... 21 2.1 前言... 21 2.2 研究方法... 22 2.3 天線設計... 24 2.4 模擬與量測結果... 25 2.5 結論以及未來展望... 28 3. 超寬頻射頻傳收機模組... 29 3.1 前言... 29 3.2 研究方法... 29 3.2.1 UWB RF 收發機 ... 29 3.2.2 RF 收發模組... 30 收發模組實體電路... 30 3.2.3 IF 收發模組 ... 31 4. UWB 基頻模組 ... 33 4.1 前言... 33 4.2UWB 基頻收發機系統模擬平台介紹... 33 4.2.1 Lyrtech VHS-DAC... 33 4.2.2 Lyrtech VHS-ADC... 34 4.3UWB 基頻收發機系統模擬平台實現... 34 4.3.1 基頻模組傳送端... 34 4.3.2 基頻模組接收端... 34 4.3.2.1 同步... 34 4.3.2.2 解展頻... 35 4.3.2.3 解調和傳送... 35 4.3.3 基頻模組與 MAC 模組的聯結... 35 4.3.3.1 控制訊號與工作流程... 35

4.3.3.2 系統驗證... 35 4.3.4 基頻模組與 RF 模組的聯結... 36 4.3.4.1 系統架構... 36 4.3.4.2 控制訊號... 36 4.3.4.3 工作流程... 36 4.3.4.4 系統驗證... 37 4.4 參考文獻... 45 5. MAC 模組模組之開發設計與實作... 46 5.1MAC 模組之開發與實作... 46 5.1.1 MAC 協定... 46 5.1.2 MAC 模組之軟硬體架構... 46 5.2MAC 模組之設計... 48

5.2.1 MAC Kernel Module ... 48

5.2.1.1 MAC 執行緒 (MAC Thread)... 48

5.2.1.2 Tx Protocol... 49

5.2.1.3 Rx Protocol... 49

5.2.1.4 與上層 Ad-Hoc 隨意網路繞徑模組之介面程式... 51

5.2.1.5 Linux 程式運作空間之間的介面程式 (Proc File System) ... 52

5.2.2 GPIO Controller... 53 5.2.3 MAC 與基頻模組的介面電路設計... 54 5.3.MAC 模組之功能測試... 56 5.3.1 RTS/CTS 機制之測試 ... 56 5.3.2 CSMA/CA 機制之測試... 58 5.4.MAC 模組之介面測試... 63 5.4.1 與 Ad-Hoc 隨意網路繞徑模組之介面測試... 63 5.4.2 與基頻模組之介面測試... 65 6. AD-HOC 混合式多重繞徑協定 ... 70 6.1 簡介... 70

6.2SCALABLE MULTICAST ROUTING PROTOCOL (SMRP) ... 71

6.2.1 設計考量... 71 6.2.2 演算法... 71 6.2.3 SMRP 協定特色與比較 ... 71 6.2.4 實作方法... 71 6.2.5 模組與介面測試... 72 6.2.6 MAC 模組與 Ad-hoc 模組介面測試(R6) ... 77

6.3ENERGY CONSERVING MULTICAST ROUTING PROTOCOL(ECMRP) ... 82

6.3.1 設計目標... 82

6.3.2 演算法... 82

6.3.4 結論... 84 6.4 參考文獻... 85 7. 總語... 86 7.1 系統之整合... 86 7.2 測試規劃... 87 7.3 測試結果... 88 7.4 結語... 89

圖 目 錄

圖1-1 ... 4 圖1-2 ... 4 圖1-3 平面印刷式天線 ... 5 圖1-4 ... 5 圖1-5 ... 6 圖1-6 ... 6 圖1-7 ... 6 圖1-8 新規劃的射頻前端模組之系統架構方塊圖 ... 7 圖1-9 射頻模組中擬定使用之各個元件規格與供應商，以及擬定之測試方塊圖。 ... 7 圖1-10 包含中頻模組之整體射頻模組之系統方塊圖。 ... 8 圖1-11 基頻架構方塊圖：(a)傳送端，(b)接收端。 ... 10 圖1-12 Lyrtech 通訊系統發展平台 ... 11 圖1-13 SDR 控制介面... 11 圖1-14 分散式協調的處理程序 ... 13 圖1-15 後退程序(backoff procedure)的執行範例... 13

圖1-16 隱藏節點問題(hidden node problem)... 14

圖1-17 RTS/CTS 機制的動作流程... 14 圖1-18 MAC 模組之傳送程序 ... 15 圖1-19 MAC 模組之接收程序 ... 15 圖1-20 所有節點間皆採用樹狀結構連結 ... 16 圖1-21 子群組間採用網狀結構連接 ... 16 圖1-22 本研究多重跳躍式實驗平台之系統方塊圖 ... 18 圖1-23 多重跳躍式實驗平台之室內點對多點效能測試情境 ... 20 圖1-24 採用 RPGMM 群體移動模式之數位戰士班兵移動行為案例 ... 20 圖2-1 ... 22 圖2-2 ... 23 圖2-3 ... 23 圖2-4 ... 23 圖2-5 ... 23 圖2-6 ... 24 圖2-7 ... 24 圖2-8 ... 25 圖3-1 UWB RF 收發機系統架構圖 ... 29 圖3-2 RF 收發機系統使用的關鍵零組件... 30 圖3-3 RF 收發模組實體電路... 31 圖3-4 IF 收發模組架構圖... 31 圖3-5 IF 收發模組實體電路... 31 圖4-1 基頻模組平台全貌。 ... 37

圖4-2 Lyrtech VHS-DAC 模組。 ... 37 圖4-3 Lyrtech VHS-ADC 模組。 ... 37 圖4-4 傳送端實現電路圖 ... 38 圖4-5 接收端實現電路圖 ... 38 圖4-6 碼擷取 ... 38 圖4-7 路徑搜尋 ... 39 圖4-8 資料解展頻電路實現圖 ... 39 圖4-9 DBPSK 解調電路實現圖 ... 39 圖4-10 DQPSK 解調電路實現圖 ... 39 圖4-11 基頻模組傳送端 GPIO 控制訊號定義。 ... 40 圖4-12 基頻模組接收端 GPIO 控制訊號定義。 ... 40 圖4-13 MAC 與基頻模組連測示意圖 ... 40 圖4-14 MAC 模組傳送之訊框 ... 41 圖4-15 邏輯分析儀收到之結果（一個訊框） ... 41 圖4-16 圖 4-15 的前四個位元組（bytes）... 42 圖4-17 MAC 模組收到來自基頻模組的訊框 ... 42 圖4-18 基頻、RF 模組聯結架構圖。 ... 42 圖4-19 基頻-RF 介面工作流程 ... 43 圖4-20 LMX2433 跳頻誤差測試 (第 1 組)... 43 圖4-21 LMX2433 跳頻誤差測試 (第 10 組)... 43 圖4-22 RF 模組輸出 (增益設定第 5 組)... 44 圖4-23 RF 模組輸出 (增益設定第 9 組)... 44 圖5-1 媒體存取控制模組軟體架構 ... 47

圖5-2 MAC Kernel Module 運作流程 ... 48

圖5-3 MAC 執行緒流程圖 ... 49

圖5-4 傳送封包之程式流程圖 ... 50

圖5-5 接收封包之程式流程圖 ... 51

圖5-6 IP 封包穿越 Netfilter 系統示意圖 ... 52

圖5-7 Proc file... 53

圖5-8 ARM 子板與 FPGA 子板的 GPIO 腳位規劃圖 ... 53

圖5-9 GPIO Controller 運作流程圖... 54 圖5-10 媒體存取控制模組與基頻模組的腳位規劃圖 ... 55 圖5-11 測試環境示意圖... 56 圖5-12 實際測試環境場景圖 ... 57 圖5-13 傳送端工作站 A 之終端機顯示... 58 圖5-14 接收端工作站 B 之終端機顯示... 58 圖5-15 傳送端工作站 A 之終端機顯示... 59 圖5-16 接收端工作站 B 之終端機顯示... 59 圖5-17 傳送端工作站 A 之終端機顯示... 60 圖5-18 接收端工作站 B 之終端機顯示... 61 圖5-19 傳送端工作站 A 之終端機顯示... 61

圖5-20 接收端工作站 B 之終端機顯示... 62

圖5-21 介面測試環境示意圖 ... 63

圖5-22 實際測試環境場景圖 ... 63

圖5-23 由 Ad hoc 隨意網路繞徑模組所發送之 UDP broadcast packet 內容 ... 64

圖5-24 由 MAC 模組所收取之 128 bytes UDP broadcast packet 內容 ... 64

圖5-25 由 MAC 模組所回傳之 128 bytes UDP broadcast packet 內容 ... 65

圖5-26 由 Ad hoc 模組所接收之 UDP broadcast packet 內容 ... 65

圖5-27 介面測試環境示意圖 ... 66 圖5-29 媒體存取控制模組的終端顯示 ... 67 圖5-30 邏輯分析儀擷取基頻模組接收之媒體存取控制模組測試訊框 ... 67 圖5-31 邏輯分析儀擷取基頻模組接收之媒體存取控制模組測試訊框 ... 67 圖5-32 邏輯分析儀產生之測試訊框內容 ... 68 圖5-33 邏輯分析儀擷取到基頻模組傳送給媒體存取控制模組之信號 ... 68 圖5-34 媒體存取控制模組之顯示終端機顯示接收到基頻模組傳送之測試訊框內容 ... 69 圖6-1 Node A 快照 ... 74 圖6-2 Node C 快照 ... 74 圖6-3 Node D 快照... 74 圖6-4 Node E 快照 ... 75 圖6-5 Node C 快照 ... 75 圖6-6 Node D 快照... 76 圖6-7 Node E 加入後的 Node... 77 圖6-8 R6-01 Ad hoc 模組與 MAC 模組介面測試示意圖... 78 圖6-9 R6-02 Ad hoc 模組與 MAC 模組介面測試實體照片... 78

圖6-10 R6-03 Ad hoc 模組發送 128 bytes ICMP 封包至 MAC 模組之接收結果：接收之封包 內容與發送封包內容一致... 80

圖6-11 R6-04 Ad hoc 模組發送 128 bytes UDP broadcast 封包至 MAC 模組之接收結果：接收 之封包內容與發送封包內容一致... 80

圖6-12 R6-05 MAC 模組回傳至 Ad hoc 模組之 128 bytes UDP broadcast 封包接收結果：接收 之封包內容與發送封包內容一致... 81 圖6-13 來源節點 S 欲傳送資料封包至接收端 R1 與 R2；在 ECMR 協定中，將由初始網狀 結構{S,I1,I2,R1,R2}演變為{S,I2,R1,R2}。 ... 83 圖7-1 本研究之超寬頻 ad-hoc 全系統架構與其介面規範... 86 圖7-2 全系統測試架構與其介面示意圖 ... 87 圖7-3 本計畫實驗室與全系統測試場景 ... 88 圖7-4 全系統測試結果之驗證 ... 89

表 目 錄

表1-1 Ad-Hoc 通訊系統與擇路演算法之實地效能評估項目... 18 表3-1 LMX2433 控制訊號腳位定義... 30 表3-2 AL7230 控制訊號腳位定義 ... 32 表4-1 LMX2433 控制訊號腳位定義... 44 表4-2 AL7230 控制訊號腳位定義 ... 44 表4-3 跳頻頻段 ... 45

中文摘要

本計畫發展之「智慧型軟體無線電之 UWB Ad-Hoc 通信系統」，應具下列功能：(1) 運用『UWB 技術』設計「數位戰士」所需之通信系統，以提供高速、安全、強韌之傳輸 鏈路；(2)藉由『Ad-Hoc 網路』做為適應戰場變化之行動隨意拓樸組網，滿足機動作戰任 務之通信需求。具上述功能之系統，應由四項核心模組組成，茲將本年度之工作項目分述 於下： z UWB 天線模組 本計畫採用UHF 頻段，其操作頻寬大於 25%在 VSWR: 2:1 以滿足 UWB 之需求。首先將 研定及分析天線系統需求，並進行天線設計與實作;在來將完成天線模組性能測試與最佳 化，以及天線模組與射頻模組整合測試。 z UWB 射頻模組 將改進去年的射頻電路模組，其中發射鏈路將增加一級增益級，及射頻濾波器，期能改進 偽頻干擾(spurious signal interference)的問題。整個射頻模組都與基頻模組結合，確定控制 訊號均能有效控制射頻模組所有的元件。

z UWB 基頻模組

UWB 基頻模組工作目標將包含：(1)建置 UWB Ad-Hoc 無線通訊網路之基頻雛形平台；(2)

進行基頻模組與射頻模組之間及基頻模組與MAC 模組之間之介面驗證；(3)進行全系統效 能評估及改善各功能方塊之效能。另外也將訂定SDR 全系統可重置性系統參數與 SDR 全 系統可重置性軟硬體平台之建立。 z Ad-Hoc 無線通信網路模組 設計高效率及低複雜度之混合式Multicast Ad-Hoc 多重擇路協定，其主要精神根據節點移 動模式同時使用樹狀結構(Tree-based)與網狀結構(Mesh-based)來建立路徑。此模組中將完成 UWB Ad-Hoc 無線通信網路模組用以量測與驗證其系統性能，在計劃中將建構點對多點 (Multicast)之 Ad-Hoc 無線通信網路實驗平台，並執行場測驗證。 除了上述核心模組之開發外，在整合方面，本年度預期完成之工作成果，以UWBAd-hoc 全系統之整合與測試為主，含（1）各模組之測試與介面整合；（2）超寬頻 Ad-hoc 無線通 訊全系統軟硬體連測；及（3）多重跳躍式實驗平台效能場測。 關鍵詞：超寬頻、射頻模組、基頻模組、天線、隨意網路、多重擇路協定

英文摘要

Our proposal is designed to achieve the following goals: (1) Design communication equipments for digital war-fighters based on the ultra wide band (UWB) technique to provide high-speed, secure, and robust data links; and (2) To meet the communication requirements of mobile military operation by means of ad-hoc networking. In this year, four core modules, which complete the system, will be designed, implemented and partly integrated. They are given as following:

z UWB antenna

The UWB antenna module in this project will be operated in the UHF band. The operating bandwidth of the UWB antenna will be larger than 25% of the center frequency with a VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) of 2:1 to satisfy the requirement of UWB. In the first stage, we will determine and analyze the system requirements for the antenna module in order to design and implement the UWB Antenna. Then, we will test the antenna module and optimize the performance. Lastly, we integrate the antenna with RF module. z UWB RF module

The subproject will improve last year’s RF module that a gain stage and a RF filter will be added in the transmitting path to improve the spurious signal interference. The frequency, gain, transmit/receive path, and antenna diversity control signals from baseband module will be tested to very the validity.

z UWB baseband module

The works of the UWB baseband module includes following parts: (1) Develop a UWB Ad-Hoc wireless communication baseband platform; (2) Verify the baseband/RF and baseband/MAC interfaces; and (3) Evaluate the overall system performance and improve the performances of respective function blocks. The works of the UWB SDR module include two parts: (1) Determine reconfigurable system parameters; and (2) Develop a reconfigurable hardware/software system platform.

z Ad-hoc wireless communications network module

A high efficiency and low complexity multicast Ad-Hoc routing protocol will be developed to fulfill the requirement of military usages. The proposed hybrid multicast routing protocol will adjust itself into either tree-based or mesh-based structure depending on the traffic patterns of the mobile nodes. Field tests for both the multi-hop and single-hop scenarios will be conducted to evaluate the effectiveness of the proposed Ad-Hoc routing protocol.

Based on the development of above core modules, we will integrate these core modules into the proposed UWB communication system in this year. The working items of system integration are: (1) Testing and integration of interfaces between modules; (2) Hardware/software integration and verification to build up the proposed UWB communication system; (3) Field test of the proposed multicast ad hoc routing protocol.

Keywords：Ultra Wide Band, UWB RF Module, UWB Baseband Module, UWB Antenna, Mobile Ad-Hoc Network, Multicast Ad-Hoc Routing Protocols

1. 研究方法

96 年度之工作重點，以完成 UWB Ad-hoc 全系統之整合與測試，含（1）各模組之測 試與介面整合；（2）超寬頻 Ad-hoc 無線通訊全系統軟硬體連測；及（3）多重跳躍式實驗 平台效能場測。下圖為此UWB Ad-hoc 全系統方塊圖。 ARM嵌入式系統硬體平台 Ad-hoc擇路 演算法 UWB Tx/Rx通訊模組 PCMCIA 效能量測軟體 ARM-Linux OS kernel WLAN driver Baseband Firmware (FPGA) UWB RF收發器 UWB天線 MAC Module UWB Ad-hoc 全系統方塊圖 1.1 UWB 天線模組之開發與實作

一般常見的寬頻天線有螺旋天線 (Spiral antenna)、雙錐形天線(Biconical antenna) 、對 數週期天線 (Log-periodic antenna)、盤錐形天線( Discone Antenna)等，這類型的天線為滿足 寬頻的使用，在天線的外形上常需有較特殊的設計，如漸細的設計(taper)，一般常見使用在 UWB 的韋瓦第天線(Vivaldi antenna)亦是如此，故對於天線的選取及設計方面將有這些考 量。

本次計畫天線主要的設計規格(Spec.)如下:

1. UWB 天線需具備良好的饋入匹配(Return Loss <-10dB)在 900MHz~1200MHz 頻 段之間。

2. UWB 天線需具備全方向性場型(Omnidirectional pattern)在 900MHz~1200MHz 頻 段之間。

3. UWB 天線傳輸相位被要求線性在 900MHz~1200MHz 頻段之間。

我們會針對一些不同種類的天線做研究，例如 slotline 天線可以用來傳遞寬頻的電磁

波；slotline 亦可以應用在韋瓦第天線(Vivaldi antenna)見圖 1-1、圖 1-2。韋瓦第天線(Vivaldi

antenna) 是 在 微 波 基 版 兩 面 做 喇 叭 狀 刻 蝕 ， 兩 個 錐 狀 的 金 屬 依 附 在 銅 板 的 兩 側 ， 由 coax-to-slotline (C/S)的傳遞訊號以達到寬頻。韋瓦第天線有一些特性，如逐漸彎曲的曲線、 以及在不同的頻率由天線不同的部分輻射。事實上操作的頻寬受限於由傳輸線輸入天線上 的狹縫，以及受限於天線的終端尺寸大小。 由於電腦硬體和軟體的進步，數值技術已經被用來解決許多在時域的電磁天線研究 議題，故本計畫會用電腦來演算數值分析，更有效率的讓所設計之超寬頻天線擁有更好

的效能，以獲得更精確的資訊。我們將以IE3D (MOM)和 HFSS (FEM)電磁模擬軟體來設 計超寬頻天線，以研探不同種同類的超寬頻天線的性能分析。在實際糧測方面:S 參數(S parameters) :網路分析儀(Network analyzer);天線阻抗與電壓駐波比(Antenna impedance and VSWR):由量測出的 S 參數計算出來;輻射場型(Radiation pattern):交大無反射實驗室 (NCTU anechoic chamber)。

在本計劃中所討論的 UWB 天線，期望可以具有實際應用價值，故在設計此 UWB 天

線時，將依據下列幾個出發點進行研究與改進：

1. 平面印刷式天線 (Printed Antenna)如圖 1-3 所示

2. 使 用 單 純 的 天 線 結 構 例 如 單 極 天 線 (Monopole Antenna),槽 孔 天 線 (slotline antenna) 3. 使用便宜且常見的板材例如 FR4 (ε =4.4) r UWB 天線被要求盡可能小外形尺寸，以達到整體無線系統小型化的目地，故今年的 目的需要把先前所做之UWB 天線有效的縮小且天線之效能如：全向性,頻寬 900Mhz~1200Mhz 亦與先前之天線相同。然而我們所採用是平面印刷式天線((Printed Antenna)如圖 1-3 所示，在實際應用上我們希望天線是平面式的天線，方便與後端模組做結 合亦可降低成本，另一方面來說天線的結構是屬於單極天線(monopole antenna)，以結構來 說也比較簡單，以利往後的設計。 圖1-1 圖1-2

圖1-3 平面印刷式天線 圖1-4 本計劃中RF 電路雨天線置於同一個平面，整體的架構圖如圖 1-4 所示，因此可能對天 線上的輻射電流產生一些擾動的效應，進而影響整個天線的輻射特性。接下來的工作我們 需要考慮RF 電路對天線特性的影響，包含天線之 S 參數、天線之輻射場型，進而找到最 好的擺放位置使天線可以達到最佳的輻射效率。 將RF 電路與天線進行實質上的整合，並量測整合之後收發端(transceiver)之特性其中

包含輻射場型的量測有效等向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power (EIRP))，就是把 有指向性的天線(圖 1-5 所示)與等向性增益為一(圖 1-6 所示)的天線做比較，可得所需的傳 輸功率大小。

MAC

To Baseband Module

2.4GHz

T/R

PA

LN

Freq. control

Synthesizer

Mixer

Mixer

DA

Power

detector

UWB RF

Antenna

圖1-5 圖1-6 由於電流的擾動會影響天線的輻射場型使收發訊號的品質降低，而把電路放在地的上 方將會產生難預期的效應，例如電源電路的輸入端、中頻信號端、基頻電路等，都有可能 因為電流經過或是雜訊由地耦合到天線，亦可能經由空氣中耦合到天線，使天線的場型產 生不可預期的效應，電流擾動的示意圖如圖七所示：其中白色虛線為中頻訊號的擾動；紅 色虛線為電源電路端的擾動。此外，UWB 天線與電路模組的整合方面，如圖 1-7 所示，我 們在電路模組上提供了兩個天線接孔，除了UWB 天線端預定銜接本計畫設計出之 UWB 天 線外，並另外設計外接天線端，可供使用者於訊號太弱時，選擇性外接天線，以增強訊號 強度，達到最好的傳輸效果。 圖1-7 1.2 UWB 射頻模組之開發與實作 依據上年度之計畫成果，去年完成了一個射頻前端模組，依據去年測試之結果今年我 們預計要做少許修正以減少偽頻訊號干擾。偽頻訊號(spurious signal)最易產生的元件是發射 路徑上的升頻混頻器，而且中頻訊號愈強則愈容易在升頻混頻器之射頻輸出端產生偽頻訊 號，所以在發射路徑要將進入混頻器之2.4GHz 的中頻訊號調的較低，如此才不易產生偽頻 訊號干擾，所以今年新的射頻前端模組在射頻發射路徑上增加了一個放大級，同時也增加 一級濾波器。因為射頻路徑上之增益增加，所以進入升頻混頻器之訊號可以大大降低，如 此可以使得偽頻訊號水準大幅降低。新規劃的射頻前端模組之系統方塊圖如圖1-8: UWB 天線端 外接天線端 UWB 天線

圖1-8 新規劃的射頻前端模組之系統架構方塊圖 就上圖中各個射頻電路元件所擬使用的型號與規格詳細描述於圖1-9，其單獨射頻 部份之測試亦在圖中標示出來，即為:圖右之紅色區塊是待測的射頻模組，圖左是測試 時所用得測試板。 圖1-9 射頻模組中擬定使用之各個元件規格與供應商，以及擬定之測試方塊圖。 除了改進去年射頻模組的部份，今年也要增加一項中頻之降頻的工作。亦即，在 接收時將2.4GHz 之中頻降到基頻供給基頻模組，在發射時將基頻模組之訊號升頻至中 頻之2.4GHz 給射頻模組。且基頻模組之基頻訊號包含有 I 與 Q 的訊號，此部份乃就市 面現成之無線網路收發模組中找尋適當的產品(積體電路)來製作我們的模組，如此可以 大大的降低成本。初步規劃的整體射頻加中頻模組顯示於圖1-10。 Card Bus 32 bits interface 802.11b/g 2.4~2.5GHz Transiver PA: RFIC109 RT2560F MAC & BB EEPROM AT93C66 Reg Synthesizer LMX2433 Power divider

F

3

CL=9dB Lo=13dBm HMC213MS8 Hittite I=0mA

F

2

BPF CL=3dB Freq: 0.9~1.2GHz Design I=0mA Ga=16 P1=31 AH215 Wj I=450mA Ga=15 P1=15 RF2044 RFMD I=65mA BPF Ga=20 P1=18 ERA-5SM Mini-Ckt I=65mA P1=34dBm Ga=12 P1=4 SGL-0163 Sirenza I=65mA BPF Gain-Block BPF Driver-Amp PA Up-Convertor Lo-Driver Power Divider Down-Convertor Lo-Driver BPF Lo Driver BPF LNA LNA T/R Switch

Antenna Diversity Switch Synthesizer BPF IF Input BPF IF Output 3.3-3.6GHz 2.4-2.5GHz 0.9-1.2GHz 0.9-1.2GHz 0.9-1.2GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz Main ant. Aux ant.

圖1-10 包含中頻模組之整體射頻模組之系統方塊圖。 圖1-10 中，紅色方塊內及為今年擬增加的中頻 2.4GHz 模組的部份，中頻模組部 份也有許多控制線須與基頻模組相連接受基頻模組的控制。總體而言射頻模組除了前 端與天線連以外，後端與基頻模組又許多連線與射頻模組相連，是一個相當複雜的系 統。 BPF Gain-Block BPF Driver-Amp PA Up-Convertor Lo-Driver Power Divider Down-Convertor Lo-Driver BPF Lo Driver BPF LNA LNA T/R Switch

Antenna Diversity Switch Synthesizer BPF IF Input BPF IF Output 3.3-3.6GHz 2.4-2.5GHz 0.9-1.2GHz 0.9-1.2GHz 0.9-1.2GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz 2.4-2.5GHz Balun PA + + - -+ -Serial Interface CLK LE DATA Fref Synthesizer + -LPF + -+ -LPF + -+- + -+ - + -LPF + -LPF + -LNA + + -- Balun + -+ -RX I/Q: TX I/Q: RSSI RF TX/RX AGC TX/RX AGC Base Band 90 0 90 0

1.3 UWB 基頻模組之開發與實作 1.3.1 UWB 基頻模組 由於 UWB 是一種借助雷達技術概念的超短電磁脈衝收發技術，目前較成熟的調製方 式爲脈時調製及直接序列相位編碼調變，將脈衝能量由專用寬帶天線擴展至GHz 量級的頻 寬寬內，短距離連接速率可高達數百 Mbps。因此本模組之研究方法為首先針對射頻之 900MHz-1200MHz 頻段進行分頻處理，將共約 300MHz 的頻帶分為多個頻道，其中每個頻 道約為20MHz-40MHz 寬，在每個頻道之內吾人所建議的方法為使用直接序列展頻（Direct

Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術，在 300MHz 內的不同頻道間則使用跳頻（Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)展頻技術，使用此方法的好處在於吾人可藉由調整處理增 益（processing gain)，在 32 kbps 至 1.544 Mbps 間彈性改變資料率。由於 UWB 系統頻寬非 常大，因此其工作頻段常會與現存窄頻系統的頻譜重疊，為了提高信號接收的可靠度，本 模組將特別著墨於抗干擾功能區塊的設計。

所謂的直接序列展頻是一種直接將資料藉由展頻碼與載波調變的展頻技術，這種調變 方式以二次調變造成非常寬的調變訊號，一般而言二次調變多採用數位相位調變（digital phase modulation），儘管如此類比振幅（analog amplitude）或類比相位（analog phase）的方 式理論上也是可行的。展頻訊號必須經過思考而挑選，挑選原則為使發射端欲送至的接收 器易於解調變，而不希望送到的接收器儘可能做到無法解調變，同樣的也必須思考該訊號 必須讓接收器能夠分辨收到的是真正所需的資料或是干擾訊號，如果展頻訊號的頻寬遠大 於資料的頻寬時，展頻的頻寬將決定於展頻訊號而與資料幾乎無關。事實上，當傳送資料

為0 時，會以數個展頻訊號（chip）的正交偽雜訊數碼（PN pseudo random code），而傳送

資料為 1 時，會以上述之碼的補數表示。當這些展頻訊號（chip）送至發射調變時，在接 收端會解開這些展頻訊號（chip）以還原回資料，而此過程即能有效地將干擾訊號濾除。 至於跳頻展頻則是是一種將資料與載波調變，藉由週期性的頻率改變造成的擴展頻譜 技術。一般而言，每一個載波頻率會被一組周期性的表（展頻碼）所決定，而該定義的頻 率改變會在近乎資料調變的頻寬的寬度留出間隔，使其有一定頻寬距離。在 FHSS 的展頻 方式下展頻碼並不會直接與載波調變，該展頻碼被用在控制載波變換的順序，資料調變至 載波後即成了發射的訊號，載波則會從一個頻率跳至下一個頻率。 基於直接序列展頻及跳頻展頻之特性，吾人所設計之 UWB 系統架構可有效抵抗其他 窄頻訊號的干擾、降低資料錯誤率，除此之外，由於採用展頻技術，接收機只有在已知發 送端展頻碼者才能解出發射資料，且系統的發射功率譜密度極低，用一般的接收機無法接 收，因此更具有保密的重要特性。而藉由 FHSS 展頻碼的適當配置，吾人之系統可提供多 用戶同時上線，大幅提高整體系統容量。 吾人所發展之基頻架構如圖1-11 所示，本年度將著重於整合前一年度所發展之功能方 塊的硬體架構，包括通道編碼/解碼、交錯器（interleaver）/解交錯器、訊號同步、碼追蹤、 頻率估計及通道估測等，搭配吾人所發展之展頻/跳頻機制，建構一完整之基頻收發機架 構，除此之外，亦將對此架構進行效能評估，藉以修正各功能方塊之訊號處理演算法則。 此基頻基頻架構將建立在吾人前一年度所採購之Lyrtech 通訊系統發展平台（如圖 1-12 所

示），其允許利用Simulink 進行做軟體架構的實現與驗證，並採用 Lyrtech VHS-ADC/DAC

及Lyrtech SignalMaster Quad 實現與整合各基頻功能方塊之硬體架構，同時具備了 GPIO 埠

及SMA 接頭，可作為基頻模組與射頻模組及 MAC 模組溝通之介面。

本計畫前一年度從媒介接取控制（MAC）架構、基頻架構及射頻架構等三個主要模組 切入，並著重各模組間之整合發展。如此高複雜度系統的建構，其成敗仰賴各模組間之介

面定義，再以此為基礎進行各模組間之細部整合；本年度另一向重要的工作為訂定各模組 間之溝通介面，包括： z MAC 模組-基頻模組溝通介面：主要針對訊號封包架構之設計，包括控制訊號之種類及 所傳送之資料量，期能有效整合基頻模組與 MAC 層模組之功能。本部分之溝通介面 預期可藉由GPIO 介面達到此目標。 z 基頻模組-射頻模組溝通介面：包括設計 A/D 及 D/A 控制訊號、設頻頻率控制訊號、工

率控制訊號等。其中A/D 及 D/A 訊號有 SMA 接頭可提供 I 訊號及 Q 訊號的傳輸，而

其他的控制訊號則可利用 GPIO 介面來做資料傳輸。由於本系統支援跳頻功能，因此 射頻控制訊號通道必須高速且可靠，才能使系統穩定且精確地運作於各頻率之間，預 計這將是本部分主要的挑戰。 (a) 傳送端 (b) 接收端 圖1-11 基頻架構方塊圖：(a)傳送端，(b)接收端。

圖1-12 Lyrtech 通訊系統發展平台 1.3.2 SDR 模組

軟體無線電（Software Defined Radio, SDR）是一種通訊裝置，其實體層至更高階通訊 協定層的功能主要是由軟體定義，因此可提供更具彈性之系統架構。SDR 支援多頻寬多模 式的無線電和無線程式設計，減輕了部署新通訊標準時產生的問題。只要在處理硬體時變 更裝置的軟體程式碼，SDR 便會彈性地變更無線電之系統功能。藉由軟體無線電的實現， 吾人可直接透過下載程式碼之方式來改變系統參數，進而改變系統之運作架構，而無須對 硬體組態進行任何改變。 圖1-13 為本子計畫欲建立之 SDR 參數，主要分為兩部份： 1. MAC 模組-基頻模組可重置性參數：本系統之 MAC 模組與基頻模組間的溝通除了傳統 控制訊號外，必須額外增加處理增益、適應性跳頻碼配置及編碼率之控制訊號，以滿 足雙模系統運作之需求。 2. 基頻模組-射頻模組可重置性參數：於本系統中所使用之基頻頻寬可彈性地調整，因此 收發機A/D 及 D/A 的取樣速率也必須能彈性地做修正；此外，取樣位元數、RF 中心 頻率及RF 發射功率等參數亦可藉由控制訊號調整。 MAC MAC Baseband Baseband RF RF Tx Rx Application Application ▪Processing gain ▪Adaptive frequency hopping selection ▪Code rate ▪Frequency synthesizer Control ▪Channel bandwidth ▪Level control ▪Processing gain ▪Adaptive frequency hopping selection ▪Code rate ▪Frequency synthesizer Control ▪Channel bandwidth ▪Level control 圖1-13 SDR 控制介面

實現軟體無線電系統的最佳架構為可程式之軟硬體平台，意即可由使用者自行決定系 統軟硬體模組及繞線規劃的平台；透過運作軟體的置換，使用者能切換至各種不同規格之 系統，輕易實現通訊系統多模式、多功能之需求。至於硬體實現架構往往是以運用需求為 導向，因此本模組將利用MATLAB、DSP 與 FPGA，模擬及實作數位化後之基頻訊號處理， 其中軟體無線電各功能區塊包括類比數位轉換技術、數位通道濾波器、動態取樣頻率轉換 以及基頻通訊信號處理等。上述之發展平台將由吾人所採購之SDR 模擬系統實現。 本模組於下一工作年度主要著重於整合各模組間之研究成果，期能完成建構具使用彈 性之展頻/跳頻雙模 UWB Ad-Hoc SDR 平台。除此之外，所發展之 SDR 平台亦將於實際環 境中進行測試（包括模組功能測試、模組間之相容性測試及全系統效能測試），並探討各種 實際傳輸條件對系統表現之影響，期能對所發展之系統做一全面性整合評估，進而使系統 設計能滿足實際環境及達到系統最佳化之目的。 1.3.3 MAC 模組之開發與實作 媒體存取控制(MAC)位於實體層之上，負責控制資料的傳輸，讓上層協定的資料可以 正確無誤地經由傳輸媒體(即 UWB Tx/Tx 實體層)傳遞與接收。因此，媒體存取控制主要 的工作是負責訊框的封裝以及與上層網路之間的互動。媒體存取控制的功能有：1.對被共 用媒體的存取控制，2.以媒體存取層級的訊框交換協定來確保資料能可靠地傳遞。

本計畫將以分散式協調功能 (Distributed Coordination Function, DCF)為基礎來設計及

實現MAC 模組。採用類似 Ethernet 的載波偵測多重存取/碰撞避免(Carrier-Sense Multiple

Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)技術，來提供工作站傳送非同步訊框。分散式 協調功能在傳輸時，工作站必須在發射訊號前偵測傳輸媒介連續空閒一段時間後才能開始 發射訊號，這一段空閒的時間稱為訊框間隔(Inter Frame Space, IFS)。例如 802.11 系統會用

到四種不同的訊框間隔，分別為SIFS (Short IFS)、PIFS (PCF IFS)、DIFS (DCF IFS)、與

EIFS (Extended IFS)，訊框間隔時間長度 SIFS < PIFS < DIFS < EIFS，優先權等級越高的訊 框其訊框間隔時間越短。一旦有工作站使用較短的訊框間隔取得傳輸媒體後，其他工作站 便不能發射訊號。工作站要傳送訊框時必須先偵測是否有其他工作站正在傳送訊框，即偵 測傳輸媒體是否忙碌， 一旦得知媒體呈現空閒，此時仍不能立即傳送訊框，要依訊框的 優先權等級等待一段適當的訊框間隔時間後，如果傳輸媒體仍保持空閒才能將訊框送出 去。但是依此方式，相同優先權等級的訊框在傳送時仍有可能無可避免地同時傳送而造成 碰撞。為了避免碰撞便須以競爭視窗(Contention Window, CW)，即隨機延遲一段時間傳送 的機制來避免碰撞。例如，一工作站要傳送一般訊框時，先等待一個IFS 之後，如果媒體 呈現空閒，便會進入競爭視窗。此分散式協調的處理程序如圖 1-14 所示。每個工作站都 會產生一個隨機延遲時間，稱為後退時間(backoff time)，工作站在等待其後退時間之後， 若媒體呈現空閒方可傳送訊框。工作站進入競爭視窗後，以後退時間遞減方式完成等待程 序，工作站必須等到其後退時間減為零時才能傳送訊框。在遞減的過程中若有其他工作站 傳送訊框就表示競爭視窗結束，必須暫停遞減，等到下次再進入競爭視窗時才能繼續遞減 的工作。後退程序(backoff procedure)的執行如圖 1-15 所示。

Busy Medium

IFS

Backoff Window

Contention Window

Next Frame

slot time Defer Acess 圖1-14 分散式協調的處理程序 Frame IFS Contention Window Defer Frame Defer Frame Backoff Backoff IFS Defer Backoff Contention Window Frame IFS Contention Window A B C D : Backoff : Remaining Backoff 圖1-15 後退程序(backoff procedure)的執行範例 為了確保資料傳輸的可靠性，我們將使用訊框分割(fragmentation)、訊框檢查序列 (Frame Check Sequence, FCS)及回應 (acknowledgement, ACK)等機制來確保資料可以正無

誤地傳送到目的端。訊框分割是將 LLC 子層送交媒體存取層處理的媒體存取層資料區塊

(MAC Service Data Unit, MSDU)分割成較小的媒體存取控制協定資料區塊(MAC Protocol Data Unit, MPDU)，此分割動作在資料來源端工作站進行。目的端工作站則進行資料重組

的動作，將多個分割的MPDU 還原為原本的 MSDU。因為長訊框在傳輸時可靠度較低，

故當媒體存取控制層收到的MSDU 長度超過一個 MPDU 可容納的容量時，就會分成多個

MPDU 傳輸。每個傳送的 MPDU 中都將加入 FCS，接收工作站在確認收到的 MPDU 中的 位址及 FCS 是正確後， 必須給來源工作站一個 ACK 訊框。如果來源工作站在回應時間

終了仍未收到ACK 訊框，造成無法判斷目的工站是否正確收到訊框，則來源工作站必須

重送訊框。

由於無線電波的傳遞會因距離而衰減，因此在無線環境下傳輸資料會遇到隱藏節點問 題 (hidden node problem)。如圖 1-16 所示，A、B 與 C 共三個節點，各自有其有效通訊範

訊。此時，節點A 對於節點 C，或是節點 C 對於節點 A 而言，便是對方的隱藏節點 (hidden node)。隱藏節點會造成傳輸的碰撞而造成資料傳輸的錯誤，此問題就稱為隱藏點問題。 例如， A 與 C 都要傳送資料給工作站 B 時，在 A 的範圍內沒有偵測到有其他的傳輸，所

以就開始傳送封包給B，在 C 的範圍內也沒有偵測到有其他的傳輸，所以也就開始傳送封

包給B，這兩個封包在節點 B 便發生了碰撞(collision)。隱藏節點問題可使用 RTS (Request

To Send)/CTS (Clear To Send)機制來克服，透過 RTS/CTS 短訊框通知鄰近地區所有工作站 即將進行訊框交換，可將隱藏點的干擾降到最低。RTS/CTS 機制的動作流程則如圖 1-17 所示。

圖1-16 隱藏節點問題(hidden node problem)

圖1-17 RTS/CTS 機制的動作流程 本計畫之媒體存取控制模組(MAC module)的開發與實現，主要功能是負責控制資料的 傳輸，讓上層協定的資料可以正確無誤地經由傳輸媒體(即 UWB Tx/Rx 實體層)傳遞與接 收。當有資料要傳送時，MAC module 會偵測目地端媒體是否使用，如果是空閒則可以傳 送訊框，否則會繼續等待至媒體空閒再傳送訊框。傳送訊框後要等到收到目的端的回應訊 框才算傳送完畢。如果超過時間還尚未收到回應訊框就會判定傳送失敗，MAC module 將 重新傳送訊框。接收端則一開始先判斷目的位址是否為自己的位址。如果不是，則將訊框 丟棄，否則便接收訊框並且計算訊框檢查序列，如果計算的結果與訊框內的框檢查序列相 符，則表示訊框沒有錯誤，可以接收並送出回應訊框，再將接收的資料傳送至上層。初步 規劃之MAC module 的傳送與接收的程序分別如圖 1-18 與圖 1-19 所示。本計畫將以

ARM/FPGA 發展板來具體實現此媒體存取控制模組，並驗證與測試其功能。MAC 模組與 上層之介面為PCMCIA 介紹，與下層之實體層介面則為 GPIO。MAC 模組的各別功能驗 證與測試包括有：CSMA/CA 機制、後退程序、CRC 之產生與驗證、RTS/CTS 機制、重傳 機制…等等。最後將與整個系統做整合測試。 Yes No Yes No 圖1-18 MAC 模組之傳送程序 Yes No Yes No 圖1-19 MAC 模組之接收程序

1.4 UWB 混合式多重擇路協定與 Ad hoc 多重跳躍式實驗平台之開發與效能實測

本計畫將著重於以ARM-Based 的實驗平台實現所發展適用於軍事領域之 Multicast 行動

Ad-Hoc 通信網路擇路協定－混合式多重擇路協定（Hybrid Multicast Routing Protocol），並 於可能形成之部隊群組移動模型下，詳細研究評估擇路協定的效能、可行性及可靠度。據 我們所知，目前並無以群組移動模式作為設計考量的多重擇路演算法。因此針對群組移動 模式我們建立了一套適用的演算法，該演算法的主要精神是在每個子群組內採用樹狀結構 來建立路徑，如此將可降低控制封包數量。此外由於子群組內節點移動的範圍較小，所以 連結的維持較為容易，亦剛好弭補樹狀結構缺點之隱憂；至於子群組間的聯繫，我們採用 網狀結構來建構連結，以提供子群組間的路徑連結具備更佳的抗干擾能力。由於同時存在 於同一個網路環境中的子群組數量並不會太多，因此網狀結構所帶來的頻寬使用不當之效 應亦被降到最低。如果子群組內及子群組間皆採用樹狀結構，如圖1-20 所示，則每一個節 點都僅有一父節點存在。倘若某一連結發生斷裂，其將造成與斷裂路徑以下的所有節點失 去連結。例如，路徑A 的斷裂將造成子群組 1 和子群組 2 間的連結消失；同樣地，路徑 B 的斷裂會造成子群組1 和子群組 3 之間完全無法傳送資料。然而，如果採用我們所提出的 演算法，子群組間利用網狀結構來加強連結，如圖1-21 所示，則在相同的情況下，即使路 徑A 和路徑 B 皆斷裂，亦能保持三個子群組間之聯繫。這是由於網狀結構提供了不只一條 的連結路徑，，無形中加強了子群組間的結構性。 圖1-20 所有節點間皆採用樹狀結構連結 圖1-21 子群組間採用網狀結構連接

在群組移動模式中提出的混合式擇路協定將考量行動節點動態移動所造成的群組合併 （Merge）與分裂（Split）。根據環境參數與距離訊息動態在此兩種結構間做調整，以有效 降低控制封包數量，並進而增加資料傳遞的效率。每個節點隸屬於哪個子群組的判斷方式 是利用中心節點的觀念。只要某一節點距離中心節點在預設的跳躍數（Hop Count）內，且 與上一個跳躍點之距離在一定的範圍內，則此節點將成為這個中心節點所在的子群組成 員。利用在 HELLO 訊息內所含的資訊，可決定節點是否需要加入或離開其所屬子群組。 至於子群組間的合併與分裂運作並不需要額外特別的機制，而是單純利用節點是否加入或 離開子群組而運作。當二個子群組接近時，子群組內較接近另一子群組的節點將因為達到 轉換子群組的條件而轉換成為另一個子群組之成員。隨著二個子群組間更加接近，某一個 子群組的所有節點將會加入另一個子群組而完成合併之運作。當子群組內的一群節點同時 往某個方向離開子群組時，首先遠離子群組的節點會隨著距離的增遠而無法達到成為該子 群組成員之條件，進而運行離開子群組的動作，並自我形成一個新子群組的中心節點。隨 後遠離隸屬子群組之節點將根據條件判斷是否加入新形成之子群組，亦或自己成為另一個 新子群組的中心節點，如此持續進行分裂的動作。特別要注意的是，利用上面方法所產生 的中心節點與其他中心節點產生演算法不同之處在於中心節點不是固定的節點，而是根據 當時各節點的分佈情況跟移動方式自然會有一些節點擔任中心節點的工作。此外中心節點 也不需額外提供維持子群組的機制。 在路徑選擇的機制上，大部分多重擇路協定採用跳躍點數量來當做考量選擇的依據。 本計畫模組中提出的混合式多重擇路協定除了考量跳躍點數量外，亦採用接收訊號的強 度。接收訊號強度相較於傳統跳躍點數量考量而言，提供多重擇路協定一個更具消息量的 指標。利用上面所述之觀念，採用樹狀結構網路跟網狀網路結構的結合，構成一個特殊的 網路結構概念。 整體而言，本計畫將深入探討適合於行動Ad-Hoc 通信網路技術的架構及效能，並藉由 擇路協定設計、各層模式的建構、行動性模型系統等關鍵功能模組的細校，獲致一個能符 合實際需求的UWB Ad-Hoc 無線通信網路實驗平台系統。計畫之研究工作步驟略述如下： Step1：細校所發展的混合式多重(Multicast) Ad-Hoc 擇路協定

混合式Multicast 擇路協定乃針對群組移動模式(Group Mobility Model)作為設計考量

的擇路演算法。此演算法的主要精神是在每個子群組之內使用樹狀結構（Tree)來建立路 徑，如此可以降低控制封包數量。而且位於相同子群組之節點，因彼此間移動的距離範 圍較小，所以連結的維持較容易，無形中亦弭補了樹狀結構缺點之隱憂。至於子群組間 的聯繫，網狀結構（Mesh)是我們所採取之建構架構。網狀結構將可提供子群組間的路徑 連結性具備更多的抗干擾能力，由於存在於一個網路環境中的子群組數量不會太多，因 此亦能把網狀結構所衍生的頻寬使用不當效應問題降到最低。

在本計畫中，我們將用網路架構模擬器（The Network Simulator, ns-2）來實施模擬，

以實行所發展的混合式 Multicast 擇路協定演算法。ns-2 是一種離散式事件的模擬器，用

以提供有線及無線網路中擇路、TCP、以及多重播送（Multicast）協定等各種網路架構、

型態和活動的模擬。此外將利用ns-2 的 Network Animator (nam)程式，來顯現出網路模擬

的結果與紀錄。模擬系統中將建立不同行動節點的網路模型，這些節點隨機散佈於特定

區域內。此外，在模擬系統中利用下列模擬參數用以細校所發展的混合式 Multicast 擇路

協定：

1. 各節點的廣播範圍(Radio Propagation Range)。 2. 通道傳輸容量(Channel Capacity)。

3. 網路區域分割(Network Partitions)。

4. 各節點之鄰近節點的平均數目：即各節點直接傳遞範圍(Beacon Range)內的平均節 點數目。

Step2：建構點對多點(multicast)之多重跳躍式實驗平台與效能場測 有鑑於本研究能夠有效實際驗證 Ad-Hoc 擇路協定之功能與效能，將整合 WLAN IEEE 802.11b 通訊實體技術作為 Ad-Hoc 通訊雛形設備，並進行共 6~9 個節點，於實地環 境之點對多點之多重播送(multicast)無線通信連接測試。如圖 1-22 所示，呈現本研究 Ad-Hoc 雛形設備之系統方塊圖規劃。

圖1-22 本研究多重跳躍式實驗平台之系統方塊圖 在通訊效能之量測與評估方面，Ad-Hoc 多重跳接傳輸之通訊效能評估主要以傳輸層 （Transport Layer）之資料傳輸速率（Data Throughput）為主，另外為了評估 Ad-Hoc 擇 路演算法之效能，可根據傳輸路徑搜尋時間與修復所需的時間（Recovery Time），以及平 均之路徑存活時間（Averaged Path Lifetime）作為參考依據。茲將本研究預定之效能評估 項目列示於下表： 表1-1 Ad-Hoc 通訊系統與擇路演算法之實地效能評估項目 效能評估項目 說 明 TCP 傳輸效能 透過量測軟體進行傳輸端點間之資料傳輸速率效能量測，傳輸時使用TCP 協 定，以驗證ad-hoc 通訊系統在連接導向傳輸模式之效能。 UDP 傳輸效能 透過量測軟體進行傳輸端點間之資料傳輸速率效能量測，傳輸時使用UDP 協 定，以驗證ad-hoc 通訊系統在非連接導向傳輸模式之效能。 傳輸路徑搜尋與修 復時間 於量測實驗中控制傳輸路徑發生斷線，以觸發擇路演算法之路徑修復功能， 並計算新路徑搜尋與修復所需之時間。 路徑存活時間 統計平均之路徑存活時間，以驗證ad-hoc 通訊系統之穩定性。 為了驗證本研究Ad-hoc 無線通信網路擇路演算法在現實傳播環境應用之效能，本研 究將根據不同的實測環境，以及不同的實驗項目，進行完整且具系統性的效能量測與分 析。本年度主要以點對多點之多重播送(multicast)連線效能之功能驗證與效能量測為主， 研究使用以TCP/IP 協定為基礎之量測軟體，紀錄傳播實驗進行時，各項效能量測數據， 以便進行後續的效能分析工作。 預計點對多點之效能量測網路規模將小於10 個節點，相當於國軍目前一個『班』之

編制。根據網路中節點的移動特性，可分為下面三種量測情境。 1. 固定節點間之量測：網路中所有節點為固定，網路拓樸將以網狀網路（Mesh Network）為主，進行點對點與單點對多點之效能量測。 2. 移動節點與固定節點間之量測：網路中資料發送端為固定，資料接收端控制為移 動狀態；移動速度以一般人員走動之速率為基礎。網路拓樸將以網狀網路（Mesh Network）為主，進行點對點與單點對多點之效能量測。 3. 移動節點間之量測：網路中所有節點皆為移動狀態，移動速度以一般人員走動之 速率為基礎，節點移動模式可採用隨意運動方式，或是模擬班兵於戰場上可能的 移動模式等方式進行；參考點群體移動模式(Reference Point Group Mobility Model, RPGMM)為一般文獻上所公認之班兵群體移動模式之一，在此種移動模式之下， 隸屬於某一群體的節點將根據事先訂定之參考點為中心，如地理上的位置、邏輯 位置或相對方向、或是特定移動參考點(commander node)，再不過度遠離該參考 點的前提下，進行隨意移動。本計畫之實地測試亦將參考此種移動模式。 上面幾種測試將以資料傳輸速率之效能量測為基礎，並根據量測過程中所記錄之量 測資料，於後續資料分析與處理中歸納取得平均路徑存活時間與平均路徑修復時間等效 能量測結果。 由於接收信號電功率小大與無線電多路徑傳播現象均會直接影響，無線通訊系統的 效能如封包傳輸延遲（Packet Delay）及資料傳輸速率（Data Throughput），而這些現象又 與傳播環境、距離及人員移動速度有關，於是在進行實測情境規劃時，應仔細分類量測 情境，期能包含系統運作時的各種實際狀況。規劃進行之 MANET 效能量測環境與情境 主要分為下面二項： 1. 室內傳播環境：網路節點為網狀排列，其中傳輸資料發送端(Tx)分別透過 1-hop、 2-hop、3-hop 路徑傳送至多個(約 5 個節點)資料接收端(Rx)，量測情境包括上述 固定節點間之量測(所有節點均固定)與移動節點與固定節點間之量測(Tx 保持固 定，中介節點或Rx 移動)。除了量測資料傳輸速率，並測試 ad-hoc 擇路協定之 路徑修復(path recovery)功能，觀察中介節點移除時，端點間傳輸效能之影響以 及擇路協定進行路徑修復的能力；針對單點對多點之多重播送效能量測中，量 測每個接收端之平均資料傳輸速率，以及多個接收端之資料傳輸速率總和，以 評估多重播送模式之通訊效能。如下圖所示，於量測實驗中進行Ad-Hoc 多重播 送實驗，根據多個資料接收端之總和（如下圖之Rx1、Rx2、Rx3），作為Ad-Hoc 多重播送模式以及擇路演算法之效能評估基礎。

資料發送端 (Tx) 資料接收端 (Rx1) 多重播送路徑 (Rx2) (Rx3) 圖1-23 多重跳躍式實驗平台之室內點對多點效能測試情境 2. 室外傳播環境：網路節點為網狀排列，其中傳輸資料發送端(Tx)分別透過 1-hop、 2-hop、3-hop 路徑傳送至多個資料接收端(Rx)。量測情境包括移動節點與固定節 點間之量測(Tx 保持固定，中介節點或 Rx 移動)或移動節點間之量測(所有節點 均移動)，其中移動節點之移動模式將參考學理上之 RPGMM 群體移動模式進 行，用以模擬班編制之數位戰士間進行資料通訊；如下圖所示，所有節點在每 單位時間內使用大致相同的速率移動，(如 Tx 將視為 PRGMM 中群體移動之參 考點(commander node)，其他移動節點將參考 Tx 所在位置與移動方向，決定下 個單位時間所要到達的地理位置，該而該位置之選定採不離開以Tx 為圓心、半 徑為特定長度(如 100m)之圓形區域內。 Commander node (Tx) Other node (Rx) 圖1-24 採用 RPGMM 群體移動模式之數位戰士班兵移動行為案例 為考慮在不同量測環境下的效能表現。本年度所考慮之室外量測環境主要包括： ¾ 位於空曠地之視線內傳播(Line-of-sight, LOS) ¾ 位於樹林、草地、土坡具輕度遮蔽之傳播環境，遮蔽體包括固定之樹木、 行動之路人、車輛等

2. UWB 天線設計與量測

2.1 前言

超寬頻(Ultra-wideband)系統是一種短距離傳輸並兼具極高速和低耗能的技術。UWB 俱

備高資料傳輸速率，低傳輸功率，在2 公尺傳輸範圍內，其傳輸速率大於 480Mbps，在半

徑10 公尺，傳輸速率也有 100Mbps；如圖 2-1 所示，縱軸代表距離(Rang)，橫軸代表最大

資料流量(Peak data rate)超寬頻與現有的無線技術不同，這是一向不需要使用載波(carrier)， 而是發射脈衝電波(impluse)來傳輸數據的技術[0]。因此需要很大的發射頻寬，並可降低使 用功率達到低耗電量的要求。UWB 運用於通信系統上可建構個人通信網路。成員間可彼此 分享資料，達到在戰場上協同作戰的能力。在平時除可用以連接無線設備外，也可利用其 高頻寬（2 公尺內可達 480Mbps）之特性用以建構無線之多媒體傳輸系統，以多媒體的方 式遂行教育訓練等任務。 超寬頻天線有許多用途，當提供足夠能量給脈衝雷達系統時，超寬頻天線可以偵測辨 識目標。在雷達截面掃描的領域裡，單一的超寬頻天線可以取代很多的窄頻天線，並且可 以覆蓋到所有我們想掃描的頻段，由於單一的超寬頻天線可以節省許多的空間與體積並提 供許多的通訊頻道，因此再衛星通訊上也十分的實用。但是我們並不想為了寬頻的效能犧 牲掉其他一些天線的特性，例如增益（gain）和指向性（directivity）。 然而超寬頻天線也有許多其他的應用，例如在寬頻和展頻的技術上，在雷達上可以運 用很短的脈衝來辨識目標[1]，此外在電磁量測以及瞬時的電磁現象上亦有許多應用。在實 際的應用上，超寬頻的實現是利用激發的脈衝或瞬間打出的訊號來達成。訊號波形改變的 發生原因決定在於輻射或接收天線種類的不同，這些天線包括簡單的monopole 和 dipole 天

線或是更複雜的天線，例如 reflectors 天線、shields 天線以及 bow-tie 天線、horn 天線和

microstrip patch 結構的天線等等。在超寬頻天線研究上，將時域（time domain）技術和頻 域（frequency domain）技術相比，利用時域（time domain）的技術是比較適當的。由於電 腦硬體和軟體的進步，數值技術已經被用來解決許多在時域的電磁天線研究議題，例如 FDTD 便是以時域為架構的數值模擬。

傳 統 的 寬 頻 天 線 中 有 行 進 波 天 線( Traveling-Wave Wire Antenna), 偶 極 圓 錐 天 線 ( Biconical Antenna),單極圓錐天線( Monoconical Antenna),盤錐形天線( Discone Antenna),袖 型天線( Sleeve Antenna),螺旋天線( Spiral Antenna)和對數週期天線( Log-Periodic Antenna), 不過其中適用於超寬頻系統的只有偶極圓錐形天線、單極圓錐形天線和盤錐形天線。因其 不僅有很大的輸入阻抗頻寬( Large input impedance bandwidth)、其輻射場型 ( Radiation pattern)也能控制在一定的頻寬中。但是以上的天線皆是 3D 立體結構，並非 2D 平面結構， 所以在應用上將有所限制而製造成本與製造難易度也將會提高。所以這次的計畫將致力於 研究2D 平面式寬頻天線，並設法將體積縮小化以利於行動通訊應用。 依據需求單位的需求，研製研擬中的超寬頻(UWB)射頻前端收發模組。其中收發模組 中之各個元件如低雜訊放大器、功率放大器、升降頻混頻器、各類濾波器、壓控震盪器、 與頻率合成器等，都已於前一年順利完成。今年將這些電路元件加以整合完成模組，並與 其他分項完成介面定義。

圖2-1 2.2 研究方法

一般常見的寬頻天線有螺旋天線 (Spiral antenna)如圖 2-2、雙錐形天線 (Biconical antenna)如圖 2-3 、對數週期天線 (Log-periodic antenna)如圖 2-4、盤錐形天線( Discone Antenna)如圖 2-5 等，這類型的天線為滿足寬頻的使用，在天線的外形上常需有較特殊的設 計，如漸細的設計(taper)，一般常見使用在 UWB 的韋瓦第天線(Vivaldi antenna)亦是如此， 故對於天線的選取及設計方面將有這些考量。

本次計畫天線主要的設計規格(Spec.)如下:

1. UWB 天線需具備良好的饋入匹配(Return Loss <-10dB)在 900MHz~1200MHz 頻段之 間。

2. UWB 天線需具備全方向性場型(Omnidirectional pattern) 在 900MHz~1200MHz 頻段 之間

3. UWB 天線傳輸相位被要求線性在 900MHz~1200MHz 頻段之間。

4. UWB 天線被要求盡可能小外形尺寸，以達到整體無線系統小型化的目的。

我們會針對一些不同種類的天線做研究，例如slotline 天線可以用來傳遞寬頻的電磁

波；slotline 亦可以應用在韋瓦第天線(Vivaldi antenna)。韋瓦第天線(Vivaldi antenna)是在

微波基版兩面做喇叭狀刻蝕，兩個錐狀的金屬依附在銅板的兩側，由coax-to-slotline (C/S) 的傳遞訊號以達到寬頻。韋瓦第天線有一些特性，如逐漸彎曲的曲線[5, 6]、以及在不同 的頻率由天線不同的部分輻射[5, 7]。事實上操作的頻寬受限於由傳輸線輸入天線上的狹 縫，以及受限於天線的終端尺寸大小。 然而，在韋瓦第天線設計上，有兩樣設計重點： （1）在主要的傳輸線（通常是以微帶線）將訊號輸入狹縫時，需要在很大的操作頻 寬裡有很低的反射係數來匹配天線。

（2）為了在很大的操作頻寬內達到需求的波束寬（beamwidth）side lobes 和 back lobes， 天線的尺寸和形狀的決定亦為非常重要。

由於電腦硬體和軟體的進步，數值技術已經被用來解決許多在時域的電磁天線研究議 題，故本計畫會用電腦來演算數值分析，更有效率的讓所設計之超寬頻天線擁有更好的效

能，以獲得更精確的資訊。我們將以IE3D (MOM)和 HFSS (FEM)電磁模擬軟體來設計超寬

頻天線，以研探不同種同類的超寬頻天線的性能分析。在實際糧測方面:S 參數(S parameters) : 網路分析儀(Network analyzer);天線阻抗與電壓駐波比(Antenna impedance and VSWR):由量

測出的 S 參數計算出來;輻射場型(Radiation pattern):交大無反射實驗室(NCTU anechoic

chamber)

在本文中所討論的UWB 天線，期望可以具有實際應用價值，故在設計此 UWB 天線時，

將依據下列幾個出發點進行研究與改進: 1.平面印刷式天線 (Printed Antenna)

2.使用單純的天線結構例如單極天線 (Monopole Antenna),槽孔天線(slotline antenna) 3.以下為常見的寬頻天線之架構如下所示：

圖2-2 圖 2-3

2.3 天線設計

由於此次計畫所要求之規格為操作於UHF 頻段，操作頻寬在 VSWR: 2:1 的範圍內且

頻寬為 900MHz-1200MHz 以滿足 UWB 之需求，並且要求此 UWB 天線模組具有全向性

(omni-directional)的輻射場型。由於要求 omni–directional 的輻射場型，故設計理念由最原 始的雙極天線（dipole antenna）出發。但由於 dipole antenna 並不寬頻，所以設計方向便

以dipole 作為變形的寬頻天線例如平面式單極天線（planar monopole antenna）。此計畫天

線製作在厚度為0.8mm 的 FR4 基版上，尺寸為 10cm X 5cm，我們可以藉由調整 Ground 的形狀來調整共振頻率與頻寬來達到我們的要求，天線之形狀與尺寸如圖2-6 所示。 圖2-6 a ： 適度的調整 a 之長度,可以改善 S 參數（S-PARAMETER）,,如果 S11參數沒有在 < -10 db ,則匹配不好,則能量無法潰入,會影響天線的效能。 b ： b 的長度決定了低頻的頻率,如果 b 的長度加大則低頻率就會往下降,反之縮短 b 之長 度, 則低頻會往上升。 g ： 調整 g 之寬度,可以使匹配變好（input impedance）,更接近 50 歐姆 其原理概念主要是增加一個電容效應,使其與電感效應相消(依據 SMITH CHART) 其歸一（NORMALIZE）組抗點會更靠近原點（如圖 2-7） 圖2-7

50mm

200mm

_Additional

38.55mm

y

x

Practical antenna

50mm

200mm

_Additional

38.55mm

y

x

y

x

Practical antenna

a a b g g

2.4 模擬與量測結果 量測所得的 S11 參數 比模擬的參數還要來的好,代表能量大部分都潰入天線,反射波很 小,如圖 2-8 所示： 圖2-8 模擬場型（E-plane）

0.4 0. 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1. 1.3 1.4 Frequency (GHz) -25 -20 -15 -10 -5 0

DB(|S[1,1]| Measured result DB(|S[1,1]| Simulated result 900MHz 1000MHz X Z X Z Z

模擬場型（H-plane）

1100MHz 1200MHz X Z X Z Z 1000MHz 900MHz X Z X Z Z 1100MHz 1200MHz X Z X Z Z

實際量測與模擬之比較（From NCTU anechoic chamber）(E-plane)

x

y

x

y

x

y

(H-plane) -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

900MHz

1100MHz

1200MHz

1000MHz

x

y

x

y

x

y

2.5 結論以及未來展望 對於此無線通訊計畫,天線模組已發展十分完整,經過多次的模擬以及精確量測過後得 知,增益(GAIN)在 900-1200 MHz 很理想.,對於天線方面,雖然在效能方面都已達到工研院的 需求,但我們並不引以為傲,對於此天線, 我們希望能夠在縮小尺寸,縮小面積,這樣不論理論 或實用方面,都能得到很大的突破,這也是未來我們所希望達成的目標。 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 -40 -30 -20 -10 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

900MHz

1100MHz

1200MHz

1000MHz

3. 超寬頻射頻傳收機模組

本計劃中將介紹超寬頻的射頻傳收機模組，以完成 UWB 之通訊機。其中包括下列

各個微波關鍵性電路，包含：UWB 射頻濾波器、UWB 功率放大器、UWB 低雜訊放大器、

頻率合成器、寬頻升降頻混頻器、寬頻微波開關、及微波功率偵測器等。首先，我們將 介紹一般的無線通訊系統，並對傳送路徑與接收路徑分開討論。最後，再實作所有主要 的電路元件實作並整合成電路模組。 3.1 前言 軍用無線通信系統有別於商用無線通信系統，在使用情景上需具靈活性、機動性與強韌 性。當頻率在500MHz以上而且relative bandwidth 超過25%以上，則整個系統可以稱作超寬 頻頻寬。這種高寬頻接收模組在最初是設計給軍隊上的使用，本計劃之通訊頻帶設定在 0.9~1.2GHz，頻寬約為29%。 3.2 研究方法 3.2.1 UWB RF 收發機 圖一為射頻收發模組系統之基本架構圖，圖中利用3-1個3.3GHz到3.6GHz的寬頻頻率合 成器產生本地震盪訊號，經由功率分配器等分送入二個寬頻的升頻/降頻混頻器，當作是接 收路徑和傳送路徑的本地震盪器來源。在接收的部分，將接收的900MHz到1200MHz訊號升 頻到2.4GHz，再送入2.4GHz之接收/發射晶片中。在發射的部分則將2.4GHz之接收/發射晶 片送出的2.4GHz訊號降頻到900MHz到1200MHz再送入有功率控制的功率放大器放大以後 發射出去。經過實測傳送調變訊號的package loss 小於3%。另外計劃當中也完成了頻率合 成器的跳頻轉換時間的量測，量測的結果在兩個最遠的頻段上頻率合成器跳頻所需要的暫 態時間約為250us。 圖3-1 UWB RF 收發機系統架構圖

3.2.2 RF 收發模組 圖 3-2 是整個模組的架構和所使用的關鍵零組件。這一個系統是使用半雙通的形式做 成，能夠讓電腦控制何時使用發送或是接收端。在發送的路徑上，我們需要接上一個自己 設計的帶通濾波器在混頻器之後，用作消除由混頻器所產生的鏡像訊號。之後便接上放大 器和功率放大器將訊號放大到30dBm。在接收路徑上，訊號從天線收下來需要先經過一個 帶通濾波器來選擇目標的頻帶。另外在本地震盪器的路徑上，為了要增加VCO 的穩定度， 必須要加上一個頻率合成器的電路。最後為了要控制整個電路，必須要安裝跳針的腳位連 接到 GPIO，可以由電腦來控制交換器(SWITCH)來選擇是接收端路徑運作還是發送端的路 徑運作。表3-1 為射頻模組的 LMX2433 的控制訊號腳位定義。 圖3-2 RF 收發機系統使用的關鍵零組件 表3-1 LMX2433 控制訊號腳位定義

CLK I/P 3-wire interface serial bus clock for LMX2433 DATA I/P 3-wire interface serial bus Data for LMX2433

LE I/P 3-wire interface serial bus LE for LMX2433 Lock indicator O/P 3.3~3.6GHz local oscilator lock indicator.

收發模組實體電路 RF 收 發 模 組 實 體 電 路 詳 見 圖 3-3 。 圖 3-3 中 實 體 電 路 尺 寸 240mm × 54mm ， 射 頻 (0.9~1.2GHz)比例頻寬28.57%，圖三右邊是超寬頻天線，而在混頻器的背面則分別接到中頻 模組(2.4GHz)的輸入和輸出端，這個射頻收發模組需要一個DC直流電源和許多個邏輯控制 接腳，在左側的是寬頻頻率合成器，透過3-wire interface可以控制跳頻，範圍為3.3~3.6GHz， 減去中頻收發IC的2.4GHz，最後送到天線的射頻為0.9~1.2GHz，即本系統使用的載波頻率。 除了跳頻的功能以外，邏輯控制訊號並可以在接收與發射時分別切換PA和LNA來減少功率 的消耗。

圖3-3 RF 收發模組實體電路 3.2.3 IF 收發模組 圖3-4為中頻收發模組系統之基本架構圖，中頻收發模組主要是一顆收發晶片(AL7320) 組成。基頻訊號由I/Q輸入或輸出 AL7320，在傳送部份，將基頻訊號升頻到2.4GHz的中頻 訊號再送入射頻模組。在接收部分將從RF收發模組接收到的2.4GHz中頻訊號再降頻到基 頻。AL7230在初始化時，register會透過3-wire interface設定中頻的載波頻率，收發模式，和 增益等。表3-2為中頻模組的AL7230晶片控制訊號腳位定義。圖3-5為IF收發模組實體電路。 圖3-4 IF 收發模組架構圖 圖3-5 IF 收發模組實體電路

表3-2 AL7230 控制訊號腳位定義

TX_P I/P T/R switch control signal: Transmite (H), Receive (L) TX_N I/P T/R switch control signal: Transmite (L), Receive (H)

Ant_P I/P antenna switch control signal: external antenna (H) internal antenna (L) Ant_N I/P antenna switch control signal: external antenna (L) internal antenna (H) PA_ON I/P Power amplifier control signal : Turn On (H), Turn Off (L)

LNA_ON I/P LNA control signal : Turn On (H), Turn Off (L) CLK_2 I/P 3-wire interface serial bus clock for AL7230 DATA_2 I/P 3-wire interface serial bus Data for AL7230

LE_2 I/P 3-wire interface serial bus LE for AL7230 PLL_ON I/P Control PLL AL7230 : On (H), Off (L)

4. UWB 基頻模組

本模組之研究方法為針對900 MHz-1200 MHz頻段進行分頻處理，但考慮到900

MHz-960 MHz的部份已經被GSM等系統使用[1]，因此僅採用960 MHz-1200 MHz共約240 MHz的頻帶，吾人將此頻段分為多個頻道，在這些不同的頻道間使用跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)展頻技術；而在每個頻道之內吾人則使用直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術。本系統採用軟體無線電之設計概念，使系統 能依使用者需求動態調整系統參數，彈性地分配此兩種技術在系統中之比重。因此，吾人 所設計之UWB系統架構同時具有直接序列展頻及跳頻展頻之優點。 4.1 前言 展頻(Spread Spectrum, SS)技術[2]- [5]最早於1940年代被發掘，並且在1950年代開始被 應用於軍事通訊系統。展頻系統是將原本的窄頻信號頻寬擴展至較寬的頻寬，如此一來可 獲得一處理增益(Processing Gain)，在此處理增益的幫助之下可以使系統在較低的傳輸能量 下，保持良好的抵抗雜訊能力。

展頻通訊通常分為跳頻(Frequency Hopping, FH)展頻以及直接序列(Direct Sequence, DS)展頻兩種模式，分別具有以下優點： (1)跳頻展頻： a. 極具保密特性。 b. 無近遠問題(Near-Far Problem)。 (2)直接序列展頻 a. 能有效抵抗干擾。 b. 可藉由調整處理增益彈性改變資料率。 吾人所設計之UWB系統採用軟體無線電之設計概念架構，使系統能依使用者之需求動 態調整系統參數，彈性地分配此兩種技術在系統中之比重，因此同時具有直接序列展頻與 跳頻展頻之優點。 4.2 UWB 基頻收發機系統模擬平台介紹 為了實現UWB基頻收發機系統，吾人使用搭載了DAC模組、ADC模組、和有DSP處理 能力的綜合平台做系統的驗證與實現。圖4-1為基頻模組平台全貌。以下各章節將對平台上 的每個模組做介紹。 4.2.1 Lyrtech VHS-DAC 圖4-2為Lyrtech VHS-DAC模組全貌。VHS-DAC模組的功能在於將數位訊號重建得到 類比訊號。此模組提供8個輸出的通道，可將14個位元的數位訊號轉換成類比訊號；支援的 最高取樣頻率為 125 MHz。此模組包含一個Xilinx Virtex II FPGA系列的XC2V3000晶片， 吾人將其用在複雜度較低的傳送端。

VHS-DAC模組提供了GPIO和FPDP兩種輸入輸出介面。此模組提供的GPIO有34個腳 位，傳輸速度可以支援到80 MHz；FPDP可支援到400 MB/s的傳輸速度。VHS-DAC模組可