基於IEEE 802.15.4a/f/z標準的UWB(Ultra-wideband)超寬帶技術是一種利用納秒級的窄脈衝進行數據傳輸的無線通信技術。UWB技術可實現釐米級別的精準位置測量，提供速率高達27 Mbps的安全數據通信，且功耗和延遲非常低，而極高的帶寬和極低的功率譜密度可以使其與其他窄帶和寬帶無線通信系統共享頻譜且具備一定的抗幹擾性。既不同於傳統的窄帶通信技術，也不同於廣泛用於寬帶通信的OFDM技術，UWB信號的超大帶寬和極低功率對測試方法和測試儀表提出了新的需求和挑戰。FDBednc
如今，UWB技術發展迅速，已經進入消費市場和工業市場，主要針對手機終端、汽車應用、物聯網及工業4.0等領域，包括室內定位、移動數據共享、安全支付、資產跟蹤、車載定位、無鑰匙進入、智能家居和智能工廠等典型用例。FDBednc
UWB定義與標準參考FCC的定義，滿足10 dB帶寬(fH - fL) > 500 MHz或者分數帶寬2*( fH - fL)/ (fH + fL) > 0.2的信號可以稱為UWB超寬帶信號（圖1），且信號的功率譜密度限制於-41.3 dBm/MHz。FDBednc
圖 1: UWB信號定義FDBednc
2002年，FCC允許在非授權頻段使用UWB系統用於雷達、公共安全和數據通信的應用。2005年，WiMedia聯盟發布了第一個商用UWB標準ECMA-368。2007年至今，UWB技術主要在IEEE 802.15.4標準工作組進行演進。最新的IEEE 802.15.4z標準定義了LRP(Low Rate Pulse)和HRP(High Rate Pulse)兩種UWB物理層規範，其中HRP UWB的應用最為廣泛。FDBednc
目前，UWB聯盟、FiRa聯盟和車聯網聯盟都是推動UWB發展的重要組織。FDBednc
HRP UWB物理層技術HRP UWB定義了Sub GHz頻段、Low Band頻段和High Band頻段三個頻段(表1)。每個頻段包含一個強制支持的信道及其他多個可選支持的信道，其中信道4、7、11和15這四個可選信道支持更大的帶寬(> 1 GHz)，而其餘信道的帶寬均為499.2 MHz。FDBednc
表1：HRP UWB頻段和信道分配FDBednc
HRP UWB PHY幀(PPDU)由前導和數據兩部分組成(圖2)。前導部分包含同步頭(SHR)，由同步欄位(SYNC)和幀開始分隔符欄位(SFD)組成。數據部分包含PHY頭(PHR)和PHY有效載荷。FDBednc
圖 2：HRP UWB PHY幀結構FDBednc
前導部分的調製採用三元碼方式。前導符號Si由三元碼序列Ci = {-1, 0, 1}組成，在碼符號間插入若干個碼片持續時間(圖3)。HRP UWB支持的編碼序列長度有IEEE 802.15.4-2015定義的31和127，以及IEEE 802.15.4z增加的91。碼片持續時間也稱為Delta Length，由編碼序列長度和信道號決定。FDBednc
圖 3：前導符號的結構FDBednc
數據部分的調製結合了突發位置調製(Burst Position Modulation)和二進位相移鍵控(BPSK)，稱為BPM-BPSK調製方式(圖4)。每個符號由一個突發脈衝組成，包含2比特信息。其中一個比特用來決定突發脈衝的位置，另一個比特決定脈衝調製的相位。標準定義了多種突發脈衝長度來支持多種數據速率。FDBednc
圖 4：BPM-BPSK調製方式FDBednc
UWB定位的基本原理是利用TOF(Time of Flight)進行精確測距。在TOF的基礎上，採用改進算法，例如TDOA(到達時間差定位)，TOA(到達時間定位)，TWR(雙向測距)，AOA(到達角定位)，可以對定位性能進一步提升，適應不同的應用場合。FDBednc
圖 5：TOF測距法FDBednc
UWB測試項目與方法UWB測試項目主要來源於802.15.4-2015規範，在協議第16章HRP UWB PHY第四部分中，描述了RF方面的測試要求。主要包括如下的用例 ：FDBednc
1) 16.4.5 Baseband impulse response (脈衝響應)FDBednc
2) 16.4.6 Transmit PSD mask(發射頻譜模版)FDBednc
3) 16.4.7 Chip rate clock and chip carrier alignment(碼片誤差)FDBednc
4) 16.4.10 Transmit center frequency tolerance (中心頻率誤差)FDBednc
5) 16.4.11 Receiver maximum input level of desired signal(接收機電平)FDBednc
針對以上的測試用例需求，羅德與施瓦茨公司提供了一系列的測試方案。以上用例的測試均在R&S CMP200非信令綜測儀上實現。FDBednc
在使用R&S CMP200進行射頻測試的過程中，發射機測試是通過外部PC軟體控制終端發射指定的UWB信號，在固定的頻段以及固定的數據格式，R&S CMP200會測量終端發射出來的信號射頻指標。接收機測試時R&S CMP200內置的信號發生器，發送指定格式數據包，終端工作在接收機狀態，然後匯報接收到的數據包數目以及誤包率。FDBednc
同時，R&S CMP200的測量在滿足協議測試要求的基礎上，還額外增加了一些信號分析內容，滿足研發客戶進一步需求。例如如下用例：FDBednc
1) Chip/Symbol Clock Jitter AnalysisFDBednc
2) Chip/Symbol Phase Jitter AnalysisFDBednc
3) Chip/Symbol EVMFDBednc
4) Preamble/Data PowerFDBednc
5) Power vs TimeFDBednc
通過以上測試，可以有效的保證UWB模塊射頻信號質量，改善UWB數據傳輸性能。FDBednc
本文由羅德與施瓦茨供稿羅德與施瓦茨供稿FDBednc
責編：Amy GuanFDBednc
本文為《電子工程專輯》2021年1月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 FDBednc