UWB基礎(chǔ)與測試

2025-2-12 09:24| 發(fā)布者: admin| 查看: 119| 評論: 0

摘要: 基于IEEE 802.15.4a/f/z標(biāo)準(zhǔn)的UWB（Ultra-wideband）超寬帶技術(shù)是一種利用納秒級的窄脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)。UWB技術(shù)可實現(xiàn)厘米級別的精準(zhǔn)位置測量，提供速率高達(dá)27 Mbps的安全數(shù)據(jù)通信，且功耗和延遲非常 ...

基于IEEE 802.15.4a/f/z標(biāo)準(zhǔn)的UWB（Ultra-wideband）超寬帶技術(shù)是一種利用納秒級的窄脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)。UWB技術(shù)可實現(xiàn)厘米級別的精準(zhǔn)位置測量，提供速率高達(dá)27 Mbps的安全數(shù)據(jù)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(tǒng)共享頻譜且具備一定的抗干擾性。既不同于傳統(tǒng)的窄帶通信技術(shù)，也不同于廣泛用于寬帶通信的OFDM技術(shù)，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(zhàn)。

如今，UWB技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)進(jìn)入消費市場和工業(yè)市場，主要針對手機(jī)終端、汽車應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)4.0等領(lǐng)域，包括室內(nèi)定位、移動數(shù)據(jù)共享、安全支付、資產(chǎn)跟蹤、車載定位、無鑰匙進(jìn)入、智能家居和智能工廠等典型用例。

UWB定義與標(biāo)準(zhǔn)

參考FCC的定義，滿足10 dB帶寬(FH-FL) > 500 MHz或者分?jǐn)?shù)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于-41.3 dBm/MHz。

UWB基礎(chǔ)與測試

圖 1: UWB信號定義

2002年，F(xiàn)CC允許在非授權(quán)頻段使用UWB系統(tǒng)用于雷達(dá)、公共安全和數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。2005年，WiMedia聯(lián)盟發(fā)布了第一個商用UWB標(biāo)準(zhǔn)ECMA-368。2007年至今，UWB技術(shù)主要在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)工作組進(jìn)行演進(jìn)。最新的IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)定義了LRP(Low Rate Pulse)和HRP(High Rate Pulse)兩種UWB物理層規(guī)范，其中HRP UWB的應(yīng)用最為廣泛。

目前，UWB聯(lián)盟、FiRa聯(lián)盟和車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟都是推動UWB發(fā)展的重要組織。

HRP UWB物理層技術(shù)

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(qiáng)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），而其余信道的帶寬均為499.2 MHz。

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表 1：HRP UWB頻段和信道分配

HRP UWB PHY幀（PPDU）由前導(dǎo)和數(shù)據(jù)兩部分組成（圖2）。前導(dǎo)部分包含同步頭（SHR），由同步字段（SYNC）和幀開始分隔符字段（SFD）組成。數(shù)據(jù)部分包含PHY頭（PHR）和PHY有效載荷。

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圖 2：HRP UWB PHY幀結(jié)構(gòu)

前導(dǎo)部分的調(diào)制采用三元碼方式。前導(dǎo)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(xù)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(xù)時間也稱為Delta Length，由編碼序列長度和信道號決定。

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圖 3：前導(dǎo)符號的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)部分的調(diào)制結(jié)合了突發(fā)位置調(diào)制（Burst Position Modulation）和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK），稱為BPM-BPSK調(diào)制方式（圖4）。每個符號由一個突發(fā)脈沖組成，包含2比特信息。其中一個比特用來決定突發(fā)脈沖的位置，另一個比特決定脈沖調(diào)制的相位。標(biāo)準(zhǔn)定義了多種突發(fā)脈沖長度來支持多種數(shù)據(jù)速率。

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圖 4：BPM-BPSK調(diào)制方式

UWB定位的基本原理是利用TOF（Time of Flight）進(jìn)行精確測距。在TOF的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)算法，例如TDOA（到達(dá)時間差定位），TOA（到達(dá)時間定位），TWR（雙向測距），AOA（到達(dá)角定位），可以對定位性能進(jìn)一步提升，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。

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圖 5：TOF測距法

UWB測試項目與方法

UWB測試項目主要來源于802.15.4-2015規(guī)范，在協(xié)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：

16.4.5 Baseband impulse response (脈沖響應(yīng))
16.4.6 Transmit PSD mask（發(fā)射頻譜模版）
16.4.7 Chip rate clock and chip carrier alignment（碼片誤差）
16.4.10 Transmit center frequency tolerance （中心頻率誤差）
16.4.11 Receiver maximum input level of desired signal（接收機(jī)電平）

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。

首先，在羅德與施瓦茨公司推出的下一代非信令綜測儀R&S?CMP200上，實現(xiàn)了以上用例的測試，方便客戶進(jìn)行射頻指標(biāo)的測試，以及用于產(chǎn)線的大規(guī)模生產(chǎn)驗證。

R&S?CMP200中頻模塊支持4GHz~20GHz的頻率范圍，以及1GHz的帶寬，并且可以通過變頻器支持5G 毫米波測試。

UWB基礎(chǔ)與測試

圖 6：R&S?CMP200示意圖

在使用R&S?CMP200進(jìn)行射頻測試的過程中，發(fā)射機(jī)測試是通過外部PC軟件控制終端發(fā)射指定的UWB信號，在固定的頻段以及固定的數(shù)據(jù)格式，R&S?CMP200會測量終端發(fā)射出來的信號射頻指標(biāo)。接收機(jī)測試時R&S?CMP200內(nèi)置的信號發(fā)生器，發(fā)送指定格式數(shù)據(jù)包，終端工作在接收機(jī)狀態(tài)，然后匯報接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目以及誤包率。

UWB基礎(chǔ)與測試

圖 7：R&S?CMP200測試組網(wǎng)示意圖

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圖 8：UWB信號測試結(jié)果示意圖

同時，R&S?CMP200的測量在滿足協(xié)議測試要求的基礎(chǔ)上，還額外增加了一些信號分析內(nèi)容，滿足研發(fā)客戶進(jìn)一步需求。例如如下用例：

Chip/Symbol Clock Jitter Analysis
Chip/Symbol Phase Jitter Analysis
Chip/Symbol EVM
Preamble/Data Power
Power vs Time

通過以上測試，可以有效的保證UWB模塊射頻信號質(zhì)量，改善UWB數(shù)據(jù)傳輸性能。

除R&S?CMP200以外，羅德與施瓦茨公司同時也推出了針對UWB測試的信號源和頻譜儀方案。在ETSI 303883法規(guī)中UWB信號的峰值功率頻譜密度測試項目，頻譜儀如果使用<50 MHz的分辨率帶寬(RBW)，則需要加上最差可能性補償因子20LOG10(50/RBW)，為了得到最精確的測量結(jié)果，使用具有50 MHz RBW的頻譜儀才能避免限制線過于嚴(yán)格，目前只有少量頻譜分析儀才支持這么寬的RBW設(shè)置，R&S高端頻譜分析儀FSW具備50 MHz RBW，確保了測量精度。

同時UWB頻率覆蓋從3.1 GHz到10.6 GHz，帶寬500 MHz，這么大的工作頻率范圍存在眾多窄帶和寬帶的同頻和異頻干擾，這也使得UWB接收機(jī)的抗干擾設(shè)計成為重大挑戰(zhàn)，測試中模擬各種可能的復(fù)雜電磁環(huán)境不可或缺。

R&S?SMW200A單表具備最大2 GHz信號產(chǎn)生帶寬，頻率范圍100 kHz至44 GHz，支持2G到5G、以及包括UWB在內(nèi)的各種短距標(biāo)準(zhǔn)，另外頻段范圍內(nèi)+18 dBm的最大輸出功率，使其成為大功率干擾模擬的最佳選擇。

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圖 9：R&S?FSW和R&S?SMW示意圖

關(guān)于羅德與施瓦茨

羅德與施瓦茨公司作為一家獨立的國際性科技公司，為專業(yè)用戶開發(fā)、生產(chǎn)以及銷售創(chuàng)新的通信、信息和安全產(chǎn)品。公司主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括測試與測量、廣播電視與媒體、航空航天|國防|安全、網(wǎng)絡(luò)信息安全并覆蓋多個不同行業(yè)及政府市場分支。截止到2019年6月30日，羅德與施瓦茨公司員工人數(shù)約為12,000名。公司總部設(shè)在德國慕尼黑。全球范圍內(nèi)，公司在70多個國家設(shè)有子公司并在亞洲和美國設(shè)有區(qū)域中心。

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