基于IEEE 802.15.4a/f/z標準的UWB（Ultra-wideband）超寬帶技術(shù)是一種利用納秒級的窄脈沖進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/1252/" target="_blank">無線通信技術(shù)。UWB技術(shù)可實現(xiàn)厘米級別的精準位置測量，提供速率高達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)進入消費市場和工業(yè)市場，主要針對手機終端、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、無鑰匙進入、智能家居和智能工廠等典型用例。

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(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。

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、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標準ECMA-368。2007年至今，UWB技術(shù)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(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。

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。

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。

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。標準定義了多種突發(fā)脈沖長度來支持多種數(shù)據(jù)速率。

圖 4：BPM-BPSK調(diào)制方式

UWB定位的基本原理是利用TOF（Time of Flight）進行精確測距。在TOF的基礎(chǔ)上，采用改進算法，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(yīng)不同的應(yīng)用場合。

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 ：

1） 16.4.5 Baseband impulse response （脈沖響應(yīng)）

2） 16.4.6 Transmit PSD mask（發(fā)射頻譜模版）

3） 16.4.7 Chip rate clock and chip carrier alignment（碼片誤差）

4） 16.4.10 Transmit center frequency tolerance （中心頻率誤差）

5） 16.4.11 Receiver maximum input level of desired signal（接收機電平）

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。以上用例的測試均在R&S CMP200非信令綜測儀上實現(xiàn)。

在使用R&S CMP200進行射頻測試的過程中，發(fā)射機測試是通過外部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。接收機測試時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，終端工作在接收機狀態(tài)，然后匯報接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目以及誤包率。

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)客戶進一步需求。例如如下用例：

1） Chip/Symbol Clock Jitter Analysis

2） Chip/Symbol Phase Jitter Analysis

3） Chip/Symbol EVM

4） Preamble/Data Power

5） 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。

編輯：hfy