UWB系统的测试解决方案 解决方案, 无线电, 高斯, 成本, 而且

Bazinga

UWB信号的产生方式
　　基带脉冲形式
　　基带脉冲形式是UWB通信最早采用的信号形式。它利用脉宽在ns、亚ns级的基带脉冲序列进行通信，通常通过脉冲位置调制(PPM)、脉冲极性调制或脉冲幅度调制(PAM)等调制方式携带信息。脉冲可以采用不同的波形，如高斯波形、升余弦波形式等，而且占空比也很小，所以有很强的多径信道分辨能力和抗多径性能。因为不需要调制载波和本振，所以收发信机结构简单、成本较低，同时系统的功耗比传统的无线电系统要低得多。另外，这种脉冲信号穿透能力强，定位和测距精度很高，可以达到cm量级，同时可以在动态中实现定位功能。但是基带脉冲中包含较多的低频分量，所以在FCC关于UWB通信功率谱的规定下，频谱利用率不高，但可以通过脉冲波形优化设计加以改善。
　　脉冲压缩形式
　　对于基带脉冲形式而言，由于其脉宽较窄、占空比较低，因此信号能量相对较小，对于远距离的探测和通信并不适用。因此在军事领域，为了尽可能地提高探测距离，脉冲压缩方式的超宽带信号有了广泛的应用场合，其基本的表现形式有线性调频等。对于线性调频的脉冲压缩体制，可以在比较宽的时间内实现相应的线性调频，其频带覆盖范围符合FCC对超宽带信号的定义，因此具有距离分辨率强等超宽带系统特有的优点。除此之外，由于线性调频的调制时长可以根据需求定义，因此其信号能量远大于基带脉冲形式，可以满足远距离的目标探测需求。如图1所示为基于DDS产生的超宽带雷达信号实现框图。

　　调制载波形式
　　通过调制载波可以将UWB信号搬迁到合适的频段进行传输，可以更加有效灵活地利用频谱资源。同时可以利用现有通信系统中采用的方法，技术成熟度、工艺稳定度很高，在实现高速系统方面更容易些。2003年IEEE 802.15.3a工作组征集提案时，Intel、TI和Xtreme Spectrum分别提出了多频带、正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、直接序列码分多址(Direct Sequence Code Division Multiple Access，DS-CDMA)等3种方案，后来多频带方案与正交频分复用方案融合，从而形成了以TI、Intel等公司为首的MB-OFDM和以Xtreme Spectrum、Freescale等公司为主的DS-CDMA两大联盟。
　　从技术上来讲，MB-OFDM和DS-CDMA无法彼此妥协。通过这几年的发展，MB-OFDM已经逐渐取代DS-CDMA成为未来无线宽带的热门技术。图2为MB-OFDM系统的信号结构。


● MB-OFDM 超宽带系统
　　MB-OFDM的核心是把频段分成多个528MHz的子频带，每个子频带采用时频交织正交频分复用(Time-Frequency Interpolation OFDM)方式，数据在每个子带上传输。传统意义下的UWB系统使用周期不足1ns的脉冲，而MB-OFDM通过多个子带来实现带宽的动态分配，增加了符号的时间，长符号时间的好处是抗符号间干扰(Inter-Symbol Interference，ISI)能力较强。MB-OFDM技术上易于实现、功耗很低，频带的利用率高，多个频率子带并列，可以避开某些频带，灵活配置，速率的扩展性好。但是这种性能的提高是以收发设备的复杂性为代价的，而且还要考虑子信道间干扰(Inter-Channel Interference，ICI)的影响。MB-OFDM在性能方面具有优势(初期速度高达480Mbits/s)，同时由于OFDM技术使微弱信号具有近乎完美的能量捕获，所以它的通讯距离也会较远。MB-OFDM技术在子带上进行信息处理，简化了接收机的数字复杂度，降低了功耗和成本，提高了频谱的灵活性，有助于在全球范围内建立相关标准。但是发射机的结构比较复杂(多了IFFT，DAC)，易造成较高的峰值与均值比(PAR)，容易产生对其他系统的干扰，如果单纯地降低发射功率，又会减小传输距离。
　　R&S测试解决方案
　　相比与原有的通信系统而言，UWB系统具有信道容量大、传输数率高、抗干扰能力强、距离分辨率高等优势，但也给系统测试提出了相应的挑战。对于UWB系统的接收测试，需要能够产生超宽带信号的信号发生器，而对于UWB的发射测试，则需要超宽带的信号分析设备。为了满足相应的测试需求，R&S公司推出了相应的UWB系统测试解决方案，可以满足客户在不同研发和生产阶段对于测试设备的需求，同时结合不同的选件满足不同的应用需求。
　　超宽带基带信号测试解决方案AFQ100B
　　在UWB系统研制的初期，为了进行相应的波形设计和相应的算法分析，需要对基带信号进行相应的仿真和计算，R&S公司新推出的IQ基带信号源AFQ100B具有更加优异的性能和更多的功能。选用AFQ100B的宽带模式，其基带时钟速率可达600MHz，射频带宽可达528MHz，信号存储深度可达1G采样，适用于需要超长信号进行的BER测试。

对于满足WiMedia Alliance(ECMA-368)标准的MB-OFDM系统，可以加配相应的AFQ-K264选件配置满足标准的超宽带信号，因此非常适合于超宽带通信，如图3所示为K264选件的菜单界面。对于军事领域所采用的基带脉冲体制UWB系统，可以通过AFQ-K6选件产生雷达应用的窄脉冲信号、复杂的脉冲序列信号，满足军事领域的应用。如图4所示为使用AFQ-K6选件设计复杂的脉冲序列实现UWB信号波形。 对于其他体制的UWB系统，结合AFQ的ARB模式，可以完成我们需要的绝大多数UWB波形设计及相应的信号处理任务。另外，AFQ100B可以提供包括数字IQ和模拟IQ等多种数据接口供客户进行自由选择。


　　超宽带射频接收系统测试解决方案AFQ100B+SMBV100A

在UWB系统研制的中期，为了验证整个接收系统的性能，我们需要超宽带的射频信号产生装置。R&S公司新推出的矢量信号源SMBV100A的外部调制带宽达到528MHz，结合R&S AFQ100B宽带I/Q源，SMBV可以产生带宽高达528 MHz的射频信号。
　　超宽带射频发射系统测试解决方案ZVT
　　在UWB系统的设计中，对于UWB的发射信号分析也是其中的重要一环。由于超宽带系统的信号带宽很大，如果直接进行数字采样，需要极高的采样率，同时给后续的数据传输和数据处理带来较大的困难。因此常用的方式是通过信道化接收机进行相应的信号处理，也就是说把超宽带信号分成几个频带，每个频带对应一个相应的信道化接收机。然后通过不同的本振将不同频带混频至一个较低的频率进行相应的采样和信号处理，如图5所示为信道化接收机的实现框图。

　　对于信道化接收机而言，如果要保证后续处理的准确性，需要各个信道接收机的性能尽可能保持一致，因此对于信道化接收机的一致性测试成为测试的主要内容。R&S公司推出的8端口矢量网络分析仪ZVT，其内部包含四个独立的源，并且每个源的功率、频率和相位均可以自由设置，因此可以使不同的源作为信道化接收机的输入RF信号和LO信号，进而进行相应的通道一致性测试，从而完成UWB系统的发射测试。
　　对于窄脉冲信号实现的UWB系统，如何测量脉内信号的质量也是我们需要关注的问题。R&S公司基于ZVA/ZVT的脉冲测试选件ZVA-K7选件可以方便的对窄脉冲S参数进行测试。其功能相当于时间分辨率为12.5ns、测试带宽为30MHz的示波器。脉冲S参数测试的实现框图如图6所示。