淺談超寬頻技術與測試方法

作者 : Rohde & Schwarz供稿

UWB訊號既不同於傳統的窄頻通訊技術,也並非廣泛用於寬頻通訊的正交頻分多工(OFDM)技術,其超大頻寬和極低功率卻對現有的測試方法和測試儀器提出了新的需求和挑戰。

基於IEEE 802.15.4a/f/z標準的「超寬頻」(Ultra-Wideband;UWB)技術是一種利用奈秒級窄脈衝進行資料傳輸的無線通訊技術。UWB技術可實現釐米級的精確位置測量,提供速率高達27Mbps的安全資料通訊、低功耗且低延遲,而極高的頻寬和極低的功率譜密度使其得以與其他窄頻和寬頻無線通訊系統共用頻譜,同時還具備一定的抗干擾性。

UWB技術發展迅速,如今已經進入消費和工業等市場,主要針對手機終端、汽車應用、物聯網(IoT)及工業4.0等領域,包括室內定位、行動數據共用、安全支付、資產追蹤、車載定位、免鑰匙進入、智慧家庭和智慧工廠等典型應用。

然而,UWB訊號既不同於傳統的窄頻通訊技術,也並非廣泛用於寬頻通訊的正交頻分多工(OFDM)技術,其超大頻寬和極低功率卻對現有的測試方法和測試儀器提出了新的需求和挑戰。

UWB的定義與標準

根據FCC的定義,滿足10dB頻寬(fH – fL) > 500MHz或者分數頻寬(FBW) 2*( fH – fL)/ (fH + fL) > 0.2的訊號可以稱為UWB超寬頻訊號(圖1),且訊號的功率頻譜密度限制於-41.3dBm/MHz。

 

圖1:UWB訊號定義。

 

2002年,FCC允許在免授權頻段使用UWB系統,針對雷達、公共安全和資料通訊等應用。2005年,WiMedia聯盟發佈了第一個商用UWB標準ECMA-368。2007年至今,UWB技術持續在IEEE 802.15.4標準上演進,最新的IEEE 802.15.4z標準定義了LRP (Low Rate Pulse)和HRP (High Rate Pulse)兩種UWB實體層(PHY)規範,其中以HRP UWB的應用最為廣泛。

目前,包括UWB聯盟、FiRa聯盟和車聯網聯盟都是推動UWB發展的重要組織。

HRP UWB實體層

HRP UWB定義了Sub GHz、Low Band和High Band的三個頻段(表1)。每個頻段包含一個強制支援的通道及其他多個可選的支援通道,其中通道4、7、11和15這四個可選通道支援更大的頻寬(> 1-GHz),其餘通道的頻寬均為499.2MHz。

 

表1:HRP UWB頻段和通道分配。

 

HRP UWB的實體層協議資料單元(PHY Protocol Data Unit;PPDU)由前導訊號和資料兩部份組成(圖2)。前導部份包含同步標頭(synchronization header;SHR),由同步位元(SYNC)和開始位元(SFD)組成。資料部份包含PHY標頭(PHR)和PHY酬載(PHY payload)。

 

圖 2:HRP UWB PHY訊框結構。

 

前導部份的調變採用三位元編碼方式。前置字元Si由三位元編碼序列Ci = {-1, 0, 1}組成,在編碼符號間插入若干個代碼持續時間(圖3)。HRP UWB支援的編碼序列長度有IEEE 802.15.4-2015定義的31和127,以及IEEE 802.15.4z增加的91。代碼持續時間也稱為Delta Length,由編碼序列長度和通道號決定。

 

圖 3:前置字元編碼結構。

 

資料部份的調變結合了突發位置調變(Burst Position Modulation)和二進位相移鍵控(BPSK),稱為BPM-BPSK調變方式(圖4)。每個符號由一個突發脈衝組成,包含2位元的資訊。其中一個位元用來決定突發脈衝的位置,另一個位元決定脈衝調變的相位。標準定義了多種突發脈衝長度來支援多種資料速率。

 

圖 4:BPM-BPSK調變方式。

 

UWB定位的基本原理是利用「飛時測距」(Time of Flight;ToF)進行精確測距。在ToF的基礎上,採用改進演算法,例如到達時間差(TDOA)定位、到達時間(TOA)定位、雙向測距(TWR)、到達角(AOA)定位等,可以因應不同的應用場合進一步提升定位性能。

 

圖 5:ToF測距法。

 

UWB測試項目與方法

UWB測試專案主要源於802.15.4-2015標準的規範,在協定第16章HRP UWB PHY第四部份中,描述了射頻(RF)方面的測試要求。主要包括如下用例:

  1. 16.4.5 Baseband impulse response (基頻脈衝響應)
  2. 16.4.6 Transmit PSD mask (發射功率頻譜密度限制)
  3. 16.4.7 Chip rate clock and chip carrier alignment (傳輸率時脈與載波校準)
  4. 16.4.10 Transmit center frequency tolerance (傳輸中心頻率容差)
  5. 16.4.11 Receiver maximum input level of desired signal (接收器訊號的最大輸入級)

針對以上的測試用例需求,羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz;R&S)提供了一系列的測試方案,均可在R&S CMP200非訊令(Non-Signaling)綜合測試儀上實現。

在使用R&S CMP200執行RF測試的過程中,發射機測試是透過外部PC軟體控制終端發射指定的UWB訊號,在固定的頻段與固定的資料格式下,R&S CMP200可以測量終端發射的RF訊號指標。接收機測試時,R&S CMP200內建的訊號產生器還可發送指定格式資料封包,終端在接收機狀態工作,然後匯報接收到的資料封包數目以及誤碼率。

同時,在滿足協議測試要求的基礎上,R&S CMP200還另外增加了一些訊號分析內容,以滿足研發客戶的進一步需求。例如:

  1. Chip/Symbol Clock Jitter Analysis
  2. Chip/Symbol Phase Jitter Analysis
  3. Chip/Symbol EVM
  4. Preamble/Data Power
  5. Power vs Time

 

透過以上測試建置,就能夠有效確保UWB模組的RF訊號品質,進一步改善UWB的資料傳輸性能。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年1月號

 

 

 

 

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