UWB信號的產(chǎn)生方式

　　基帶脈沖形式

　　基帶脈沖形式是UWB通信最早采用的信號形式。它利用脈寬在ns、亞ns級的基帶脈沖序列進(jìn)行通信，通常通過脈沖位置調(diào)制(PPM)、脈沖極性調(diào)制或脈沖幅度調(diào)制(PAM)等調(diào)制方式攜帶信息。脈沖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，所以有很強(qiáng)的多徑信道分辨能力和抗多徑性能。因?yàn)椴恍枰{(diào)制載波和本振，所以收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，同時(shí)系統(tǒng)的功耗比傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)要低得多。另外，這種脈沖信號穿透能力強(qiáng)，定位和測距精度很高，可以達(dá)到cm量級，同時(shí)可以在動(dòng)態(tài)中實(shí)現(xiàn)定位功能。但是基帶脈沖中包含較多的低頻分量，所以在FCC關(guān)于UWB通信功率譜的規(guī)定下，頻譜利用率不高，但可以通過脈沖波形優(yōu)化設(shè)計(jì)加以改善。

　　脈沖壓縮形式

　　對于基帶脈沖形式而言，由于其脈寬較窄、占空比較低，因此信號能量相對較小，對于遠(yuǎn)距離的探測和通信并不適用。因此在軍事領(lǐng)域，為了盡可能地提高探測距離，脈沖壓縮方式的超寬帶信號有了廣泛的應(yīng)用場合，其基本的表現(xiàn)形式有線性調(diào)頻等。對于線性調(diào)頻的脈沖壓縮體制，可以在比較寬的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的線性調(diào)頻，其頻帶覆蓋范圍符合FCC對超寬帶信號的定義，因此具有距離分辨率強(qiáng)等超寬帶系統(tǒng)特有的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，由于線性調(diào)頻的調(diào)制時(shí)長可以根據(jù)需求定義，因此其信號能量遠(yuǎn)大于基帶脈沖形式，可以滿足遠(yuǎn)距離的目標(biāo)探測需求。如圖1所示為基于DDS產(chǎn)生的超寬帶雷達(dá)信號實(shí)現(xiàn)框圖。

　　調(diào)制載波形式

　　通過調(diào)制載波可以將UWB信號搬遷到合適的頻段進(jìn)行傳輸，可以更加有效靈活地利用頻譜資源。同時(shí)可以利用現(xiàn)有通信系統(tǒng)中采用的方法，技術(shù)成熟度、工藝穩(wěn)定度很高，在實(shí)現(xiàn)高速系統(tǒng)方面更容易些。2003年IEEE 802.15.3a工作組征集提案時(shí)，Intel、TI和Xtreme Spectrum分別提出了多頻帶、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、直接序列碼分多址(Direct Sequence Code Division Multiple Access，DS-CDMA)等3種方案，后來多頻帶方案與正交頻分復(fù)用方案融合，從而形成了以TI、Intel等公司為首的MB-OFDM和以Xtreme Spectrum、Freescale等公司為主的DS-CDMA兩大聯(lián)盟。

　　從技術(shù)上來講，MB-OFDM和DS-CDMA無法彼此妥協(xié)。通過這幾年的發(fā)展，MB-OFDM已經(jīng)逐漸取代DS-CDMA成為未來無線寬帶的熱門技術(shù)。圖2為MB-OFDM系統(tǒng)的信號結(jié)構(gòu)。

　　● MB-OFDM 超寬帶系統(tǒng)

　　MB-OFDM的核心是把頻段分成多個(gè)528MHz的子頻帶，每個(gè)子頻帶采用時(shí)頻交織正交頻分復(fù)用(Time-Frequency Interpolation OFDM)方式，數(shù)據(jù)在每個(gè)子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義下的UWB系統(tǒng)使用周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個(gè)子帶來實(shí)現(xiàn)帶寬的動(dòng)態(tài)分配，增加了符號的時(shí)間，長符號時(shí)間的好處是抗符號間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)能力較強(qiáng)。MB-OFDM技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)、功耗很低，頻帶的利用率高，多個(gè)頻率子帶并列，可以避開某些頻帶，靈活配置，速率的擴(kuò)展性好。但是這種性能的提高是以收發(fā)設(shè)備的復(fù)雜性為代價(jià)的，而且還要考慮子信道間干擾(Inter-Channel Interference，ICI)的影響。MB-OFDM在性能方面具有優(yōu)勢(初期速度高達(dá)480Mbits/s)，同時(shí)由于OFDM技術(shù)使微弱信號具有近乎完美的能量捕獲，所以它的通訊距離也會較遠(yuǎn)。MB-OFDM技術(shù)在子帶上進(jìn)行信息處理，簡化了接收機(jī)的數(shù)字復(fù)雜度，降低了功耗和成本，提高了頻譜的靈活性，有助于在全球范圍內(nèi)建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜(多了IFFT，DAC)，易造成較高的峰值與均值比(PAR)，容易產(chǎn)生對其他系統(tǒng)的干擾，如果單純地降低發(fā)射功率，又會減小傳輸距離。

　　R&S測試解決方案

　　相比與原有的通信系統(tǒng)而言，UWB系統(tǒng)具有信道容量大、傳輸數(shù)率高、抗干擾能力強(qiáng)、距離分辨率高等優(yōu)勢，但也給系統(tǒng)測試提出了相應(yīng)的挑戰(zhàn)。對于UWB系統(tǒng)的接收測試，需要能夠產(chǎn)生超寬帶信號的信號發(fā)生器，而對于UWB的發(fā)射測試，則需要超寬帶的信號分析設(shè)備。為了滿足相應(yīng)的測試需求，R&S公司推出了相應(yīng)的UWB系統(tǒng)測試解決方案，可以滿足客戶在不同研發(fā)和生產(chǎn)階段對于測試設(shè)備的需求，同時(shí)結(jié)合不同的選件滿足不同的應(yīng)用需求。

　　超寬帶基帶信號測試解決方案AFQ100B

　　在UWB系統(tǒng)研制的初期，為了進(jìn)行相應(yīng)的波形設(shè)計(jì)和相應(yīng)的算法分析，需要對基帶信號進(jìn)行相應(yīng)的仿真和計(jì)算，R&S公司新推出的IQ基帶信號源AFQ100B具有更加優(yōu)異的性能和更多的功能。選用AFQ100B的寬帶模式，其基帶時(shí)鐘速率可達(dá)600MHz，射頻帶寬可達(dá)528MHz，信號存儲深度可達(dá)1G采樣，適用于需要超長信號進(jìn)行的BER測試。

　　對于滿足WiMedia Alliance(ECMA-368)標(biāo)準(zhǔn)的MB-OFDM系統(tǒng)，可以加配相應(yīng)的AFQ-K264選件配置滿足標(biāo)準(zhǔn)的超寬帶信號，因此非常適合于超寬帶通信，如圖3所示為K264選件的菜單界面。對于軍事領(lǐng)域所采用的基帶脈沖體制UWB系統(tǒng)，可以通過AFQ-K6選件產(chǎn)生雷達(dá)應(yīng)用的窄脈沖信號、復(fù)雜的脈沖序列信號，滿足軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。如圖4所示為使用AFQ-K6選件設(shè)計(jì)復(fù)雜的脈沖序列實(shí)現(xiàn)UWB信號波形。 對于其他體制的UWB系統(tǒng)，結(jié)合AFQ的ARB模式，可以完成我們需要的絕大多數(shù)UWB波形設(shè)計(jì)及相應(yīng)的信號處理任務(wù)。另外，AFQ100B可以提供包括數(shù)字IQ和模擬IQ等多種數(shù)據(jù)接口供客戶進(jìn)行自由選擇。

　　超寬帶射頻接收系統(tǒng)測試解決方案AFQ100B+SMBV100A

　　在UWB系統(tǒng)研制的中期，為了驗(yàn)證整個(gè)接收系統(tǒng)的性能，我們需要超寬帶的射頻信號產(chǎn)生裝置。R&S公司新推出的矢量信號源SMBV100A的外部調(diào)制帶寬達(dá)到528MHz，結(jié)合R&S AFQ100B寬帶I/Q源，SMBV可以產(chǎn)生帶寬高達(dá)528 MHz的射頻信號。

　　超寬帶射頻發(fā)射系統(tǒng)測試解決方案ZVT

　　在UWB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對于UWB的發(fā)射信號分析也是其中的重要一環(huán)。由于超寬帶系統(tǒng)的信號帶寬很大，如果直接進(jìn)行數(shù)字采樣，需要極高的采樣率，同時(shí)給后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理帶來較大的困難。因此常用的方式是通過信道化接收機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，也就是說把超寬帶信號分成幾個(gè)頻帶，每個(gè)頻帶對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的信道化接收機(jī)。然后通過不同的本振將不同頻帶混頻至一個(gè)較低的頻率進(jìn)行相應(yīng)的采樣和信號處理，如圖5所示為信道化接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)框圖。

　　對于信道化接收機(jī)而言，如果要保證后續(xù)處理的準(zhǔn)確性，需要各個(gè)信道接收機(jī)的性能盡可能保持一致，因此對于信道化接收機(jī)的一致性測試成為測試的主要內(nèi)容。R&S公司推出的8端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVT，其內(nèi)部包含四個(gè)獨(dú)立的源，并且每個(gè)源的功率、頻率和相位均可以自由設(shè)置，因此可以使不同的源作為信道化接收機(jī)的輸入RF信號和LO信號，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的通道一致性測試，從而完成UWB系統(tǒng)的發(fā)射測試。

　　對于窄脈沖信號實(shí)現(xiàn)的UWB系統(tǒng)，如何測量脈內(nèi)信號的質(zhì)量也是我們需要關(guān)注的問題。R&S公司基于ZVA/ZVT的脈沖測試選件ZVA-K7選件可以方便的對窄脈沖S參數(shù)進(jìn)行測試。其功能相當(dāng)于時(shí)間分辨率為12.5ns、測試帶寬為30MHz的示波器。脈沖S參數(shù)測試的實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。