超宽带技术和测试解决方案

技术简介超宽带技术和测试解决方案摘要超宽带(UWB)无线电是一种迅速发展的技术，可望变革低能耗短程无线应用。UWB已经迅速成为无线USB和短程探地雷达等应用的领导技术。UWB无线电不同于传统窄带无线电，拥有大量的专用测试需求。巨大的信号带宽、窄脉冲和接近热噪底的瞬态功率频谱密度(PSD)，使得UWB测试起来非常困难。幸运的是，泰克任意波形发生器(AWG)、RFXpress波形创建软件及装有UWB测量软件的数字荧光示波器(DPO)等领先仪器为迎接UWB测试挑战提供了有效的解决方案。在本技术简介中，我们将解释UWB技术背后的概念、其独特的硬件和软件结构及工程师遇到的部分相关测试问题。超宽带技术和测试解决方案技术简介2引言由于其突出的特性，UWB无线技术正迅速被人们所接受。为了解UWB，我们先考察一下UWB的起源及发展历史。发展历史早期无线电，如马可尼的火花隙设计(1896年)，标志着脉冲无线电(IR)通信的开端。受赫兹(1888年)试验仪器启发，第一个无线电报信号使用短脉冲传送信息，该试验仪器验证了麦克斯韦的理论电磁波(1865年)。这些脉冲信号就是现代UWB通信的前身。火花隙设计可以采用基本元件简便构建。但是，早期脉冲无线电受到来自于大气和其它发射机的干扰。1918年，EdwinArmstrong的超外差无线电设计有效地抑制了窄带幅度调制(AM)信号干扰。连续波窄带无线电还在长距离传输方面独具魅力，很快代替了早期的脉冲无线电。脉冲无线电开发停滞了几十年，直到现代测试设备技术最终重新引起人们的关注。1962年，采样示波器的发明，使得GeraldRoss能够使用瞬态脉冲检定宽带雷达元件(1963)。亚纳秒级脉冲生成能力，使得以前很难实现的检定相控阵耦合器网络内部微波元件不匹配成为可能。到20世纪70年代，超宽带脉冲检定技术被应用到短脉冲雷达和通信链路中，使人们再度关注IR，只是此时IR拥有了超宽的带宽。政府使用的精密短程雷达和低侦测概率/低截获概率(LPD/LPI)通信系统，在20世纪六七十年代秘密地进行了大量开发工作。另外一方面，在传统测量设备的帮助下，如泰克7S12时域反射计(TDR)和‘泰克系统’(可以互连起来、创建UWB数据链路或UWB雷达的一组仪器)，UWB技术进步一直继续。最近，现代计算机技术给实现高数据速率外设互连的高速短程个人区域网(PAN)创造了强劲的需求。2002年，由于认识到UWB是扩大短程通信和精密定位应用的理想技术，美国联邦通信委员会(USFCC)把第一个商用频谱授予给了无需牌照的低能耗UWB传输。各家制造商开始争相生产杰出性能的UWB新产品，实现一系列短程低功耗应用。现在，随着无线UWB产品进入消费市场，各种获奖的设计和应用开始变革我们的世界。图1.UWB开发时间表说明了脉冲无线电悠久的发展历史，该技术最终发展成为当前的UWB技术。图2.Shannon-Hartley定理说明了信道容量(C)、RF带宽(W)和最小信噪比(S/N)之间的理想关系。UWB极具吸引力，因为它可以以很低的信噪比支持很高的信道容量或数据速率。比较一下所示位速率容量完全相同的调制的RF带宽和S/N要求，很容易可以看出带宽与信噪比的互换关系。Shannon-Hartley信道容量定理容量(位/秒)RF带宽(Hz)信噪比低信噪比要求：大容量数据链路需要超宽带宽宽带窄带图3.破坏性多径影响窄带信号的方式与UWB信号不同，其中被反射的信号在接收机天线上抵消了所需的信号。破坏性多径产生的频率凹口可能会完全抵消窄带信号。而对UWB信号，其只影响发送能量中很小的一部分，因此几乎没有干扰。类似的，窄带信号只会对冗余编码UWB信号产生非常小的干扰，这种干扰几乎可以忽略。多径抗干扰频谱窄带破坏性附加凹口发射机建设性干扰和破坏性干扰接收机频谱凹口影响很小一部分频谱发射机建设性干扰和破坏性干扰接收机为什么采用UWB？UWB有哪些独有的特点？为什么UWB被视为许多短程无线应用的基础技术呢？超宽带信号为支持当前许多高数据速率应用提供了所需的数据容量，如无线视频。简而言之，Shannon-Hartley定理指出，在无线链路中只能通过两种方式实现更高的数据速率：(1)扩大RF信号的带宽(W);或(2)使用更加复杂的多电平调制方式，在误码率相等的情况下，这要求更高的信噪比(S/N)。使用超宽带宽实现高数据速率要比在星座图中增加符号容易得多。更重要的是，增加带宽可以以接近热噪底的低信噪比可靠地传输数据。低信噪比传输是一个关键因素，使得UWB能够避免给其它无线信号带来有害的干扰。由于UWB信号可能会占用几千兆赫(GHz)的RF频谱，因此协调现有的无线业务不能依赖传统频率复用技术。在当前拥挤的无线世界中，是没有足够的频谱带宽把超宽频段分配给单一用途应用的。因此，必须采取另一种减轻干扰的方式，允许UWB与现有的无线频谱分配方案共存。有两种基本干扰情况：(1)UWB信号干扰现有的窄带通信；(2)窄带信号干扰UWB传输。为协调占用相同频率的现有频谱分配方案和UWB信号，UWB信号必须拥有低功率谱密度，其只要高于热噪底就可以了。如果UWB发射机功率限制在低电平，并扩展到几千兆赫的带宽中，这是有可能的。发射机功率限制可以防止给现有的窄带信号带来明显干扰，但这会使UWB只限于近距离应用。幸运的是，UWB信号中的内置冗余使其对强窄带信号拥有杰出的抗干扰能力，这正是我们要考虑的另一种情况。同样这些冗余也为UWB设备提供了优异的多径性能。超宽带技术和测试解决方案技术简介超宽带技术和测试解决方案技术简介4图5.DPO7000示波器使用20GHz带宽捕获的1GHz雷达啁啾。该示波器可以把时域信号(黄色)转换成频谱曲线(橙色)和相位谱曲线(紫色)。图4.较长的雷达脉宽可造成两个不同物体的反射重叠，会被理解为仅是一个物体的回波。UWB脉宽短，通过返回完全隔开的回声，改善了雷达的分辨率。在所需信号中破坏性地增加多径信号，会产生分散的频率凹口，完全抵消某些频率。这种现象可能会完全吞噬窄带信号，抵消所有接收功率，导致信号衰落；而UWB信号只会损耗一小部分功率，因为它们要比频率凹口宽得多。UWB信号中采用的冗余编码使这种窄带能量损耗并不显著，为UWB信号提供了杰出的多径性能。类似的，强窄带干扰源对UWB信号几乎没有影响，因为它只影响总信号能量中的一小部分。UWB对多径和干扰的容忍性，使其特别适合极具挑战性的室内传输环境，这些环境充斥着反射的信号和RF干扰源。因此，UWB的高数据速率功能、抗多径及抗干扰能力，使其成为当前带宽计算机外设的基础无线技术。UWB的低功率谱密度还特别适合LPD通信系统。此外，创建超宽带宽使用的扩频技术使得UWB信号很难侦听，为军事应用提供了杰出的LPI通信性能。UWB雷达许多UWB信号的短脉宽还提供了杰出的雷达分辨率优势。如图所示，使用长雷达脉冲时，相距很近的目标会产生重叠的雷达反射信号，使目标特点变得模糊；而非常窄的脉冲则提供了明显不同的反射回波。超短UWB脉冲本身适合相距很近的小型目标的短程低功率成像。探地雷达、室内专用操作雷达和近炸引信等应用都在短距离内检测小型目标，这些应用都可以从UWB技术中中受益。短UWB脉冲要求超大带宽，以便实现杰出的抗多径能力。在没有超短脉冲的某些情况下，UWB脉冲压缩技术(脉冲调制)可以改善雷达分辨率。频率啁啾或双相移键控(BPSK)是调制雷达脉冲、改善分辨率的常用方法。当前使用的一些脉冲压缩调制要求超宽带宽，符合UWB信号的定义。扩展UWB信号的编码技术还允许精密地定位收发机的无线电信号，其方式与传统扩频设计非常类似。短脉冲增强了短距离内的精度。超宽带技术和测试解决方案技术简介高数据速率信道容量、无需牌照的低PSD传输、杰出的多径性能、强健的抗干扰能力、高分辨率雷达功能和精密无线电定位潜力，这些重要特点使得UWB特别适合许多短程无线应用。但是，这些UWB优势也带来了某些技术挑战。极具挑战性的测试问题UWB信号带来了许多挑战性的测试和测量问题，需要专用的测试仪器功能。为UWB生成和分析超宽带测试信号，要求高性能任意波形发生器(如泰克AWG7000系列)和超宽带数字荧光示波器(如可以满足各种UWB信号带宽要求的DPO70000系列)。UWB信号的要求带来了宽带幅度和相位平坦度的挑战。测试信号发生器和测量仪器的频谱幅度和相位平坦度可能会使瞬态UWB脉冲失真。脉冲失真效应则会改变UWB信号的频谱特性。对窄带信号，选择的测试设备的带宽一般明显高于要测量的所需信号带宽，以使平坦度问题达到最小。但是，对UWB信号，测试设备的带宽不可能宽很多。在测试UWB信号时遇到的另一个问题是提供的测量带宽选项有限。即使简单的功率谱密度测量可能也会非常困难，因为法规要求50MHz的分辨率带宽(RBW)，而只有很少的频谱分析仪能够达到这一要求。除这些挑战外，如果没有合适的测试设备，扩展UWB信号的时间频率代码(TFC)及器件测量可能是一个重大挑战。为了解哪些测试解决方案适合UWB，我们简要回顾一下有哪些UWB技术及构成这些迷人信号的因素有哪些。UWB技术UWB技术涵盖了广泛的信号类型和设计拓扑。因此，UWB信号类型之间差异很大，但似乎有一点是共同的，即带宽高。UWB信号与传统窄带信号相比有哪些差异呢？图6.强大的UWB测试仪器，如AWG7000系列和DPO70000，可以生成和捕获复杂的超宽带信号。超宽带技术和测试解决方案技术简介6图7.在发展历史上，先后流行过三种接收机结构：基带无线电(如早期火花隙接收机)简单，但抗干扰能力差；零中频接收机比较复杂，允许在可能存在较少干扰的较高频率上接收信号；普遍应用的超外差接收机则拥有中频(IF)转换功能，带有窄带高品质因数(Q)滤波器，能够消除频谱上相距很近的干扰源。在过去80年中，超外差一直在无线电设计中占主导地位。图8.USFCC把UWB信号定义为在10dB衰减点上(90%频谱功率带宽)的带宽高出调制频率的20%的任何信号。UWB信号定义部分带宽或什么是UWB？UWB通信信号最初采用的是其它名称，如脉冲无线电、基带通信、无载波传输和脉冲调制。事实上，直到20世纪80年代末，UWB一词才开始用于这种不同寻常的、带宽飞速增长的信号类别。许多UWB设计方法与传统无线链路差异明显，其不采用普遍应用的超外差频率转换结构。但是，现代超外差无线电结构现在可以生成与超短脉冲的直接基带调制拥有类似带宽的信号。由于可以通过各种方式生成UWB信号，因此USFCC频谱管理局选择基于带宽定义UWB，而不是基于无线电结构或调制格式定义UWB。UWB信号定义为相对带宽大于20%的信号。这么宽的相对带宽单独分配在当前拥挤的无线电频谱中是不能实现的，因此UWB被迫重叠分配的其它业务频段，这就有了潜在的干扰可能性。前面我们已经提到，解决这个问题的方案是把UWB信号限定在低功率短程通信，并依赖UWB对窄带信号固有的抗干扰能力。USFCC对UWB的定义非常简单，其结果是：当前UWB使用了大量不同的调制技术和硬件结构。超宽带技术和测试解决方案技术简介图9.使用PPM生成TH-UWB的过程很简单，即编码、扩展、调制和整形构成信号的短脉冲。注意怎样在没有上变频的基带上完成信号创建工作。图10.脉冲信号的带宽与时域中的脉宽呈反比的关系。因此，改变时域脉冲形状可以控制UWB信号的功率谱密度。TH-UWB信号生成数字数据输入重复编码扩展编码PPM调制器脉冲整形流行的UWB方法有几种不同的方法生成超宽带信号。让我们考察三种不同的流行的超宽带信号调制方法：跳时UWB(TH-UWB)、直序UWB(DS-UWB)和多带正交频分复用UWB(MB