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UWB信號的產生方式 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行通信，通常通過脈沖位置調制(PPM)、脈沖極性調制或脈沖幅度調制(PAM)等調制方式攜帶信息。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，所以有很強的多徑信道分辨能力和抗多徑性能。因為不需要調制載波和本振，所以收發信機結構簡單、成本較低，同時系統的功耗比傳統的無線電系統要低得多。另外，這種脈沖信號穿透能力強，定位和測距精度很高，可以達到 cm量級，同時可以在動態中實現定位功能。但是基帶脈沖中包含較多的低頻分量，所以在FCC關于UWB通信功率譜的規定下，頻譜利用率不高，但可以通過脈沖波形優化設計加以改善。 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，對于遠距離的探測和通信并不適用。因此在軍事領域，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用場合，其基本的表現形式有線性調頻等。對于線性調頻的脈沖壓縮體制，可以在比較寬的時間內實現相應的線性調頻，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等超寬帶系統特有的優點。除此之外，由于線性調頻的調制時長可以根據需求定義，因此其信號能量遠大于基帶脈沖形式，可以滿足遠距離的目標探測需求。如圖1所示為基于DDS產生的超寬帶雷達信號實現框圖。 調制載波形式 通過調制載波可以將UWB信號搬遷到合適的頻段進行傳輸，可以更加有效靈活地利用頻譜資源。同時可以利用現有通信系統中采用的方法，技術成熟度、工藝穩定度很高，在實現高速系統方面更容易些。2003年IEEE 802.15.3a工作組征集提案時，Intel、TI和Xtreme Spectrum分別提出了多頻帶、正交頻分復用(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兩大聯盟。 從技術上來講，MB-OFDM和DS-CDMA無法彼此妥協。通過這幾年的發展，MB-OFDM已經逐漸取代DS-CDMA成為未來無線寬帶的熱門技術。圖2為MB-OFDM系統的信號結構。 ● MB-OFDM 超寬帶系統 MB-OFDM的核心是把頻段分成多個528MHz的子頻帶，每個子頻帶采用時頻交織正交頻分復用(Time-Frequency Interpolation OFDM)方式，數據在每個子帶上傳輸。傳統意義下的UWB系統使用周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個子帶來實現帶寬的動態分配，增加了符號的時間，長符號時間的好處是抗符號間干擾(Inter-Symbol Interference，ISI)能力較強。MB-OFDM技術上易于實現、功耗很低，頻帶的利用率高，多個頻率子帶并列，可以避開某些頻帶，靈活配置，速率的擴展性好。但是這種性能的提高是以收發設備的復雜性為代價的，而且還要考慮子信道間干擾(Inter-Channel Interference，ICI)的影響。MB-OFDM在性能方面具有優勢(初期速度高達480Mbits/s)，同時由于OFDM技術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。MB-OFDM技術在子帶上進行信息處理，簡化了接收機的數字復雜度，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建立相關標準。但是發射機的結構比較復雜 (多了IFFT，DAC)，易造成較高的峰值與均值比(PAR)，容易產生對其他系統的干擾，如果單純地降低發射功率，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而言，UWB系統具有信道容量大、傳輸數率高、抗干擾能力強、距離分辨率高等優勢，但也給系統測試提出了相應的挑戰。對于UWB系統的接收測試，需要能夠產生超寬帶信號的信號發生器，而對于UWB的發射測試，則需要超寬帶的信號分析設備。為了滿足相應的測試需求，R&S公司推出了相應的UWB系統測試解決方案，可以滿足客戶在不同研發和生產階段對于測試設備的需求，同時結合不同的選件滿足不同的應用需求。 超寬帶基帶信號測試解決方案AFQ100B 在UWB系統研制的初期，為了進行相應的波形設計和相應的算法分析，需要對基帶信號進行相應的仿真和計算，R&S公司新推出的IQ基帶信號源AFQ100B 具有更加優異的性能和更多的功能。選用AFQ100B的寬帶模式，其基帶時鐘速率可達600MHz，射頻帶寬可達528MHz，信號存儲深度可達1G采樣，適用于需要超長信號進行的BER測試。 對于滿足WiMedia Alliance(ECMA-368)標準的MB-OFDM系統，可以加配相應的AFQ-K264選件配置滿足標準的超寬帶信號，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。對于軍事領域所采用的基帶脈沖體制UWB系統，可以通過AFQ-K6選件產生雷達應用的窄脈沖信號、復雜的脈沖序列信號，滿足軍事領域的應用。如圖4所示為使用AFQ-K6選件設計復雜的脈沖序列實現UWB信號波形。 對于其他體制的UWB系統，結合AFQ的ARB模式，可以完成我們需要的絕大多數UWB波形設計及相應的信號處理任務。另外，AFQ100B可以提供包括數字IQ和模擬IQ等多種數據接口供客戶進行自由選擇。 超寬帶射頻接收系統測試解決方案AFQ100B+SMBV100A 在UWB系統研制的中期，為了驗證整個接收系統的性能，我們需要超寬帶的射頻信號產生裝置。R&S公司新推出的矢量信號源SMBV100A的外部調制帶寬達到528MHz，結合R&S AFQ100B寬帶I/Q源，SMBV可以產生帶寬高達528 MHz的射頻信號。 超寬帶射頻發射系統測試解決方案ZVT 在UWB系統的設計中，對于UWB的發射信號分析也是其中的重要一環。由于超寬帶系統的信號帶寬很大，如果直接進行數字采樣，需要極高的采樣率，同時給后續的數據傳輸和數據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進行相應的信號處理，也就是說把超寬帶信號分成幾個頻帶，每個頻帶對應一個相應的信道化接收機。然后通過不同的本振將不同頻帶混頻至一個較低的頻率進行相應的采樣和信號處理，如圖5所示為信道化接收機的實現框圖。 對于信道化接收機而言，如果要保證后續處理的準確性，需要各個信道接收機的性能盡可能保持一致，因此對于信道化接收機的一致性測試成為測試的主要內容。R&S公司推出的8端口矢量網絡分析儀ZVT，其內部包含四個獨立的源，并且每個源的功率、頻率和相位均可以自由設置，因此可以使不同的源作為信道化接收機的輸入RF信號和LO信號，進而進行相應的通道一致性測試，從而完成UWB系統的發射測試。 對于窄脈沖信號實現的UWB系統，如何測量脈內信號的質量也是我們需要關注的問題。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參數進行測試。其功能相當于時間分辨率為12.5ns、測試帶寬為30MHz的示波器。脈沖S參數測試的實現框圖如圖6所示。 |
