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，所以有很強的多徑信道分辨能力和抗多徑性能。因為不需要調(diào)制載波和本振，所以收發(fā)信機結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，同時系統(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，定位和測距精度很高，可以達到cm量級，同時可以在動態(tài)中實現(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(xiàn)形式有線性調(diào)頻等。對于線性調(diào)頻的脈沖壓縮體制，可以在比較寬的時間內(nèi)實現(xiàn)相應的線性調(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等超寬帶系統(tǒng)特有的優(yōu)點。除此之外，由于線性調(diào)頻的調(diào)制時長可以根據(jù)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(chǎn)生的超寬帶雷達信號實現(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(xiàn)有通信系統(tǒng)中采用的方法，技術成熟度、工藝穩(wěn)定度很高，在實現(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，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(lián)盟。

　　從技術上來講，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。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(shù)據(jù)在每個子帶上傳輸。傳統(tǒng)意義下的UWB系統(tǒng)使用周期不足1ns的脈沖，而MB-OFDM通過多個子帶來實現(xiàn)帶寬的動態(tài)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(xiàn)、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(fā)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(yōu)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(shù)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(nèi)建立相關標準。但是發(fā)射機的結(jié)構(gòu)比較復雜(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、距離分辨率高等優(yōu)勢，但也給系統(tǒng)測試提出了相應的挑戰(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(tǒng)測試解決方案，可以滿足客戶在不同研發(fā)和生產(chǎn)階段對于測試設備的需求，同時結(jié)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)，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(tǒng)，可以通過AFQ-K6選件產(chǎn)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(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波形設計及相應的信號處理任務。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，為了驗證整個接收系統(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)制帶寬達到528MHz，結(jié)合R&S AFQ100B寬帶I/Q源，SMBV可以產(chǎn)生帶寬高達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)的設計中，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，如果直接進行數(shù)字采樣，需要極高的采樣率，同時給后續(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(xiàn)框圖。

　　對于信道化接收機而言，如果要保證后續(xù)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(nèi)容。R&S公司推出的8端口矢量網(wǎng)絡分析儀ZVT，其內(nèi)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(tǒng)的發(fā)射測試。

　　對于窄脈沖信號實現(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(shù)測試的實現(xiàn)框圖如圖6所示。