使用直接合成技術(shù)生成UWB-WiMedia信號(hào)

引言

本文重點(diǎn)介紹了直接生成基于WiMedia的UWB信號(hào)的測(cè)試測(cè)量需求。它討論了生成超寬帶跳頻信號(hào)可以使用的不同方法。為提供高數(shù)據(jù)速率，在2002年，F(xiàn)CC批準(zhǔn)在3.1～10.6GHz的頻譜中無(wú)須牌照使用UWB設(shè)備，前提是信號(hào)帶寬要高于載頻的25%，即部分帶寬=(F_H-F_L)/FC>25%或總帶寬>1.5GHz。其中一種方法是采用多頻段OFDM技術(shù)的UWB-WiMedia。WiMedia規(guī)范把UWB頻譜分成6個(gè)頻段組，其中5個(gè)(第1個(gè)到第4個(gè)及第6個(gè))頻段組由3個(gè)頻段組成，第5個(gè)頻段組由兩個(gè)頻段組成。每個(gè)頻段的帶寬為528MHz。物理層采用OFDM技術(shù)，在528MHz的每個(gè)頻段中有122個(gè)音調(diào)。然后使用時(shí)間頻率代碼(TFC)分布OFDM包。它一共定義了兩種擴(kuò)頻：一種用于三個(gè)頻段上的跳頻，稱(chēng)為時(shí)間頻率通道復(fù)用(TFI)；另一種在單個(gè)頻段中發(fā)送，稱(chēng)為固定頻率通道復(fù)用(FFI)。
對(duì)5個(gè)頻段組(第1個(gè)到第4個(gè)及第6個(gè))，共定義了10個(gè)TFC，其中包括7個(gè)TFI和3個(gè)FFI。對(duì)第五個(gè)頻段組，共定義了3個(gè)FFI，因此通道總數(shù)達(dá)到53個(gè)。

發(fā)射機(jī)WiMedia RF信號(hào)定義為：

信道化

每個(gè)頻段組可以使用最多10個(gè)不同的TFC代碼，定義獨(dú)特的邏輯通道。

下面的表1中列出了頻段組1的TFC和相關(guān)基本序列。

表1 頻段組1的TFC和相關(guān)基本序列

有3個(gè)頻段的TFC#1的符號(hào)表示如圖1所示。

圖1 3個(gè)頻段的TFC#1的符號(hào)表示

挑戰(zhàn)

生成測(cè)試各種設(shè)備的WiMedia信號(hào)是一個(gè)挑戰(zhàn)，其不僅用于一致性測(cè)試，還用來(lái)確定工作余量。目前，有兩種方式生成WiMedia信號(hào)。

第一種方法

第二種方法

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在第一種方法中，盡管它提供了任意波形發(fā)生器的所有優(yōu)勢(shì)，如創(chuàng)建包括失真和損傷的實(shí)際環(huán)境信號(hào)，但在RF上跳頻需要使用昂貴復(fù)雜的方法，如外部跳頻裝置，而WiMedia規(guī)范要求必須在RF上跳頻。盡管第二種方法能夠?qū)崿F(xiàn)跳頻信號(hào)，但它沒(méi)有AWG的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

這里的挑戰(zhàn)是怎樣同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了一種最佳途徑，通過(guò)使用任意波形生成技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)

在高達(dá)10GHz的載頻上合成帶寬超過(guò)1.5GHz的信號(hào)，超出了無(wú)線通信測(cè)試中使用的傳統(tǒng)矢量信號(hào)生成方法的能力。必需的調(diào)制和基帶帶寬、信號(hào)I和Q成分中任何幅度、定時(shí)和頻響未對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)的影響，都需要進(jìn)一步提高，得到的信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)要求的質(zhì)量水平。下面介紹了三種可能的UWB信號(hào)生成方法。

1. IQ基帶生成和正交調(diào)制:這是一種傳統(tǒng)矢量信號(hào)生成方法?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)跳頻：對(duì)每個(gè)符號(hào)以要求的頻率漂移合成基帶IQ對(duì)，或在IQ調(diào)制器上改變LO頻率。在跳頻信號(hào)的實(shí)際基帶生成中，要求使用雙通道AWG，采樣率應(yīng)在2GS/s左右，模擬帶寬約為1GHz。在IQ調(diào)制器上通過(guò)控制載頻實(shí)現(xiàn)跳頻，要求能夠在不到70ns的時(shí)間內(nèi)跳頻1GHz以上。由于采樣率和跳頻速度的局限性，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)方案只能生成非跳頻信號(hào)。在I和Q基帶成分中使用兩條不同的信號(hào)路徑時(shí)，他們的對(duì)準(zhǔn)是獲得滿意結(jié)果的關(guān)鍵。必需認(rèn)真進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間校準(zhǔn)，這要求額外的高性能分析設(shè)備，由于相關(guān)的溫度和時(shí)間漂移，可能要頻繁地進(jìn)行校準(zhǔn)。

2. IF生成和上變頻器:在這種方法中，使用單通道AWG生成UWB信號(hào)，輸送到覆蓋要求的頻率范圍的上變頻器中。AWG的實(shí)際要求取決于跳頻操作的實(shí)現(xiàn)方式。生成非跳頻信號(hào)要求的最低采樣率是1.5GS/s。生成跳頻信號(hào)要求兩倍的采樣率(>3.2GS/s)。這一系統(tǒng)中使用的上變頻器對(duì)非跳頻信號(hào)和跳頻信號(hào)分別要求最低750MHz和2GHz的上變頻帶寬。盡管這種方法還要求認(rèn)真校準(zhǔn)幅度和相位，才能實(shí)現(xiàn)最高的調(diào)制和頻譜精度，但其要求的苛刻程度要低得多，因?yàn)镮成分和Q成分本身是對(duì)準(zhǔn)的，并共享相同的信號(hào)路徑。這種策略的主要限制是處理頻譜中出現(xiàn)的信號(hào)圖像。通過(guò)使用覆蓋目標(biāo)頻段的帶通濾波器，可以使這種影響達(dá)到最小。作為校準(zhǔn)程序的一部分，可以補(bǔ)償帶通濾波器引入的幅度和群時(shí)延失真。

3. RF直接合成：在這種方法中，單通道AWG直接在最后頻率上生成UWB信號(hào)。AWG的速度和模擬帶寬要求主要取決于覆蓋的具體頻段組，而不是最后信號(hào)的跳頻特點(diǎn)。對(duì)頻段組#1(最大頻率為4752MHz)，需要最低10GS/s的采樣率和5GHz的模擬帶寬。頻段組#2要求15GS/s的采樣率和7GHz的模擬帶寬。泰克新推出的一流的AWG7102能夠以20GS/s的采樣率生成帶寬為5.8GHz的波形，因此可以以足夠的性能余量在頻段組#1中生成跳頻信號(hào)。RF直接合成的校準(zhǔn)要求很低。受控溫度行為、低時(shí)間漂移及不需要使用外部設(shè)備，使其能夠在工廠中進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持可以接受的信號(hào)質(zhì)量。詳情請(qǐng)參閱表2。

儀器設(shè)置

我們使用下述測(cè)試設(shè)置收集了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)試設(shè)置

測(cè)試設(shè)置:泰克AWG7102，采用通道復(fù)用時(shí)提供了20GS/s的采樣率；泰克TDS6154C，裝有WiMedia分析軟件。

所有WiMedia信號(hào)都是使用泰克任意波形發(fā)生器生成的。AWG7000系列任意波形發(fā)生器同時(shí)提供了無(wú)可比擬的采樣率、帶寬和信號(hào)保真度。由于5～20GS/s(10位)的采樣率及1～2條輸出通道，它可以輕松解決通信、數(shù)字消費(fèi)電子和半導(dǎo)體設(shè)計(jì)/測(cè)試行業(yè)中最棘手的測(cè)量挑戰(zhàn)?；赪indows(Windows XP)的開(kāi)放儀器簡(jiǎn)便易用，可以連接外設(shè)，并兼容第三方軟件。

所有分析都是使用高帶寬示波器完成的，其提供了40GS/s的采樣率、15GHz的帶寬、64M樣點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度和UWB分析功能。由于內(nèi)置基于DSP的實(shí)時(shí)補(bǔ)償技術(shù)，并在制造過(guò)程中執(zhí)行時(shí)域校準(zhǔn)程序，分析示波器引入的幅度和相位失真非常低。示波器的高精度和可溯源性使其能夠用于波形發(fā)生器校準(zhǔn)程序中。

實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果

基本實(shí)驗(yàn)結(jié)果由為不同位速率和調(diào)制方案(QPSK和DCM)收集的EVM數(shù)據(jù)集組成。所有數(shù)據(jù)都表明，RF直接合成將得到非常好的EVM，比標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的-19.5dB EVM要好大約-30dB，如表3所示。

圖3 頻段組1的頻段(RF直接合成)

由于AWG的高采樣率和帶寬，用戶還可以實(shí)現(xiàn)跳頻，而不必使用外部跳頻裝置。設(shè)置過(guò)程簡(jiǎn)單明了，控制和配置簡(jiǎn)便。通過(guò)使用泰克AWG 7102，在頻段組1中實(shí)現(xiàn)了非常好的平坦度，而沒(méi)有任何預(yù)失真。圖3顯示了泰克示波器上捕獲的信號(hào)頻譜。圖4顯示了星座圖。

圖4 480Mb/s EVM,星座圖

總結(jié)

本文中介紹的這種直接合成技術(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，可以生成干凈的優(yōu)質(zhì)UWB WiMedia跳頻頻段組1波形，并能夠靈活地增加受控干擾和失真。因此，它同時(shí)提供了第二節(jié)中描述的兩種方法的最佳特點(diǎn)。