【行業(yè)方案】UWB終端生產(chǎn)測(cè)試方案簡(jiǎn)介

Part 01

UWB技術(shù)概覽

UWB（Ultra-Wideband，超寬帶）是名副其實(shí)的“寬帶”技術(shù)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/UWB">UWB信號(hào)占用很寬的頻譜資源，提供較大的通信帶寬。 它的發(fā)展歷程很長(zhǎng)，上個(gè)世紀(jì)90年代，美國(guó)有些機(jī)構(gòu)就提出UWB的技術(shù)構(gòu)想。在它的商業(yè)化道路上，曾有多種不同技術(shù)路線獨(dú)立發(fā)展，近年來(lái)使用脈沖無(wú)線電（Impulse Radio）形式的IR-UWB得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。 本文討論的是IR-UWB技術(shù)及其測(cè)試方案，為表述方便，以下用UWB指代IR-UWB。

一般情況下，UWB脈沖信號(hào)的頻譜寬度大于500 MHz，脈沖時(shí)間約2 ns。常見(jiàn)的UWB脈沖信號(hào)工作頻率為7987.2 MHz（信道9）和6489.6 MHz（信道5），其中信道9要求強(qiáng)制支持。

UWB單一脈沖被定義為“Chip”，連續(xù)若干個(gè)“Chip”構(gòu)成了符號(hào)“Symbol”。UWB使用BPM-BPSK調(diào)制方式，不同的“Chip”使用不同的電壓極性，在不同的時(shí)域位置出現(xiàn)，脈沖電壓極性和位置攜帶信息。UWB脈沖的重復(fù)頻率（Pulse Repetition Frequency，PRF）有62.4、124.8和249.6 MHz等多種。

UWB脈沖可以有多種形態(tài)，脈沖邊界、主旁瓣時(shí)間與相對(duì)功率的關(guān)系，有明確而嚴(yán)格的模板約束。脈沖信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以通過(guò)相關(guān)規(guī)范查詢到。

UWB芯片商宣稱UWB技術(shù)能提供幾厘米距離和幾度角度之內(nèi)的定位精度。UWB測(cè)距和測(cè)向的原理并不復(fù)雜。通過(guò)測(cè)量無(wú)線電信號(hào)往返測(cè)距雙方所用飛行時(shí)間（Time of Flight, ToF）得到距離；通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)角（Angle of Arrival, AoA）確定方向。測(cè)向?qū)K端硬件的要求更高，需發(fā)起方至少有兩根接收天線，天線間接收信號(hào)的距離差結(jié)合天線間距可算出角度。測(cè)距則沒(méi)有天線數(shù)量的要求。

Part 02

UWB技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

已商用場(chǎng)景之一：車輛無(wú)鑰匙接入，目前在海外汽車品牌的高端款型上應(yīng)用較多

前幾代無(wú)鑰匙接入使用LF、NFC和BLE等技術(shù)，但它們對(duì)抗干擾和防范信息盜竊的能力比UWB差，所以UWB也被加入車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Car Connectivity Consortium）新規(guī)范當(dāng)中。工作時(shí)，車輛使用者的手機(jī)和汽車的 UWB模塊互聯(lián)，并不斷計(jì)算兩者間距離，當(dāng)距離小于一定閾值并確認(rèn)身份后，相應(yīng)位置車門打開(kāi)，使用者在車內(nèi)還可通過(guò)UWB更進(jìn)一步操作車輛，比如無(wú)鑰匙啟動(dòng)引擎，整個(gè)過(guò)程用戶體驗(yàn)的科技感十足。

已商用場(chǎng)景之二：遙控鼠標(biāo)

人機(jī)互動(dòng)時(shí)，使用有UWB功能的遙控器可以精確定位屏幕上光標(biāo)位置，相當(dāng)于把遙控器變成了手感靈敏的“鼠標(biāo)”。

其它一些潛在的應(yīng)用場(chǎng)景 還包括集成于VR/AR終端，如頭顯、智能眼鏡、游戲設(shè)備或手機(jī)；短距數(shù)據(jù)傳輸、支付等。

Part 03

UWB產(chǎn)品的規(guī)范要求

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)簇： 描述了UWB物理層（PHY）和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）的功能和技術(shù)要求

這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)簇目前包括15.4、15.4z和15.4ab等三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，前兩者已經(jīng)有很多成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，15.4ab則還在規(guī)范化當(dāng)中，預(yù)計(jì)2025年可以凍結(jié)。15.4z相比15.4，顯著的變化是在物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）上增加加擾時(shí)間戳序列（STS），用于安全測(cè)距和加密；而15.4ab相對(duì)15.4z，提供更高的脈沖重復(fù)速率，并增加感知和雷達(dá)等新技術(shù)。

802.15.4標(biāo)準(zhǔn)簇的物理層相關(guān)章節(jié)定義了UWB的工作頻率；功率譜密度（PSD，-41.3 dBm/MHz, 0 dBm/50 MHz）；發(fā)射功率譜密度模板；時(shí)域脈沖形態(tài)；靈敏度及最大輸入電平等多個(gè)重要指標(biāo)，這些也是UWB射頻測(cè)試的根本依據(jù)。

Fine Ranging Consortium： 精確測(cè)距聯(lián)盟，簡(jiǎn)寫(xiě)為FiRa

作為致力于UWB定位應(yīng)用推廣的產(chǎn)業(yè)組織，F(xiàn)iRa對(duì)UWB的物理層、MAC層一致性測(cè)試作出了要求，并認(rèn)證測(cè)試平臺(tái)，認(rèn)可測(cè)試機(jī)構(gòu)資質(zhì)。FiRa的射頻一致性測(cè)試規(guī)范，既覆蓋了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)簇的要求，又有專門針對(duì)測(cè)距需求的測(cè)試項(xiàng)目。

Car Connectivity Consortium： 車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，縮寫(xiě)為CCC

作為致力于完成車輛和使用者之間通過(guò)智能方式連接的行業(yè)組織，CCC規(guī)范對(duì)UWB的在車相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用有重要影響。

Part 04

UWB測(cè)距帶來(lái)的挑戰(zhàn)

UWB測(cè)距的最大挑戰(zhàn)是如何“精確”的測(cè)量時(shí)間。 真空中電磁波以光速傳播，即29.98 cm/ns；導(dǎo)線介質(zhì)（比如聚四氟乙烯材料）中電磁波速率為光速的0.701倍，即21.02 cm/ns?？紤]到芯片商將UWB芯片測(cè)距指標(biāo)定在10 cm以內(nèi)，測(cè)距時(shí)間需要以零點(diǎn)幾個(gè)納秒來(lái)度量。

為保證時(shí)間的精確，生產(chǎn)時(shí)需要校準(zhǔn)每個(gè)UWB終端的“天線時(shí)延”值（即終端接收天線到基帶部分之間的路徑時(shí)延）并補(bǔ)償?shù)経WB芯片當(dāng)中，如果跳過(guò)這一步，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)距結(jié)果會(huì)偏差幾十厘米甚至更多。校準(zhǔn)“天線時(shí)延”時(shí)，儀表和待測(cè)件之間信號(hào)路徑用時(shí)需提前精確計(jì)量。像線纜、合路器、衰減器等傳導(dǎo)方式下使用的微波器件，可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)出其耗時(shí)。而對(duì)于測(cè)試天線，則需天線廠家告知天線的“相位中心”和時(shí)延數(shù)值。

Part 05

R&S UWB射頻綜測(cè)儀及附件

R&S射頻綜測(cè)儀CMP200支持UWB的實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)線測(cè)試。它可根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行UWB發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的射頻指標(biāo)的檢驗(yàn)，還可以完成ToF飛行時(shí)間，“天線時(shí)延”校準(zhǔn)、AoA到達(dá)角等多重測(cè)試任務(wù)，具有功能多樣，結(jié)構(gòu)靈活，界面友好，結(jié)果準(zhǔn)確，速度快等特點(diǎn)。

CMP200內(nèi)置一套信號(hào)源、信號(hào)分析儀。應(yīng)用于UWB測(cè)量時(shí)，工作頻率范圍4~20 GHz，分析帶寬1000 MHz。CMP200有3組射頻接口，并可通過(guò)外置擴(kuò)展單元CM-Z310A將射頻口擴(kuò)展到12個(gè)。CMP200內(nèi)置Linux操作系統(tǒng)，通過(guò)外置顯示器和鍵盤(pán)鼠標(biāo)，或LAN遠(yuǎn)程操作。

進(jìn)行UWB射頻測(cè)試時(shí)，CMP200提供多個(gè)獨(dú)立測(cè)量工具，同時(shí)呈現(xiàn)于人機(jī)界面上，直觀展示信號(hào)的多個(gè)射頻指標(biāo)，包括PPDU功率及功率譜密度，頻譜模板，時(shí)域脈沖模板，Chip和Symbol級(jí)別時(shí)基抖動(dòng)等。CMP200還可播放預(yù)制波形文件，對(duì)UWB終端接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

測(cè)距時(shí)，CMP200提供多個(gè)PPDU單元連續(xù)捕獲分析工具，配合CM-Z300A合路器和WMT測(cè)試軟件，精確測(cè)量CMP200和待測(cè)件測(cè)距交互過(guò)程中的飛行時(shí)間，從而獲得距離，校準(zhǔn)待測(cè)件的“天線時(shí)延”。

CMP200具備多終端并行測(cè)試的能力，使用R&S專有的“Smart Channel”功能， CMP200可對(duì)來(lái)自不同終端的儀表資源請(qǐng)求進(jìn)行自主分配，無(wú)需開(kāi)發(fā)人員重構(gòu)代碼，大幅提高程序開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。

除儀表外，我們還為UWB整機(jī)輻射測(cè)試提供屏蔽箱和天線。屏蔽箱有ATS800、CMQ200和TS7124等多種。前兩款產(chǎn)品頻率范圍最高到毫米波頻段；后者工作頻段較低，也適合傳統(tǒng)移動(dòng)通信設(shè)備的測(cè)試。天線也有多種型號(hào)，針對(duì)UWB，推薦TS-F24-V2型寬帶Vivaldi天線，它具有增益高，帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)。TS-F24-V2出廠都經(jīng)過(guò)R&S工廠嚴(yán)格檢測(cè)，可提供準(zhǔn)確的相位中心和時(shí)延數(shù)據(jù)。

Part 06

R&S UWB技術(shù)推廣成功案例

作為深耕無(wú)線電測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域九十多年的領(lǐng)先企業(yè)，R&S公司攜手業(yè)內(nèi)同仁持續(xù)推動(dòng)UWB技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，獲得了廣泛認(rèn)可。

在產(chǎn)業(yè)鏈上游，我們和精確測(cè)距聯(lián)盟、車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟等標(biāo)準(zhǔn)組織以及多家著名檢測(cè)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期合作，CMP200以及配套測(cè)試軟件WMT已被認(rèn)可為精確測(cè)距聯(lián)盟FiRa射頻一致性測(cè)試平臺(tái)，并被普遍采用。我們和UWB芯片提供商（如Decawave，現(xiàn)為美國(guó)Qorvo公司一部分）緊密協(xié)同，合作開(kāi)發(fā)UWB測(cè)試方法和工具。我們和來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的終端企業(yè)，如三星、博世等公司深度合作，共同賦能UWB終端從產(chǎn)品研發(fā)到生產(chǎn)的全鏈條質(zhì)量保證和效率提升。近年來(lái)，我們還積極在各大公共展覽平臺(tái)，如CES，MWC，Expo Europe等會(huì)展活動(dòng)中向公眾展示我們?cè)赨WB測(cè)量領(lǐng)域的尖端技術(shù)和能力。

Part 07

R&S UWB 終端生產(chǎn)射頻測(cè)試方案

針對(duì)UWB終端生產(chǎn)射頻測(cè)試，除了儀表和附件外，還需要自動(dòng)化測(cè)試軟件。我們的WMT軟件可以完成對(duì)儀表和終端的操控。WMT是一款基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的半定制化工具，支持多款R&S儀表（CMP200，CMW100，NGx系列電源等），支持多家公司的UWB芯片（如NXP公司的29Dx、SRxx系列；Qorvo公司的DW、QM系列等）。測(cè)試任務(wù)通過(guò)運(yùn)行測(cè)試腳本完成。WMT提供用戶操作界面，測(cè)試結(jié)果除打印到界面之外，還可以多種常見(jiàn)或自定義格式保存到生產(chǎn)線數(shù)據(jù)庫(kù)。測(cè)試腳本可以在軟件界面中編輯，通過(guò)調(diào)整測(cè)試腳本中各節(jié)點(diǎn)順序，修改各節(jié)點(diǎn)屬性（如Tx/Rx項(xiàng)目，待測(cè)件信號(hào)特征，接收機(jī)測(cè)試功率等）靈活實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)。WMT程序結(jié)構(gòu)上支持多任務(wù)并行，可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)終端。

典型的UWB終端生產(chǎn)流程里包括電路板和整機(jī)兩階段射頻測(cè)試，一般先對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后再對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)指標(biāo)，測(cè)距，到達(dá)角等進(jìn)行一遍驗(yàn)證。上述測(cè)試任務(wù)都可以在電路板和整機(jī)狀態(tài)下完成。

下面這張圖片展示的就是WMT控制CMP200同時(shí)測(cè)試3支UWB終端，完成收發(fā)信機(jī)射頻指標(biāo)測(cè)試的結(jié)果。

結(jié) 語(yǔ)

盡管UWB不是一種新的技術(shù)，但近幾年伴隨它和消費(fèi)電子產(chǎn)品及車輛等不同形態(tài)終端的結(jié)合，UWB應(yīng)用場(chǎng)景出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。UWB信號(hào)短脈沖、大帶寬的特征、以及應(yīng)用于定位時(shí)對(duì)測(cè)試精度的高要求使UWB終端的生產(chǎn)測(cè)試變得極具挑戰(zhàn)性，傳統(tǒng)測(cè)試工具無(wú)法勝任。

R&S公司為UWB終端射頻測(cè)試提供了從儀表、屏蔽箱、測(cè)試天線等硬件到WMT自動(dòng)化測(cè)試軟件的全套解決方案。生產(chǎn)型客戶用WMT并依托CMP200等硬件的優(yōu)良性能可以快速開(kāi)展生產(chǎn)，既確保測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，又提升效率，從而獲得自身產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)。