新型解決方案加速UWB實體層驗證

超寬頻(UWB)技術最初是針對雷達等軍事應用所開發的。2002年2月，美國聯邦通訊委員會(FCC)正式將這項技術解禁，使其能夠廣泛使用在商用和民用設備上。

在這項技術釋出的同時，正逢無線傳輸技術在資訊與消費性電子之間掀起應用熱潮的關鍵時刻，包括無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)等無線技術在筆記型電腦和手機上的應用正處於起飛階段，使得無線傳輸技術正式在資通訊及消費性市場上開啟了全新商機。自此而後，超寬頻技術在無線領域所受到的討論愈來愈多，而在歷經多年的研發之後，這項技術也具備了極大的發展潛力。

在實體層部份，根據FCC的定義，在3.1GHz~10.6GHz的頻帶上，UWB有極小的EIRP(-41.3dbm/MHz)。在高資料速率的要求下，UWB調變可透過多路填充的分散傳輸通道方式提供高資料速率。它能夠實現無線區域網路、區域網路(LAN)和個人區域網路(PAN)中無線介面的互相連接和接取，其特點是低功耗、高頻寬、低複雜度，很容易實現100Mbps以上的高速寬頻無線通訊。

在美國，FCC已開放了大量頻譜段(從3.1GHz~10.6GHz，見圖1)，於是，UWB系統能以免授權方式使用這些頻段，但僅限於美國地區，而且這種應用只受制於輻射功率等限制。在全球多數國家中，管理機構都正在考慮類似的提議，但美國的分配方法是最靈活的，遠超過其他地區。

2004年，德州儀器(Texas Instruments)公司內部的一個工作小組提出了一項草案。該草案提議採用OFDM(正交頻分多工)技術，並指出這種方法也可以用一個寬頻擴頻訊號來實現高資料速率，同時符合FCC的頻譜規範。OFDM是一種廣為人知的技術，其許多特性均使其具備極大吸引力，例如它所需求的主要功能之一DSP功能模組，就已經是一種相當成熟的技術。

USB和藍牙均選擇了OFDM-UWB，這是WiMedia聯盟認可的格式，而WiMedia是已經明確表態支援OFDM方案的組織之一。

英特爾(Intel)主推的無線USB規格將採用UWB射頻媒介作為無線實體層，UWB現在預期的480Mbps資料速率正好與USB 2.0相匹配。對於已經是一種無線規範的藍牙來說，UWB將可提供一種替代的射頻通道，以高速或突發方式傳輸大型文件。

ECMA-368標準規範了MB-OFDM的實體層(PHY)和媒體存取控制層(MAC)。該標準規定這種系統提供53.3Mbps、80Mbps、106.7Mbps、160Mbps、200Mbps、320Mbps和480Mbps的資料傳輸速率。其中200Mbps及以下資料速率的調變方式為QPSK，而其餘高速資料速率則使用DCM(雙載波調變)。

在MB-OFDM系統中，每個寬度為528MHz的‘頻段’(band)包含128個相距4.125MHz的128個子載波。其中100個為資料載波(data carrier)，12個為引導載波(pilot sub carrier)，10個為保護子載波(guard sub carrier)。從3.168GHz到10.560GHz的範圍上，總共包含了14個這種頻段。依照FCC的分配，前12個這種頻段被分為4個三頻段組(band group)，再加一個兩頻段組，一共是五個頻段組。詳細情況見圖1。

圖1：FCC開放的頻段(僅美國) 。

全球各個國家的法規制定機構正在考慮各種分配請求，通常情況下會採用這些頻段的某些子集(見圖2)。

圖2：各地可使用的頻段(綠色代表可用)。

歐洲的提議是建立一個等效於3.1GHz~4.8GHz之間標準頻段組1的分配，並增加了較低的兩個頻段(最高4.2GHz)限制，此外，還需要解決方案來實現對頻段內既有訊號的檢測與迴避(DAA)。如果這項提議獲得核准，從2010年開始，該方案還需要在第三個這類頻段中使用DAA；＃7∼＃10頻段則可以自由使用。日本和韓國的開放頻段目前也僅包含＃9∼＃13頻段。如果從當前法規的制定情況來看，＃9、＃10和＃11很可能成為通用的‘全球性’頻段，因此，有一種說法是這三個頻段會被投票選舉為新的‘頻段組6’。

在應用上，由於受到眾多產業領導者的支援，MB-OFDM預計在未來將獲得廣泛應用。它的匯聚平台，提供公平、共存和支援多應用層(無線USB、無線1394、IP等)的特性，使它在個人電腦、消費電子、行動設備和汽車電子市場的UWB使用等方面具有非常樂觀的前景。

UWB(超寬頻)無線技術正以其高傳輸速率、低功率、小範圍特點，獲得越來越多新興無線技術的青睞。但其非常高的調變頻寬(通常高於500MHz)和相對頻寬(>20%)，又為研發和測試UWB產品帶來了很多挑戰。在面對UWB的實體層特性時，傳統的通用測試方法往往顯得力不從心。

首先是訊號接收和分析：傳統的頻譜分析儀是窄頻接收機，無法測量超寬頻訊號的即時頻譜，最多只能使用‘最大保持’等功能獲得MB-OFDM訊號的頻譜包絡。

向量訊號分析儀的即時分析頻寬通常不超過120MHz，只能勉強測量一些低速率訊號在某個特定時刻的調變域特性，無法完全滿足MB-OFDM的實體層驗證要求。

在訊號產生方面，MB-OFDM也有很高的要求。通用測試方法是使用向量訊號源。但目前主流向量訊號源內建的IQ基頻產生器通常只有產生幾十MHz調變頻寬的能力，對於MB-OFDM至少528MHz、動輒超過1.5GHz的要求難免力不從心。因此，可行的方案是高性能向量訊號源和高性能任意波形產生器的組合。

在探測方式上，由於高整合度，待測MAC/PHY的所有基本元件(圖3)通常都被封裝在單一晶片內。

圖3：射頻晶片功能結構圖。

因此有別於一般軟體無線電系統，驗證測試人員可能無法再在基頻、中頻和射頻上都有相應測試點─而射頻天線就成為唯一可行的探測埠，用於進行互通作業驗證。

最後，由於無線設備有別於當前的有線應用(如高速串列設備)。所以消費電子開發者如何利用既有工具提高儀器利用率，也是一款解決方案是否合理的重要考量。

新型實體層驗證方案

針對於MB-OFDM系統的測試挑戰，Tektronix公司提出了一種驗證測試方案：在接收機方面，使用通用儀器中的寬頻接收機─示波器作為訊號採集設備，搭配專為MB-OFDM訊號設計的解調軟體TDSUWB WiMedia V2進行訊號分析；在發射機方面，頻段組一可用最新的AWG7102直接產生，而更高的頻段組的訊號可用雙通道的AWG7000系列任意波形產生器配合調變器獲得。由於這些硬體測試設備也廣泛用於諸如高速串列訊號的研發測試，因此能提高設備利用率、最大化資源效能。這種通用測試系統的配置和工作原理見圖1。

本系統中，示波器的選擇非常重要。在通用有線測試中，示波器的選擇示波器通常遵循‘擷取訊號的三到五次諧波’規則。而當示波器作為射頻訊號接收機時，則遵循‘75%頻寬原則’，該原則意味著通常示波器的頻率響應(包括幅頻特性和相頻特性)，從直流到標定頻寬的75%處是較理想的，即趨近理想的平坦幅頻特性和線性相位響應。所以在選擇用來驗證MB-OFDM訊號的示波器時，就需要將使用頻帶的上限值除以0.75，得到示波器的最小頻寬要求。例如：BG5的最高載波頻率為10.56GHz，則作為接收機的示波器頻寬應該為(10.56GHz/0.75＝14.08GHz)；頻段最低的BG1(最高載頻約4.75GHz)訊號接收機也需要至少6.3GHz頻寬。

Tektronix的DPO/DSA71604、DPO/DSA72004是此類應用示波器市場上性能最強的選擇，它擁有超過16GHz的真實類比頻寬，可滿足所有UWB頻段組的需求，並覆蓋Ku波段及以下的通用應用；同時兼顧新一代串列標準(如PCIE II、SATA III、2x XAUI、FBD、XFI等)的三到五次或以上諧波的擷取；另外，MB-OFDM訊號中的突發傳送時間一般較長(如BeaconSlotLength為85us)，這就要求示波器具有更多記憶體深度，以擷取豐富的波形資訊供分析使用。在這方面，DPO/DSA70000系列配備了標準的10M與可選的200M高速記憶體，能以50GS/s的採樣率擷取8ms的訊號。

Tektronix同時針對MB-OFDM訊號分析提供了TDSUWB WiMedia V2自動分析軟體。該軟體可進行‘一鍵式’驗證測量工作。針對指定的數據封包或所有擷取的數據封包，它可實現的功能包括：自動識別頻段組；自動識別時間頻率碼(TFC)；自動分析調變模式、調變速率並進行解調；顯示星座圖、運算向量振幅誤差的RMS和峰值(EVM)；並可將所有分析的數據(包括分析時間、訊號來源及以上所有分析結果)歸檔(圖5)。

圖4：可滿足MB-OFDM訊號驗證和高速串列訊號測試的通用閉環測試系統。

圖5：MB-OFDM訊號分析。

同時，該軟體也具有通用的即時頻譜分析功能，可分析MB-OFDM頻譜特性、自動套用PSD(功率譜密度)模板以進行頻譜一致性測試(圖6)；還可分析諸如線性調頻訊號等隨時間變化之RF訊號的時頻特性(圖7)。

圖6：發射訊號 PSD模板一致性測試(頻帶二) 。

圖7：TDSUWB套裝軟體的即時頻譜分析功能，Chirp訊號異常一目瞭然。

訊號源方面，Tektronix的AWG7000系列則提供了最高20G採樣速率，可以直接產生頻段組一的訊號(見圖8)。

圖8：示波器直接擷取、由AWG7102輸出的BG1訊號。

對於更高頻段的訊號，AWG7000系列中的雙通道型號可輸出I、Q各2.5G(4倍過採樣率下)的基頻供調變器調變，輕鬆解決了UWB(包括MB-OFDM、DS和脈衝等各種格式)的超高調變頻寬需求。同時，AWG7000在高速預加重/去加重、脈衝振幅調變(PAM)和磁碟等傳統訊號源難以實現的訊號產生方面也具備多種優勢。

本文小結

隨著技術的深入發展，越來越多的半導體和消費電子供應商將會遇到來自超寬頻無線電的挑戰。

好的測試和驗證設備可協助開發者快速解決問題、縮短將產品上市時間並提高營收。Tektronix已提供了可驗證MB-OFDM系統實體層的解決方案，同時兼顧了通用高速訊號測試的需求，使用戶在不增加過多投資的情況下，輕鬆迎接挑戰。

Tektronix公司供稿