【行業(yè)方案】UWB終端生產測試方案簡介

Part 01

UWB技術概覽

UWB（Ultra-Wideband，超寬帶）是名副其實的“寬帶”技術，因為UWB信號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，上個世紀90年代，美國有些機構就提出UWB的技術構想。在它的商業(yè)化道路上，曾有多種不同技術路線獨立發(fā)展，近年來使用脈沖無線電（Impulse Radio）形式的IR-UWB得到了越來越多的應用。 本文討論的是IR-UWB技術及其測試方案，為表述方便，以下用UWB指代IR-UWB。

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

UWB單一脈沖被定義為“Chip”，連續(xù)若干個“Chip”構成了符號“Symbol”。UWB使用BPM-BPSK調制方式，不同的“Chip”使用不同的電壓極性，在不同的時域位置出現(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、主旁瓣時間與相對功率的關系，有明確而嚴格的模板約束。脈沖信號的數(shù)學表達式可以通過相關規(guī)范查詢到。

UWB芯片商宣稱UWB技術能提供幾厘米距離和幾度角度之內的定位精度。UWB測距和測向的原理并不復雜。通過測量無線電信號往返測距雙方所用飛行時間（Time of Flight, ToF）得到距離；通過測量信號到達角（Angle of Arrival, AoA）確定方向。測向對終端硬件的要求更高，需發(fā)起方至少有兩根接收天線，天線間接收信號的距離差結合天線間距可算出角度。測距則沒有天線數(shù)量的要求。

Part 02

UWB技術的應用場景

已商用場景之一：車輛無鑰匙接入，目前在海外汽車品牌的高端款型上應用較多

前幾代無鑰匙接入使用LF、NFC和BLE等技術，但它們對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)網聯(lián)盟（Car Connectivity Consortium）新規(guī)范當中。工作時，車輛使用者的手機和汽車的 UWB模塊互聯(lián)，并不斷計算兩者間距離，當距離小于一定閾值并確認身份后，相應位置車門打開，使用者在車內還可通過UWB更進一步操作車輛，比如無鑰匙啟動引擎，整個過程用戶體驗的科技感十足。

已商用場景之二：遙控鼠標

人機互動時，使用有UWB功能的遙控器可以精確定位屏幕上光標位置，相當于把遙控器變成了手感靈敏的“鼠標”。

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

Part 03

UWB產品的規(guī)范要求

IEEE 802.15.4標準簇： 描述了UWB物理層（PHY）和介質訪問控制子層（MAC）的功能和技術要求

這個標準簇目前包括15.4、15.4z和15.4ab等三個標準，前兩者已經有很多成熟的商業(yè)化產品，15.4ab則還在規(guī)范化當中，預計2025年可以凍結。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）上增加加擾時間戳序列（STS），用于安全測距和加密；而15.4ab相對15.4z，提供更高的脈沖重復速率，并增加感知和雷達等新技術。

802.15.4標準簇的物理層相關章節(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；時域脈沖形態(tài)；靈敏度及最大輸入電平等多個重要指標，這些也是UWB射頻測試的根本依據(jù)。

Fine Ranging Consortium： 精確測距聯(lián)盟，簡寫為FiRa

作為致力于UWB定位應用推廣的產業(yè)組織，F(xiàn)iRa對UWB的物理層、MAC層一致性測試作出了要求，并認證測試平臺，認可測試機構資質。FiRa的射頻一致性測試規(guī)范，既覆蓋了IEEE 802.15.4標準簇的要求，又有專門針對測距需求的測試項目。

Car Connectivity Consortium： 車聯(lián)網聯(lián)盟，縮寫為CCC

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

Part 04

UWB測距帶來的挑戰(zhàn)

UWB測距的最大挑戰(zhàn)是如何“精確”的測量時間。 真空中電磁波以光速傳播，即29.98 cm/ns；導線介質（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芯片測距指標定在10 cm以內，測距時間需要以零點幾個納秒來度量。

為保證時間的精確，生產時需要校準每個UWB終端的“天線時延”值（即終端接收天線到基帶部分之間的路徑時延）并補償?shù)経WB芯片當中，如果跳過這一步，根據(jù)工程經驗，測距結果會偏差幾十厘米甚至更多。校準“天線時延”時，儀表和待測件之間信號路徑用時需提前精確計量。像線纜、合路器、衰減器等傳導方式下使用的微波器件，可以用矢量網絡分析儀現(xiàn)場測出其耗時。而對于測試天線，則需天線廠家告知天線的“相位中心”和時延數(shù)值。

Part 05

R&S UWB射頻綜測儀及附件

R&S射頻綜測儀CMP200支持UWB的實驗室及生產線測試。它可根據(jù)規(guī)范要求進行UWB發(fā)射機、接收機的射頻指標的檢驗，還可以完成ToF飛行時間，“天線時延”校準、AoA到達角等多重測試任務，具有功能多樣，結構靈活，界面友好，結果準確，速度快等特點。

CMP200內置一套信號源、信號分析儀。應用于UWB測量時，工作頻率范圍4~20 GHz，分析帶寬1000 MHz。CMP200有3組射頻接口，并可通過外置擴展單元CM-Z310A將射頻口擴展到12個。CMP200內置Linux操作系統(tǒng)，通過外置顯示器和鍵盤鼠標，或LAN遠程操作。

進行UWB射頻測試時，CMP200提供多個獨立測量工具，同時呈現(xiàn)于人機界面上，直觀展示信號的多個射頻指標，包括PPDU功率及功率譜密度，頻譜模板，時域脈沖模板，Chip和Symbol級別時基抖動等。CMP200還可播放預制波形文件，對UWB終端接收機的靈敏度指標進行驗證。

測距時，CMP200提供多個PPDU單元連續(xù)捕獲分析工具，配合CM-Z300A合路器和WMT測試軟件，精確測量CMP200和待測件測距交互過程中的飛行時間，從而獲得距離，校準待測件的“天線時延”。

CMP200具備多終端并行測試的能力，使用R&S專有的“Smart Channel”功能， CMP200可對來自不同終端的儀表資源請求進行自主分配，無需開發(fā)人員重構代碼，大幅提高程序開發(fā)和生產效率。

除儀表外，我們還為UWB整機輻射測試提供屏蔽箱和天線。屏蔽箱有ATS800、CMQ200和TS7124等多種。前兩款產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)移動通信設備的測試。天線也有多種型號，針對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。TS-F24-V2出廠都經過R&S工廠嚴格檢測，可提供準確的相位中心和時延數(shù)據(jù)。

Part 06

R&S UWB技術推廣成功案例

作為深耕無線電測試與測量領域九十多年的領先企業(yè)，R&S公司攜手業(yè)內同仁持續(xù)推動UWB技術的發(fā)展創(chuàng)新，獲得了廣泛認可。

在產業(yè)鏈上游，我們和精確測距聯(lián)盟、車聯(lián)網聯(lián)盟等標準組織以及多家著名檢測機構長期合作，CMP200以及配套測試軟件WMT已被認可為精確測距聯(lián)盟FiRa射頻一致性測試平臺，并被普遍采用。我們和UWB芯片提供商（如Decawave，現(xiàn)為美國Qorvo公司一部分）緊密協(xié)同，合作開發(fā)UWB測試方法和工具。我們和來自不同應用領域的終端企業(yè)，如三星、博世等公司深度合作，共同賦能UWB終端從產品研發(fā)到生產的全鏈條質量保證和效率提升。近年來，我們還積極在各大公共展覽平臺，如CES，MWC，Expo Europe等會展活動中向公眾展示我們在UWB測量領域的尖端技術和能力。

Part 07

R&S UWB 終端生產射頻測試方案

針對UWB終端生產射頻測試，除了儀表和附件外，還需要自動化測試軟件。我們的WMT軟件可以完成對儀表和終端的操控。WMT是一款基于Python語言開發(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）。測試任務通過運行測試腳本完成。WMT提供用戶操作界面，測試結果除打印到界面之外，還可以多種常見或自定義格式保存到生產線數(shù)據(jù)庫。測試腳本可以在軟件界面中編輯，通過調整測試腳本中各節(jié)點順序，修改各節(jié)點屬性（如Tx/Rx項目，待測件信號特征，接收機測試功率等）靈活實現(xiàn)各項任務。WMT程序結構上支持多任務并行，可以同時測量多個終端。

典型的UWB終端生產流程里包括電路板和整機兩階段射頻測試，一般先對各類指標進行校準，校準后再對發(fā)射機和接收機指標，測距，到達角等進行一遍驗證。上述測試任務都可以在電路板和整機狀態(tài)下完成。

下面這張圖片展示的就是WMT控制CMP200同時測試3支UWB終端，完成收發(fā)信機射頻指標測試的結果。

結 語

盡管UWB不是一種新的技術，但近幾年伴隨它和消費電子產品及車輛等不同形態(tài)終端的結合，UWB應用場景出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的勢頭。UWB信號短脈沖、大帶寬的特征、以及應用于定位時對測試精度的高要求使UWB終端的生產測試變得極具挑戰(zhàn)性，傳統(tǒng)測試工具無法勝任。

R&S公司為UWB終端射頻測試提供了從儀表、屏蔽箱、測試天線等硬件到WMT自動化測試軟件的全套解決方案。生產型客戶用WMT并依托CMP200等硬件的優(yōu)良性能可以快速開展生產，既確保測試結果準確可靠，又提升效率，從而獲得自身產品的競爭力優(yōu)勢。