直接生成WiMedia UWB信号的方法

　　虽然UWB保证了高数据传输速率，在实验室产生这些信号并维护其信号完整性是一个非常复杂的过程。一项独特方法利用任意波形(AWG)来产生WiMedia信号，但其保留了简单的专用UWB芯片组。利用这一基于AWG的独特WiMedia信号产生方法的RF设计工程师们将有几种选择，这包括了IQ-基带、IF和直接RF合成信号产生技术。 

　　为了提供高数据传输速率，美国联邦通讯委员会(FCC)在2002年批准了在3.1GHz到10.6GHz频段无需牌照即可使用UWB设备，只要信号带宽(BW)大于载波频率的25 ％(即部分带宽=(FH-FL)/FC>25％，或总BW> 1.5G Hz)。其中的方法之一就是UWB-WiMedia协议，其采用了多频带-OFDM技术。WiMedia规范将UWB频谱划分为六个频带组，其中有5个不同频带组(频带组1至4以及频带组6)，每个频带组包括了3个频带，而第六个频带组(频带组5)涵盖了两个频带。每个频带具有528MHz的带宽。 

　　物理层在每个528MHz频段内采用了具有122音的OFDM技术。然后，OFDM采用时频码(TFC)传播。两类传播的定义分别是：一种是利用超过3个频段进行跳频，并且称为时频交织(TFI)。另一种是在单一频段内进行发送，并且称为固定频率交织(FFI)。对于频带组1、2、3、4和6，定义了10种不同的TFC，具有7种 TFI和三种FFI。对于频带组5，定义了3种FFI，从而使总的信道数为53。 

　　公式1定义了发射机WiMedia RF信号： 

　　其中Re{…}表示信号的实部。TSYM是符号长度，Npacket是包中的符号数，fc(m)是第m个频段的中心频率，q(n)是将第n个符号映射到适当频段的函数，而sn(t) 是代表第n个符号的复数基带信号，其必须满足以下特性：对t<0和t TSYM，sn(t)=0。第n个符号的准确结构取决于其在包内的位置。 

　　在每个频带组内采用多达10种不同的TFC编码来规定独特的逻辑信道。 频带组1的TFC及有关基础序列如表1所示。三个波段中波段跳频的符号表示由TFC1确定，如图1所示。 

　　产生可以测试广泛UWB设备类型的WiMedia信号是一项挑战。这一实验不仅要建立起与协议所定义的一致性，还必须建立工作余度。目前，有两种方法可以生成WiMedia信号。这两种方法都有其自身的优点和缺点，向设计师提供了可用于不同测试要求的选择。 

　　第一种方法如图2中的上半部分所示。第一种方法提供了任意波形发生器的全部优点，例如创建真实世界的信号，其中包括了失真和恶化，以及在RF中的跳频(其是强制作为每个WiMedia 规范，并涉及使用昂贵而复杂的协议，例如外部跳频器)。尽管第二种方法采用了专门的UWB芯片组来用于待测设备(DUT)，如图2的下半部分所示，其提供了频带跳跃信号功能，但并不提供AWG所具备的功能灵活性及RF灵敏性。因此，其用于开发生成基于WiMedia UWB波形的混合方法，并且该方法要具备第一种方法所具有的能力，而还要保留第二种方法的简单性，这是非常理想的情况。具有这些特点的独特方法的实现将在以下讨论中加以论述。 

　　在载波频率高达10 GHz下，合成带宽超过1.5GHz的信号，这超过了无线通讯测试中所使用的传统矢量信号产生结构的能力。对于必要的调制和基带带宽，UWB- WiMedia信号的跳频特性以及信号I和Q成分的任意幅度、时间和频率响应失调的影响，需要更多的努力来达到UWB-WiMedia信号所要求的信号质量。除下列对产生UWB信号的潜在结构的说明外，表2列出了不同配置所要求的AWG的更多细节。 

结构1：IQ基带产生及正交调制 

　　这是传统的矢量信号发生器结构。可以实施的跳频技术方式有两种：通过合成符合每个符号频移要求的基带IQ对，或通过在IQ调制器中改变LO频率来实现。跳频信号基带生成的实际实现方式需要采样率大约2 Gsps且模拟带宽在1 GHz的范围内的双信道AWGS。在IQ调制器内通过控制载波频率来实现跳频，需要具有在小于70 ns内跳跃超过1GHz的能力。 

　　由于目前实现方式采样率和跳频速度的局限性，使其仅限于非跳频信号的生成。作为用于I和Q基带组分的两个独立信号通路，其对准是非常关键的，从而获得令人满意的结果。审慎而长期校准的过程所需要额外的高性能分析设备是必要的，并且可能经常要进行校准(由于有关的温度和时间延迟漂移)。 

结构2：IF生成馈电上变频器 

　　在此方法中，采用一个单一信道的AWG来产生UWB信号，提供给涵盖所需频率范围的上变频器。AWG的实际要求取决于跳频工作的实现。1.5Gsps的采样速度是用以产生非跳频信号的最起码要求。生成跳频信号需要两倍速率(大于3.2Gsps)。在这一系统所使用的上变频器对非跳频和跳频信号将要求至少750MHz或2GHz的上变频转换带宽。 

　　尽管这一方法还需要仔细的幅度和相位校准程序来达到最高水平的调制和频谱精度，但它的要求更为严格，这是因为I和Q成分都通过校准来定义，并共享相同的信道。该策略的主要限制是将显示在频谱中处理信号图像。通过使用覆盖目标频带的模拟带通滤波器，可能减少这一影响。带通滤波器所引入的幅度和群延迟失真，可作为校准程序的一部分来进行补偿。 

结构3：直接RF合成 

　　在这种配置下，在最终的频率下单一信道AWG直接产生UWB信号。AWG需求的速度和模拟带宽主要取决于所覆盖特定频带组，而不是最终信号的跳频特性。对于频带组1(最大频率 4.752MHz)，最低10Gsps的采样速率和5GHz的模拟带宽是必要的。频带组2需要15Gsps的采样速度和7GHz的模拟带宽。 

　　泰克公司的AWG7102在 20Gsps下能够产生5.8GHz带宽的波形，所以有可能在具有足够性能余度的频带组1内产生跳频信号。校准所需的直接RF合成很低。受控热行为、低漂移，以及去除了额外的外部设备，允许其只采用厂级校准来建立保持可接受的延长时间周期的信号质量。 

设备的设置与评估 

　　　采用如图3所示的测试装置采集实验数据，其实现了直接RF合成结构。采用泰克公司的AWG来生成全部WiMedia信号。AWG7000系列AWG具有极高的采样速率、带宽和信号保真度。例如，该设备具有由5Gsps至20Gsps(10位)的采样速率，还具有一个或两个输出信道。该设备还可运行在打开的Windows (Windows XP)下，并能与外设连接,兼容第三方软件。 

　　采用具有40Gsps和15Gsps带宽采样速率，64 mega采样记录长度以及UWB分析能力的高带宽数字采样示波器(DSO)来实现全部测试。由示波器所引入的幅度和相位失真很低，由于内置了实时、基于DSP的补偿技术，在生产过程中实现了时域校准程序。因此，示波器的高精度以及跟踪能力使得其适合波形发生器的校准程序。 

　　对EVM数据设备所收集的不同位速率和调制方案(QPSK和DCM)的基本实验结果进行归类。正如表3中数据所反映的，该设备产生的全部数据表明直接RF合成会产生优于标准所指定的- 19.5 dB EVM大约-30dB的EVM。由于AWG的高采样速率和带宽，该设备还具有跳频而无需外部频率跳跃器的能力。 

　　该设备易于控制和配置。在频带组1中使用泰克AWG7102，没有任何预失真就获得了良好的频率响应平坦度。图4表示了泰克示波器所捕获的该信号频谱。这种直接合成实现法通过了独一无二而简单的设备产生了纯净、高品质的UWB WiMedia跳频频带组1的波形。该实施方法还提供了向UWB WiMedia波形中增加受控干扰和失真的灵活性。因此，它具有其他基于AWG方法的精确性，但保留了使用专用UWB芯片组向待测设备提供信号的简单性。