使用直接合成技术生成UWB-WiMedia信号

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引言

　　本文重点介绍了直接生成基于WiMedia的UWB信号的测试测量需求。它讨论了生成超宽带跳频信号可以使用的不同方法。为提供高数据速率，在2002年，FCC批准在3.1～10.6GHz的频谱中无须牌照使用UWB设备，前提是信号带宽要高于载频的25%，即部分带宽=(FH-FL)/FC>25%或总带宽>1.5GHz。其中一种方法是采用多频段OFDM技术的UWB- WiMedia。WiMedia规范把UWB频谱分成6个频段组，其中5个(第1个到第4个及第6个)频段组由3个频段组成，第5个频段组由两个频段组成。每个频段的带宽为528MHz。物理层采用OFDM技术，在528MHz的每个频段中有122个音调。然后使用时间频率代码(TFC)分布 OFDM包。它一共定义了两种扩频：一种用于三个频段上的跳频，称为时间频率通道复用(TFI)；另一种在单个频段中发送，称为固定频率通道复用 (FFI)。

　　对5个频段组(第1个到第4个及第6个)，共定义了10个TFC，其中包括7个TFI和3个FFI。对第五个频段组，共定义了3个FFI，因此通道总数达到53个。
　　发射机WiMedia RF信号定义为：信号定义

信道化

　　每个频段组可以使用最多10个不同的TFC代码，定义独特的逻辑通道。

　　下面的表1中列出了频段组1的TFC和相关基本序列。
　　有3个频段的TFC#1的符号表示如图1所示。

挑战

　　生成测试各种设备的WiMedia信号是一个挑战，其不仅用于一致性测试，还用来确定工作余量。目前，有两种方式生成WiMedia信号。

　　第一种方法

　　第二种方法
　　这两种方法各有优缺点。在第一种方法中，尽管它提供了任意波形发生器的所有优势，如创建包括失真和损伤的实际环境信号，但在RF上跳频需要使用昂贵复杂的方法，如外部跳频装置，而WiMedia规范要求必须在RF上跳频。尽管第二种方法能够实现跳频信号，但它没有AWG的灵活性和机动性。

　　这里的挑战是怎样同时实现这两种方法的优点。本文介绍了一种最佳途径，通过使用任意波形生成技术实现这一目标。

实现

　　在高达10GHz的载频上合成带宽超过1.5GHz的信号，超出了无线通信测试中使用的传统矢量信号生成方法的能力。必需的调制和基带带宽、信号I和Q成分中任何幅度、定时和频响未对准带来的影响，都需要进一步提高，得到的信号才能实现要求的质量水平。下面介绍了三种可能的UWB信号生成方法。

　　1. IQ基带生成和正交调制:这是一种传统矢量信号生成方法。可以通过两种方式实现跳频：对每个符号以要求的频率漂移合成基带IQ对，或在IQ调制器上改变 LO频率。在跳频信号的实际基带生成中，要求使用双通道AWG，采样率应在2GS/s左右，模拟带宽约为1GHz。在IQ调制器上通过控制载频实现跳频，要求能够在不到70ns的时间内跳频1GHz以上。由于采样率和跳频速度的局限性，当前实现方案只能生成非跳频信号。在I和Q基带成分中使用两条不同的信号路径时，他们的对准是获得满意结果的关键。必需认真进行长时间校准，这要求额外的高性能分析设备，由于相关的温度和时间漂移，可能要频繁地进行校准。
　　2. IF生成和上变频器:在这种方法中，使用单通道AWG生成UWB信号，输送到覆盖要求的频率范围的上变频器中。AWG的实际要求取决于跳频操作的实现方式。生成非跳频信号要求的最低采样率是1.5GS/s。生成跳频信号要求两倍的采样率(>3.2GS/s)。这一系统中使用的上变频器对非跳频信号和跳频信号分别要求最低750MHz和2GHz的上变频带宽。尽管这种方法还要求认真校准幅度和相位，才能实现最高的调制和频谱精度，但其要求的苛刻程度要低得多，因为I成分和Q成分本身是对准的，并共享相同的信号路径。这种策略的主要限制是处理频谱中出现的信号图像。通过使用覆盖目标频段的带通滤波器，可以使这种影响达到最小。作为校准程序的一部分，可以补偿带通滤波器引入的幅度和群时延失真。

　　3. RF直接合成：在这种方法中，单通道AWG直接在最后频率上生成UWB信号。AWG的速度和模拟带宽要求主要取决于覆盖的具体频段组，而不是最后信号的跳频特点。对频段组#1(最大频率为4752MHz)，需要最低10GS/s的采样率和5GHz的模拟带宽。频段组#2要求15GS/s的采样率和7GHz 的模拟带宽。泰克新推出的一流的AWG7102能够以20GS/s的采样率生成带宽为5.8GHz的波形，因此可以以足够的性能余量在频段组#1中生成跳频信号。RF直接合成的校准要求很低。受控温度行为、低时间漂移及不需要使用外部设备，使其能够在工厂中进行校准，同时在长时间内保持可以接受的信号质量。详情请参阅表2。

仪器规范

　　我们使用下述测试设置收集了试验数据。
　　测试设置:泰克AWG7102，采用通道复用时提供了20GS/s的采样率；泰克TDS6154C，装有WiMedia分析软件。

　　所有WiMedia信号都是使用泰克任意波形发生器生成的。AWG7000系列任意波形发生器同时提供了无可比拟的采样率、带宽和信号保真度。由于5～20GS/s(10位)的采样率及1～2条输出通道，它可以轻松解决通信、数字消费电子和半导体设计/测试行业中最棘手的测量挑战。基于 Windows(Windows XP)的开放仪器简便易用，可以连接外设，并兼容第三方软件。

　　所有分析都是使用高带宽示波器完成的，其提供了40GS/s的采样率、15GHz的带宽、64M样点的记录长度和UWB分析功能。由于内置基于 DSP的实时补偿技术，并在制造过程中执行时域校准程序，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够用于波形发生器校准程序中。

实验观察结果

　　基本实验结果由为不同位速率和调制方案(QPSK和DCM)收集的EVM数据集组成。所有数据都表明，RF直接合成将得到非常好的EVM，比标准中规定的-19.5dB EVM要好大约-30dB，如表3所示。
　　由于AWG的高采样率和带宽，用户还可以实现跳频，而不必使用外部跳频装置。设置过程简单明了，控制和配置简便。通过使用泰克AWG 7102，在频段组1中实现了非常好的平坦度，而没有任何预失真。图3显示了泰克示波器上捕获的信号频谱。图4显示了星座图。
总结

　　本文中介绍的这种直接合成技术设置简单，可以生成干净的优质UWB WiMedia跳频频段组1波形，并能够灵活地增加受控干扰和失真。因此，它同时提供了第二节中描述的两种方法的最佳特点。