LitePoint提供UWB測試解決方案

支持全新精準(zhǔn)定位功能的無線技術(shù)正不斷擴(kuò)展應(yīng)用范例，其中包括需要更高級別安全性的例子 。例如，在汽車行業(yè)，需要在汽車和遙控鑰匙之間進(jìn)行更安全的身份驗(yàn)證。這為超寬帶（UWB） 技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)完美的時(shí)機(jī)來展示其相比于其他技術(shù)在定位、位置檢測和方向方面的獨(dú)特優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其能夠滿足更高的安全性需求。UWB 非常適合支持兩個(gè)設(shè)備安全找到彼此并了解彼此在空間中的相對位置的應(yīng)用。

UWB 使用一種稱為飛行時(shí)間 （TOF） 的技術(shù)來啟用其安全的身份驗(yàn)證方法。與通過信號強(qiáng)度估算兩個(gè)設(shè)備之間距離的其他技術(shù)不同，TOF 涉及發(fā)送和接收信號，并根據(jù)完整發(fā)送/接收周期所需的時(shí)間計(jì)算距離。破解信號強(qiáng)度測量結(jié)果相對容易，但時(shí)間幾乎不可能偽造。這種高度的安全性使 UWB 在當(dāng)今具有重要意義。

UWB 的三個(gè)主要用例包括

訪問控制

將 UWB 嵌入遙控鑰匙等設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的訪問控制，無論是進(jìn)入安全的建筑物還是汽車均是如此?；?UWB 的系統(tǒng)可以估算 10 厘米內(nèi)的接近距離。訪問系統(tǒng)可以設(shè)置為僅當(dāng)授權(quán)用戶在給定距離內(nèi)時(shí)才允許訪問，任何未攜帶 UWB 設(shè)備的人員都將被自動拒絕進(jìn)入。

基于位置的服務(wù)

精確接近度檢測支持基于位置的服務(wù)，例如基于用戶位置的室內(nèi)空間導(dǎo)航和環(huán)境內(nèi)容導(dǎo)航。當(dāng)您從一個(gè)房間移動到另一個(gè)房間時(shí)，系統(tǒng)會提供與每個(gè)房間相關(guān)的信息。以博物館或辦公大樓為例，內(nèi)部某個(gè)位置的具體信息可輕松獲取。

設(shè)備到設(shè)備通信

UWB 允許設(shè)備安全地共享信息，這可以與其定位功能相結(jié)合，將相關(guān)信息從一個(gè)設(shè)備推送到另一個(gè)設(shè)備。

UWB 測距：深入研究

UWB 使用時(shí)間短、頻率寬的電子脈沖，因此得名超寬帶。本質(zhì)上，一個(gè) UWB 設(shè)備發(fā)出一個(gè)信號，檢測到該信號的設(shè)備發(fā)回一個(gè)回應(yīng)信號。這一過程稱為單邊測距或單邊雙向測距。通過測量發(fā)送信號（稱為 ping）和接收答復(fù) （pong） 之間的時(shí)間，發(fā)送設(shè)備可以精確計(jì)算出二者之間的距離。

在某些情況下，發(fā)送設(shè)備會在收到答復(fù)后發(fā)送另一個(gè)信號，這樣兩個(gè)設(shè)備便都可以測量時(shí)間。這種稱為雙邊雙向測距的技術(shù)為定位增加了第二層安全性和精度。

至關(guān)重要的 UWB 質(zhì)量測試

在評估 UWB 設(shè)備性能時(shí)，有三個(gè)方面的測量十分重要。

安規(guī)

UWB 信號與許可頻譜重疊，因此務(wù)必驗(yàn)證設(shè)備是否違反國家頻譜管理機(jī)構(gòu)制定的法規(guī)。雖然絕對發(fā)射器功率和功率頻譜模板是主要的監(jiān)管指標(biāo)，但設(shè)備性能中的其他因素也可指示設(shè)備是否滿足功率模板要求。 這包括發(fā)射器校準(zhǔn)和測試脈沖形狀。 設(shè)備發(fā)射的功率越高，泄漏到所需通道之外的能量就越多，并且可能干擾相鄰設(shè)備，甚至違反許可頻段。掩碼是指設(shè)備防止由于發(fā)射器的雜散或線性性能而導(dǎo)致信號泄漏的能力，同時(shí)功率輸出會影響最終設(shè)備的工作范圍。良好的校準(zhǔn)可最大限度地提高功率，同時(shí)提供有效的頻譜掩碼性能。

互操作性

UWB 互操作性的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是頻率精度。無線設(shè)備使用調(diào)諧電容來調(diào)整決定廣播頻率的晶振。如果此調(diào)諧未正確完成，則會導(dǎo)致載波頻率偏移（CFO）或頻率誤差。簡而言之，這意味著該設(shè)備與其他設(shè)備的工作頻率并不完全相同。如果 CFO 很小，設(shè)備將能夠進(jìn)行通信，但測距測量會存在誤差。如果 CFO 很大，則調(diào)諧不當(dāng)?shù)脑O(shè)備可能根本無法與其他設(shè)備通信。頻率校準(zhǔn)是確保設(shè)備互操作性的關(guān)鍵部分。以實(shí)際案例來說，在兩個(gè)定位設(shè)備本身之間若存在1PPM的頻率偏移，大約會造成一米左右的定位精度誤差。藉由傳導(dǎo)式的頻偏校準(zhǔn)，可以補(bǔ)償石英震蕩器的頻偏造成實(shí)際的定位誤差，同時(shí)可節(jié)省選用高精度石英震蕩器而造成的成本增加。 另一種工具是一種稱為歸一化均方誤差 （NMSE） 的測量，用于比較代測物所發(fā)射的脈沖訊號與參考脈沖訊號的相異程度，它會捕捉系統(tǒng)中的幾種不同效果并提供匯總測量（ 關(guān)聯(lián)到阻抗匹配、濾波效應(yīng)、群延遲等）。

飛行時(shí)間

關(guān)于校準(zhǔn)TOF，有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)是在印刷電路板級校準(zhǔn)系統(tǒng)，并假定所連天線的無線性能將處于窄容差范圍內(nèi)。藉由外部儀表模擬高精度定位的過程并且將天線端口后端的延遲補(bǔ)償，可以讓系統(tǒng)估算出印刷電路板所造成的延遲量測出來并且回填在芯片內(nèi)部補(bǔ)償實(shí)際量測的誤差。 另一種方法是測試所裝配的設(shè)備，并使用其實(shí)際無線性能（OTA）校準(zhǔn) TOF。運(yùn)用類似的方法可以估算系統(tǒng)結(jié)合不同天線在不同方位所造成的延遲。 每種方法均有效，但此處的要點(diǎn)是系統(tǒng)中有許多不同的元件和變化來源。我們的目標(biāo)是最大程度減少變化，達(dá)到 UWB 可提供的定位精度。在實(shí)際的驗(yàn)證中，兩種校準(zhǔn)方法可以補(bǔ)償印刷電路板（下圖Frontend）造成的約500皮秒以及天線造成約300 皮秒的延遲，換算成實(shí)際精度可以補(bǔ)償約15公分的誤差。（不同的天線與板材電路的布局，造成的延遲會因?yàn)楦鞣N條件影響有所不同）

到達(dá)角：定義和工作原理

UWB可采用兩種工作模式：三角測量模式和對等模式。三角測量需要在環(huán)境中放置一系列“錨點(diǎn)”設(shè)備，以供UWB“標(biāo)簽”設(shè)備用來比較其相對于多個(gè)錨點(diǎn)的位置。對等操作允許兩個(gè)設(shè)備直接通信，而無需在環(huán)境中放置錨點(diǎn)設(shè)備。對等操作要求設(shè)備能夠確定距離和方向。距離通過TOF得出，方向通過到達(dá)角（AoA）確定。AoA 要求設(shè)備至少有兩個(gè)天線。AoA 確定不同天線在檢測傳入信號時(shí)彼此之間的時(shí)間（或相位）差。憑借該時(shí)間（或相位）差提供的信息，設(shè)備便能夠計(jì)算信號傳入的角度。

FiRa 聯(lián)盟

FiRa聯(lián)盟成立于 2019 年，該組織尋求將行業(yè)專家和產(chǎn)品專家凝聚在一起來開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，使 UWB 產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)互操作性并且彼此無縫協(xié)作。在過去的一年里，會員數(shù)量急劇增加。該聯(lián)盟將啟動一項(xiàng)認(rèn)證計(jì)劃，以確保設(shè)備符合 FiRa 規(guī)范的互操作性要求。這項(xiàng)認(rèn)證計(jì)劃將涵蓋物理層功能 （PHY） 和介質(zhì)訪問控制 （MAC） 的一致性測試用例。

認(rèn)證意味著設(shè)備已在獨(dú)立授權(quán)測試實(shí)驗(yàn)室 （ATL） 進(jìn)行測試，并在經(jīng)過嚴(yán)格測試后被證實(shí)符合 FiRa 規(guī)范。這可讓制造商和用戶高度確信該設(shè)備可與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。

LitePoint 解決方案

LitePoint的 UWB 測試系統(tǒng)包括硬件和軟件，可啟用預(yù)編程的測試腳本來最大限度地測試特定芯片。LitePoint 的 IQgig-UWB是一款經(jīng)過 FiRa 驗(yàn)證的全整合系統(tǒng)，專為 UWB PHY 層測試而設(shè)計(jì)。我們提供適用于UWB芯片組和設(shè)備制造商的一站式測試解決方案，包括FiRa PHY一致性自動化解決方案。IQgig-UWB非常適合實(shí)驗(yàn)室或量產(chǎn)環(huán)境、支持UWB的模塊和最終產(chǎn)品以及支持UWB的汽車、移動、資產(chǎn)跟蹤或醫(yī)療保健設(shè)備。

IQfact+ 是在與領(lǐng)先 UWB 芯片組供應(yīng)商的密切合作下開發(fā)的，這是一種基于軟件、適用于芯片組制造商的一站式校準(zhǔn)解決方案。它支持包括UWB在內(nèi)的所有關(guān)鍵無線連接技術(shù)。

結(jié)語

UWB技術(shù)為訪問控制、基于位置的服務(wù)和設(shè)備到設(shè)備通信十分重要的各種設(shè)置提供了強(qiáng)大的功能。然而，在最終應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的實(shí)際性能取決于能否確保關(guān)鍵射頻參數(shù)滿足高精度要求。這些關(guān)鍵測量參數(shù)旨在確保設(shè)備符合監(jiān)管指南和互操作性要求，并提供良好的用戶體驗(yàn)。從測試的角度來看，校準(zhǔn)UWB設(shè)備的頻率和發(fā)射器功率至關(guān)重要。需要精確的飛行時(shí)間和到達(dá)角測量來驗(yàn)證 UWB 設(shè)備可提供的厘米級精度。LitePoint的解決方案提供了這種測試，可助力發(fā)掘UWB的潛力。