【行業(yè)方案】UWB終端生產(chǎn)測試方案簡(jiǎn)介

Part 01

UWB技術(shù)概覽

UWB（Ultra-Wideband，超寬帶）是名副其實(shí)的“寬帶”技術(shù)，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(cháng)，上個(gè)世紀90年代，美國有些機構就提出UWB的技術(shù)構想。在它的商業(yè)化道路上，曾有多種不同技術(shù)路線(xiàn)獨立發(fā)展，近年來(lái)使用脈沖無(wú)線(xiàn)電（Impulse Radio）形式的IR-UWB得到了越來(lái)越多的應用。 本文討論的是IR-UWB技術(shù)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(shí)間約2 ns。常見(jiàn)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”，連續若干個(gè)“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(shí)域位置出現，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(shí)間與相對功率的關(guān)系，有明確而嚴格的模板約束。脈沖信號的數學(xué)表達式可以通過(guò)相關(guān)規范查詢(xún)到。

UWB芯片商宣稱(chēng)UWB技術(shù)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(guò)測量無(wú)線(xiàn)電信號往返測距雙方所用飛行時(shí)間（Time of Flight, ToF）得到距離；通過(guò)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(xiàn)，天線(xiàn)間接收信號的距離差結合天線(xiàn)間距可算出角度。測距則沒(méi)有天線(xiàn)數量的要求。

Part 02

UWB技術(shù)的應用場(chǎng)景

已商用場(chǎng)景之一：車(chē)輛無(wú)鑰匙接入，目前在海外汽車(chē)品牌的高端款型上應用較多

前幾代無(wú)鑰匙接入使用LF、NFC和BLE等技術(shù)，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(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Car Connectivity Consortium）新規范當中。工作時(shí)，車(chē)輛使用者的手機和汽車(chē)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(chē)門(mén)打開(kāi)，使用者在車(chē)內還可通過(guò)UWB更進(jìn)一步操作車(chē)輛，比如無(wú)鑰匙啟動(dòng)引擎，整個(gè)過(guò)程用戶(hù)體驗的科技感十足。

已商用場(chǎng)景之二：遙控鼠標

人機互動(dòng)時(shí)，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(chǎng)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；短距數據傳輸、支付等。

Part 03

UWB產(chǎn)品的規范要求

IEEE 802.15.4標準簇： 描述了UWB物理層（PHY）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）的功能和技術(shù)要求

這個(gè)標準簇目前包括15.4、15.4z和15.4ab等三個(gè)標準，前兩者已經(jīng)有很多成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，15.4ab則還在規范化當中，預計2025年可以?xún)鼋Y。15.4z相比15.4，顯著(zhù)的變化是在物理層協(xié)議數據單元（PPDU）上增加加擾時(shí)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(shù)。

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

Fine Ranging Consortium： 精確測距聯(lián)盟，簡(jiǎn)寫(xiě)為FiRa

作為致力于UWB定位應用推廣的產(chǎn)業(yè)組織，FiRa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(zhì)。FiRa的射頻一致性測試規范，既覆蓋了IEEE 802.15.4標準簇的要求，又有專(zhuān)門(mén)針對測距需求的測試項目。

Car Connectivity Consortium： 車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，縮寫(xiě)為CCC

作為致力于完成車(chē)輛和使用者之間通過(guò)智能方式連接的行業(yè)組織，CCC規范對UWB的在車(chē)相關(guān)領(lǐng)域應用有重要影響。

Part 04

UWB測距帶來(lái)的挑戰

UWB測距的最大挑戰是如何“精確”的測量時(shí)間。 真空中電磁波以光速傳播，即29.98 cm/ns；導線(xiàn)介質(zhì)（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?xún)?，測距時(shí)間需要以零點(diǎn)幾個(gè)納秒來(lái)度量。

為保證時(shí)間的精確，生產(chǎn)時(shí)需要校準每個(gè)UWB終端的“天線(xiàn)時(shí)延”值（即終端接收天線(xiàn)到基帶部分之間的路徑時(shí)延）并補償到UWB芯片當中，如果跳過(guò)這一步，根據工程經(jīng)驗，測距結果會(huì )偏差幾十厘米甚至更多。校準“天線(xiàn)時(shí)延”時(shí)，儀表和待測件之間信號路徑用時(shí)需提前精確計量。像線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )分析儀現場(chǎng)測出其耗時(shí)。而對于測試天線(xiàn)，則需天線(xiàn)廠(chǎng)家告知天線(xiàn)的“相位中心”和時(shí)延數值。

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(shí)驗室及生產(chǎn)線(xiàn)測試。它可根據規范要求進(jìn)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(shí)間，“天線(xiàn)時(shí)延”校準、AoA到達角等多重測試任務(wù)，具有功能多樣，結構靈活，界面友好，結果準確，速度快等特點(diǎn)。

CMP200內置一套信號源、信號分析儀。應用于UWB測量時(shí)，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(guò)外置擴展單元CM-Z310A將射頻口擴展到12個(gè)。CMP200內置Linux操作系統，通過(guò)外置顯示器和鍵盤(pán)鼠標，或LAN遠程操作。

進(jìn)行UWB射頻測試時(shí)，CMP200提供多個(gè)獨立測量工具，同時(shí)呈現于人機界面上，直觀(guān)展示信號的多個(gè)射頻指標，包括PPDU功率及功率譜密度，頻譜模板，時(shí)域脈沖模板，Chip和Symbol級別時(shí)基抖動(dòng)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(jìn)行驗證。

測距時(shí)，CMP200提供多個(gè)PPDU單元連續捕獲分析工具，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(guò)程中的飛行時(shí)間，從而獲得距離，校準待測件的“天線(xiàn)時(shí)延”。

CMP200具備多終端并行測試的能力，使用R&S專(zhuān)有的“Smart Channel”功能， CMP200可對來(lái)自不同終端的儀表資源請求進(jìn)行自主分配，無(wú)需開(kāi)發(fā)人員重構代碼，大幅提高程序開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)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(xiàn)。屏蔽箱有ATS800、CMQ200和TS7124等多種。前兩款產(chǎn)品頻率范圍最高到毫米波頻段；后者工作頻段較低，也適合傳統移動(dòng)通信設備的測試。天線(xiàn)也有多種型號，針對UWB，推薦TS-F24-V2型寬帶Vivaldi天線(xiàn)，它具有增益高，帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)。TS-F24-V2出廠(chǎng)都經(jīng)過(guò)R&S工廠(chǎng)嚴格檢測，可提供準確的相位中心和時(shí)延數據。

Part 06

R&S UWB技術(shù)推廣成功案例

作為深耕無(wú)線(xiàn)電測試與測量領(lǐng)域九十多年的領(lǐng)先企業(yè)，R&S公司攜手業(yè)內同仁持續推動(dòng)UWB技術(shù)的發(fā)展創(chuàng )新，獲得了廣泛認可。

在產(chǎn)業(yè)鏈上游，我們和精確測距聯(lián)盟、車(chē)聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟等標準組織以及多家著(zhù)名檢測機構長(cháng)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，現為美國Qorvo公司一部分）緊密協(xié)同，合作開(kāi)發(fā)UWB測試方法和工具。我們和來(lái)自不同應用領(lǐng)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(chǎn)品研發(fā)到生產(chǎn)的全鏈條質(zhì)量保證和效率提升。近年來(lái)，我們還積極在各大公共展覽平臺，如CES，MWC，Expo Europe等會(huì )展活動(dòng)中向公眾展示我們在UWB測量領(lǐng)域的尖端技術(shù)和能力。

Part 07

R&S UWB 終端生產(chǎn)射頻測試方案

針對UWB終端生產(chǎn)射頻測試，除了儀表和附件外，還需要自動(dòng)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(yǔ)言開(kāi)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(wù)通過(guò)運行測試腳本完成。WMT提供用戶(hù)操作界面，測試結果除打印到界面之外，還可以多種常見(jiàn)或自定義格式保存到生產(chǎn)線(xiàn)數據庫。測試腳本可以在軟件界面中編輯，通過(guò)調整測試腳本中各節點(diǎn)順序，修改各節點(diǎn)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(shí)現各項任務(wù)。WMT程序結構上支持多任務(wù)并行，可以同時(shí)測量多個(gè)終端。

典型的UWB終端生產(chǎn)流程里包括電路板和整機兩階段射頻測試，一般先對各類(lèi)指標進(jìn)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(jìn)行一遍驗證。上述測試任務(wù)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(shí)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(yǔ)

盡管UWB不是一種新的技術(shù)，但近幾年伴隨它和消費電子產(chǎn)品及車(chē)輛等不同形態(tài)終端的結合，UWB應用場(chǎng)景出現蓬勃發(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(shí)對測試精度的高要求使UWB終端的生產(chǎn)測試變得極具挑戰性，傳統測試工具無(wú)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(xiàn)等硬件到WMT自動(dòng)化測試軟件的全套解決方案。生產(chǎn)型客戶(hù)用WMT并依托CMP200等硬件的優(yōu)良性能可以快速開(kāi)展生產(chǎn)，既確保測試結果準確可靠，又提升效率，從而獲得自身產(chǎn)品的競爭力優(yōu)勢。