超寬頻Ultra Wideband(UWB)無線信號有著與傳統無線電信號不同的特性，特別有趣的是它將傳輸的功率展開成非常寬的頻寬，使得信號對於窄頻接收器來說，就如同是雜訊一樣...
超寬頻Ultra Wideband(UWB)無線信號有著與傳統無線電信號不同的特性，特別有趣的是它將傳輸的功率展開成非常寬的頻寬，使得信號對於窄頻接收器來說，就如同是雜訊一樣。
然而它可以在短距離間傳送非常高速的資料，在本文所討論的窄頻寬是20MHz以內。
使用現今超高速數位電路直接基頻脈衝(pulse)方式，被視為要完成UWB無線通訊最直接的途徑，然而為使其能進入大量生產，就需要兼備升頻器與降頻器，這也確實降低了頻譜溢射的控制困難，以及接收器的類比轉數位器(ADC)的要求。現今發展仍持續進行，包含正交分頻多重進接技術 (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)、脈衝及直接序列(Direct Sequence)都持續被應用於實際裝置與實驗研究。
我們將在本文中看到UWB脈衝射頻信號看起來像甚麼，以及於IEEE802.15.3aTM DS-UWB的提案，很重要的是這些技術仍在形成中，且IEEE 802.15.4a也可能會使用類似的技術，所敘述的量測並非針對哪一份規範，本文將會顯示如何產生及量測信號來幫助實際硬體的設計與驗證。許多新穎的技術，如脈衝波形回復(pulse shape recovery)及十億分之一秒以下的脈衝之頻率量測。
不管是哪一種無線通訊，設計者不但要測試信號的調變與時間的特性，也必須要考量頻譜的法規限制，UWB法規認定這種像雜訊的信號需要使用平均檢波器的頻譜分析儀，文內將描述為何與讀者所期待的有所不同，因為傳統的信號分析普遍使用的是峰值檢波器(peak detector)。
雖然信號頻寬非常寬，UWB傳輸時仍然必須符合定義好的頻譜範圍，脈衝波形的檢測需要一個頻帶，信號看起來就好像一個載波的連續脈衝，舉個例子來說，從雙極性脈衝(bipolar pulse)擴展成高斯(Gaussian)單極脈衝，顯示出看起來像一個時域上的單一弦波。以傳統頻率混波的方式產生UWB的信號，是普遍被使用的。為了要解除UWB的神秘，了解從窄頻信號轉換成我們所說的UWB信號是很重要的。圖1顯示一系列的實際頻譜分析儀的記錄圖形，圖形所示是以漸漸縮短本地震盪的開啟(turn-on)週期為例。在下方的圖形，我們可以看見當本地震盪器切換至開時，能量在頻譜上分布很寬，當脈衝開啟的時間縮短時，頻寬也相對變大，峰值功率在中心頻率500MHz也會很快地降低，這些是可以從傅立葉分析預得知，但只有少部分的工程師曾有機會對如此窄的脈衝作實驗。脈衝調變通常是幾百倍的載波週期。
當使用頻譜分析儀分析時，可調整量測的頻距()與解析頻寬濾波器(resolution bandwidth filter，RBW)，調整這些參數來觀察從不連續的頻譜到「連續的」頻譜顯示，其實只是掃描時間的降低，概括來說，我們要以實際窄頻寬來對應UWB信號，等於解析單一頻譜點與整個頻譜一樣是不可能的，更進一步來說，脈衝的形式決定頻譜形狀(見圖1中間下圖)，脈衝的間距決定像雜訊般的UWB信號的形狀，我們將在之後可以看到信號的建立與測試。
圖2顯示頻率混波的UWB簡單方塊圖，看起來要完成此種架構會比濾波脈衝產生器要複雜許多，但乘上一個固定載波(混波器)確實可以減輕實際成本的問題，而且可得到同樣的效果，而頻帶外的寄生信號則必須保持在相對低位準。另一附帶的好處是所產生的信號，基頻電路僅需射頻信號一半的頻寬，這也意味著脈衝的上升時間將會是沒有頻率轉換方式的兩倍，可使實際裝置的效能更能被預測出來。
在圖2我們可以看到射頻前端有點類似其它的分時雙工(time-division duplex)的無線電系統，差分信號(differential signals)在好幾個不同點的地方使用，這也表示其是電路設計的一個主要部分。差分信號的使用正往積體電路邁進，這也影響我們量測的連接方式，而差分射頻探棒就成為實際的需求而不是昂貴的工具。
在圖形的下半部，發射機普遍的問題是信號的產生，基頻信號上升速度非常快，由於所需的與不需要的頻率，功率位準都要求非常低，要把信號分離，所採用的頻率選擇濾波器(frequency selective filtering)是不容易達成的，因此注意整個信號路徑是必要的。頻譜分析儀可以用來檢測固定頻率分量的位準與洩漏，如參考時脈的諧波(clock harmonics)及相位雜訊(phase noise)，先把這些量測參數分離出來，接下來則可進一步分析調變頻寬。舉例來說，基頻的圖形可以用來顯示射頻的頻譜，可由頻譜分析儀得出。然而當我們檢查整個信號路徑的運作，窄頻分析就會有限制。當信號誤差與失真加入信號內，使用傳統掃描式頻譜分析儀只能得到合成之後的功率，既然使用新型的數位式頻譜分析儀，最寬頻寬也只有100MHz，勢必要有大於1000MHz頻寬的分析工具才行。
實際上這種工具已經存在，就是數位示波器，更重要的是以更進階的射頻技巧來分析與量測信號。圖3顯示為使用6GHz的即時示波器所擷取下來的脈衝UWB射頻信號，使用內建於示波器的向量信號分析套裝軟體，以不同的方式來進行分析，這樣的分析已打破基頻信號與射頻信號的疆界，從射頻信號的數位解調到 jitter的分析。
與基頻脈衝無線電不同的是，射頻波形的電壓可以視為一般示波器，如圖3右下所示，脈衝的形狀與相位的量測，都需要信號的被解調之後，軟體於圖3所顯示的是將射頻載波移出，在右上方的為合成的波形，水平軸為時間，每一格的時間單位為2ns，在這個例子，所得出的頻譜形狀是使用root raised cosine的濾波器，近似於長方形的頻譜，可以從左下圖所示，總功率可由圖示下部數值得出(使用積分頻譜得出)。
信號的分析還可以再更深入些。這種三階相位平移鍵的調變，也是被建議使用的UWB無線電的其中一種，我們可以用BPSK來對其作調變解調，可以由圖3左上 IQ圖得出，在此例，「0」的狀態並未被正確解出，所以數值的錯誤向量大小(error vector magnitude)的讀值是沒有意義的，但其它有用的資訊則可視為正確信號與雜訊信號的差異。藉由BPSK解調來分析脈衝信號，輸入符碼週期來對應基頻信號的時脈，可將頻率誤差(frequency error)量測出來，在動態的狀態下來量測頻率誤差會比待測物在測試模式下，只發射載波的量測來得真實。在此例子中，圖形中間下方可以得出頻率誤差- 10kHz，所以實際信號的中心頻率應為4104MHz。
回到圖右上方的脈衝波形，不到十億分之一秒的脈衝顯示解析可能影響測試結果，根據實際測試信號的頻寬會決定影響的程度，針對解調結果的取樣率為原本資料擷取的1/3，作為指標，一部分原因為資料成IQ資料對，其剩下的則與資料windowing有關，測試的結果可以再加以平均，當雜訊存在時，可以增加有效的取樣率，所記錄的資料可作為之後的向量序列的處理。
要產生一個看起來像雜訊的UWB信號，就需要一個沒有明顯重複的脈衝序列，當我們進一步考量無線電波的實現，我們知道單純加速使用於窄頻帶的無線電的某些調變技術，如802.11b，也可以適用於UWB技術，脈衝一直都存在著，我們可以選定幾種較簡單的調變方式，然後將資料以適當的無線電連接格式加以調變。調變的時脈必須是非常高，直接序列UWB(DS-UWB)的提案於IEEE 802.15.3a著重在緊密合適的脈衝，在大約1300MHz或2600MHz的脈衝串流採碼序列調變(code sequence modulation)方式，調變需要由仔細的選擇資料序列和+1、-1及0間交替，這些都可應用於BPSK或是QPSK的調變。參考圖2，常用的晶體震盪器會被用來作為載波以及脈衝時脈的參考，給予載波頻率與脈衝週期固定的關係，有些設計會以不同的本地震盪頻率，提供適當的頻譜組合與傳輸速率，現今IC 技術需要避開5～6GHz UNII的頻段，意味著實際的電路設計必須限制在小於2GHz的射頻頻寬，而7GHz在頻譜法規又是可以獲得的(至少美國如此)。藉由示波器與向量分析儀的軟體可以將調變方式的分析更加延伸，以另一個UWB為例，圖4顯示為一個直接序列QPSK的UWB信號，中心頻率為3.5GHz，而EVM的結果就有意義，在此例我們應用了適應性等化器(adaptive equalizer)於接收的訊號，以降低線性失真，而在一般的接收機也會有類似的功能，而未加修正的EVM值將會更高。在中間上方的圖形顯示理想的解調之後的實部(或虛部)波形的形狀應該是如何。
圖4的右手邊有兩個圖形顯示另一UWB觀點。當有兩個同時存在的窄頻接收器，圖形的互補累進分布函數(complementary cumulative distribution function，CCDF)就是無線電信號功率統計指標，淺色的曲線為高斯雜訊分布，所以信號曲線越大，就越像雜訊。在右上圖深色曲線顯示峰值與平均值的比例，但是量測時只使用1.5GHz的頻距，如果我們降低解析的頻距，就如同使用窄頻寬的接收器，功率的分布就會變成像雜訊一般，而選擇適當的資料編碼，可確保UWB的信號對於窄頻寬接收器視為雜訊。
IEEE UWB提案的時框設計，類似於無線區域網路，包含前序(preamble)、標頭(header)及資料(payload)，但運作上大不相同。舉例來說，無線區域網路的設計允許不對等的微網(piconets)；在直接序列設計，有用小量的本地震盪頻率偏移(～10MHz)作為識別，這種設計可以在同步過程中快速的判別；能夠輕易地量測出一個完整的裝置，有效的檢查基本運作，因為當其有錯誤發生時，它將會對其它的接收機運作產生影響。在還原資料時，脈衝資料的編碼與編碼序列相關(correlation)是非常重要的。藉由調變形式的使用、擷取信號的後置處理及解調時間記錄，也可提供時間的相互關係。
圖2的上半部顯示接收機路徑，想要濾除高位準窄頻干擾信號，對於UWB接收機來說是個棘手的問題，降頻器之後的濾波器，提供額外的干擾保護，但是中頻頻寬必須夠寬，才不會像一般窄頻接收機被影響，所以一個可以模擬不同載頻信號的測試信號源是重要的。要還原脈衝，可將其饋入類比式的相關器(analog correlator)，如圖2所示，或送入ADC，在ADC的輸出作數位信號處理，來還原原來的信號。
對DS-UWB來說，接收機的對符碼脈衝序列的相關性處理要比單一脈衝的響應重要的多，因此測試信號的頻譜真實形狀對於接收機的靈敏度來說並不重要，但必須符合發射機測試的限制罩。而UWB最近的通道也有1GHz之遠，所以鄰近通道的測試對於UWB來說也不是那麼重要。每一個射頻時框被單獨還原，通道的等化(equalize)只取決於每一時框的其中一小部分，只有幾個微秒的時間，這也代表著這一小部分的信號要相對其它部分穩定，因此這也對接收機在不是很好的信號源下，能提供很好的接收靈敏度。
直接序列UWB的射頻信號源
如圖5所描述與圖4的結果，一個高速脈衝的波形產生器加上一個可以提供外部寬頻的IQ輸入信號的產生器(如PSG)的組合，可以使用於脈衝與直接序列射頻信號源，簡單的調變格式如BPSK或QPSK，都可以使用信號產生器來達成。使用此種整合的解決方案，與圖1所使用外部混波器的處理方式相比較，這種方式可以得到所想要達到的功率位準，而且可以被精準的控制，而信號產生器的高輸出功率，也對以空氣介面傳輸的實驗與測試非常有幫助，當成一個窄頻寬的干擾源 (如WLAN)及加入少許的頻率調變於本地震盪器。雙通道的81134，可以被設定成以pseudo random number(PN)序列，一個像雜訊的雙極性資料串流，或以使用者自訂的資料樣式，兩個通道可以一起使用，以固定時間偏移量，來產生QPSK所需要的 IQ輸入的信號，如圖4所示。藉由鎖定81134與PSG的參考頻率，使用者可以故意地加入一些損壞的測試信號，來測試接收機的接收能力。
要產生IEEE提議的三個位準的信號，81134的通道一與通道二的信號就需使用功率splitter將信號合成，使用資料模式，資料的形式有+1、- 1、與0三種狀態，通道輸出的電壓必須以splitter的路徑損耗的兩倍來考量，而通道間的時脈差異則可由延遲的調整來修正，調整些微DC的偏移量可以降低載波的饋入穿透(feed-through)。
通常來說，發射機的射頻信號頻譜的量測著重在兩個問題：待測物是否會干擾到其他無線電接收機？待測物是否與其他同類型的的裝置有效的運作？
法規組織比較考量的是第一個問題，很多已經採行的測試，如何去量測UWB無線信號，無論是實際上或表現上影響到其他無線電種類，迄今所得到的結論是結合峰值與平均檢波器是對輸出放射評估的最好方法。平均檢波器是最適合用於精準的量測像雜訊般信號的功率；而峰值檢波器則為設計掃描時來針對窄頻信號的追蹤。就如之前在接收機部分所提及的通道的間隔，對於DS-UWB來說是非常寬的，因此頻譜的測試對於裝置的互通性來說，並沒有特別的意義。圖6顯示為一個不良的 DS-UWB發射機的頻譜量測結果，我們可以看到有許多時脈洩漏的成分在UWB信號內，在右圖是使用傳統的峰值檢波器所得出的圖形，可以看到一些寄生的信號，但是它並沒有讓調變信號的功率位準被正確地量測出來；相對的，在左邊的圖形顯示正確的輸出功率，但是有一些突出的信號卻不見，這並非是頻譜分析儀有問題，這是由於選擇不同的頻距()、解析頻寬(resolution bandwidth)、顯示點而造成這個現象發生，增加顯示點將會對其有幫助，但是最好養成習慣同時去檢查這兩種不同的檢波器，在新式的頻譜分析儀，針對「UWB emissions」可以同時顯示兩種檢波器的軌跡。