超寬頻(UWB)技術已經支援了汽車的進階功能，例如免鑰匙汽車門禁系統。除此之外，UWB技術具備良好的測距能力，因此也能輔助汽車艙內的雷達感應。比利時微電子研究中心(imec)研究團隊近期發布一款低功耗UWB晶片，採用創新脈衝成形機制來提升測距精度。
脈衝成形提升UWB測距精度
(承前文)為了實現兒童遺留偵測(或其他車內感測)應用，低功耗解決方案不可或缺。不過，所採用技術的測距精度也同等重要。
UWB定位系統透過射頻(RF)脈衝的飛時測距(ToF)來支援物件定位和目標測距功能。以約為6GHz的通道中心頻率發射脈衝後，接收器會過濾和測量該訊號的到達時間(ToA)，進而估算出發射器與接收器之間的距離。
不過，要在車輛內部實現這點是項挑戰，在車內環境中，地板、車頂、車窗及座椅等產生的反射容易造成訊號失真，這些反射將產生多路徑訊號(Multipath Signals)。圖2為UWB發射器及接收器的架構塊圖，可用來測量單束射頻脈衝在散置雜物(代表會有多路徑訊號)環境中的到達時間。多路徑環境不僅代表需要測量視線(LOS)訊號的直接路徑，以取得目標物的距離及位置，還會附帶一些非視線(NLOS)訊號的部分，在其他表面產生反射並從其他物件產生散射現象。這些多路徑元件(Multipath Components)使得準確測量直接路徑訊號及可靠預測目標物位置及距離變得更加困難。
圖2 UWB發射器及接收器的架構塊圖 (圖片來源：imec)
為了減少多路徑元件帶來的影響，將採用脈衝成形(Pulse Shaping)策略，以盡可能地縮短脈衝。一方面，大幅增加脈衝振幅提高了測量訊號到達時間的精準度；另一方面，極短的脈衝時間也能在非視線多路徑訊號抵達前，協助測量在直接路徑上的視線訊號。
總體而言，在設計脈衝波形時，除了需要遵循UWB標準及規格，其他在設計上具有一定彈性：脈衝波形，以及發射器和接收器的電路設計皆主要交由系統及產品開發人員自行優化。
不過，設計時還有個重點需要列入考量，那就是UWB的頻率範圍會分成多個通道，以控管不同用戶之間的訊號干擾。因此，發射器必須符合頻譜波罩(Spectrum Mask)的規範，限制頻寬，並同時對訊號及到達時間的測量帶來限制。接收器也必須包含一個設有頻寬限制的通道濾波器，以排除來自鄰近通道的潛在干擾。換言之，對縮短脈衝時間的需求應該與系統占用的頻寬保持平衡，即脈衝越短，頻寬越大。脈衝成形機制必須審慎考量這項限制。
創新脈衝成形方法：使用相反載波相位的前兆訊號
若希望能準確預測脈衝的到達時間，尤其需要考量脈衝波形的前緣(Leading Edge)。對於容易出現多路徑訊號的室內(和車內)環境來說更是如此，後續產生的多路徑元件可能會破壞脈衝後緣(Trailing Edge)，甚至會在某種程度上破壞脈衝峰值。
因此，imec研究團隊在一篇發表於近期舉行的室內定位及導航(IPIN)國際會議的論文中，提議建立非對稱的脈衝波形，搭配陡脈衝前緣，以便從主要訊號中分離出多路徑元件，所用的反相前兆脈衝(Anti-phase Precursor Pulse)具備相反的載波相位[4]。建立非對稱的脈衝波形能夠縮短脈衝的上升時間，改善到達時間的測量精度，並減少鄰近的多路徑元件帶來的干擾，同時還能符合通道化訊號所需的頻譜遮罩。
首先，imec研究團隊採用根據漢明(Hamming)波形的脈衝波形，這種波所用的頻段差距符合UWB頻譜波罩的範圍限制。其所發射的脈衝波形包含一個主脈衝，以及在主脈衝發射2秒後才發射的一個反相副脈衝，如此便可建立一個短時間、負向的前兆脈衝，抑制主脈衝的最前段，並在到達峰值前持續增加其上緣坡度。上述皆可於頻譜波罩的限制範圍內進行(圖3)。
圖3 利用一個部分重疊的反相副脈衝來調變出具備Hamming前兆的脈衝波形 (圖片來源：imec)
開創性發射器電路：生成具備反相前兆的脈衝
為了充分利用脈衝成形的概念，imec研究團隊首創了可產生具備反相前兆脈衝波形的發射器電路(圖4)，其設計基於imec UWB收發器的應用。
圖4 利用反相前兆來調變脈衝的發射器電路設計 (圖片來源：imec)
發射器(TX)及接收器(RX)都是透過串接式鎖相迴路(PLL)的拓撲結構及一個石英晶體振盪器來提供一個鎖定的頻率，以產生499.2MHz的系統時脈和6~9GHz的局部振盪器(LO)頻率。接著，二階局部振盪器鎖相迴路(PLL)將分別在發射器和接收器的位置為其產生局部振盪器，進而減少功耗，並簡化時脈分配。
先進的UWB發射器目前面臨的最大挑戰，是在頻譜性能和低功耗之間做出取捨，以及處理內部脈衝干擾(IPI)。IEEE制定的802.15.4a/z標準定義499.2MHz的通道頻寬及碼片速率(Chip Rate)/脈衝速率(Pulse Rate)。這要求脈衝持續時間(Pulse Duration)小於4奈秒，也就是超過碼片週期(Chip Period)。不同於前導訊號的單脈衝模式，負載資料流可能會因為在該碼片速率下連續發射脈衝而出現內部脈衝干擾。
imec提出的UWB發射器設計採用了一個數位序列器/解序列器(SerDes)電路來減少內部脈衝干擾，如圖4所示。首先，一個振幅為2位元的相位符碼在頻率為499.2MHz的情況下進行解序列化後，被分為兩個在249.6MHz頻率下運行的交錯平行路徑。每個路徑採用同個非同步脈衝成形器(Pulse-shaper)，用來產生16個延遲子脈衝，這些子脈衝會形成一個量化的Hamming脈衝波形。非同步的脈衝成形技術會完全移除那些影響同步脈衝成形系統的頻譜成像，但代價是量化雜訊的基準將提升。不過，量化雜訊的基準可以透過選擇具備足夠數量的量化準位來降低。這兩條交錯平行的非同步脈衝成形器所輸出的訊號會由一個數位序列器進行序列化，根據相位編碼提供的極性進行加減。此外，該數位序列器將擷取一個新的相位編碼訊號，並透過零點交叉偵測電路來同步訊號，在不引發雜訊發射的情況下促進相位轉變。
同時，另一個平行路徑產生一個較小且極性相反的前兆脈衝。一個相似的SerDes電路在功率放大器前透過數位方式來整合前兆與主脈衝路徑，而反相前兆與主脈衝之間的轉換也運用一個零點交叉偵測電路來避免產生雜訊發射。
參考資料
[4] 鎖定到達時間（ToA）測量應用 具備前兆訊號的超寬頻（UWB）脈衝。本文發表於室內定位及導航國際會議（2023年9月）。
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(1)
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(2)
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(3)