LitePoint提供UWB测试解决方案

支持全新精准定位功能的无线技术正不断扩展应用范例，其中包括需要更高级别安全性的例子 。例如，在汽车行业，需要在汽车和遥控钥匙之间进行更安全的身份验证。这为超宽带（UWB） 技术创造了一个完美的时机来展示其相比于其他技术在定位、位置检测和方向方面的独特优势，这些优势使其能够满足更高的安全性需求。UWB 非常适合支持两个设备安全找到彼此并了解彼此在空间中的相对位置的应用。

UWB 使用一种称为飞行时间 （TOF） 的技术来启用其安全的身份验证方法。与通过信号强度估算两个设备之间距离的其他技术不同，TOF 涉及发送和接收信号，并根据完整发送/接收周期所需的时间计算距离。破解信号强度测量结果相对容易，但时间几乎不可能伪造。这种高度的安全性使 UWB 在当今具有重要意义。

UWB 的三个主要用例包括

访问控制

将 UWB 嵌入遥控钥匙等设备可以实现严格的访问控制，无论是进入安全的建筑物还是汽车均是如此。基于 UWB 的系统可以估算 10 厘米内的接近距离。访问系统可以设置为仅当授权用户在给定距离内时才允许访问，任何未携带 UWB 设备的人员都将被自动拒绝进入。

基于位置的服务

精确接近度检测支持基于位置的服务，例如基于用户位置的室内空间导航和环境内容导航。当您从一个房间移动到另一个房间时，系统会提供与每个房间相关的信息。以博物馆或办公大楼为例，内部某个位置的具体信息可轻松获取。

设备到设备通信

UWB 允许设备安全地共享信息，这可以与其定位功能相结合，将相关信息从一个设备推送到另一个设备。

UWB 测距：深入研究

UWB 使用时间短、频率宽的电子脉冲，因此得名超宽带。本质上，一个 UWB 设备发出一个信号，检测到该信号的设备发回一个回应信号。这一过程称为单边测距或单边双向测距。通过测量发送信号（称为 ping）和接收答复 （pong） 之间的时间，发送设备可以精确计算出二者之间的距离。

在某些情况下，发送设备会在收到答复后发送另一个信号，这样两个设备便都可以测量时间。这种称为双边双向测距的技术为定位增加了第二层安全性和精度。

至关重要的 UWB 质量测试

在评估 UWB 设备性能时，有三个方面的测量十分重要。

安规

UWB 信号与许可频谱重叠，因此务必验证设备是否违反国家频谱管理机构制定的法规。虽然绝对发射器功率和功率频谱模板是主要的监管指标，但设备性能中的其他因素也可指示设备是否满足功率模板要求。 这包括发射器校准和测试脉冲形状。 设备发射的功率越高，泄漏到所需通道之外的能量就越多，并且可能干扰相邻设备，甚至违反许可频段。掩码是指设备防止由于发射器的杂散或线性性能而导致信号泄漏的能力，同时功率输出会影响最终设备的工作范围。良好的校准可最大限度地提高功率，同时提供有效的频谱掩码性能。

互操作性

UWB 互操作性的一个关键指标是频率精度。无线设备使用调谐电容来调整决定广播频率的晶振。如果此调谐未正确完成，则会导致载波频率偏移（CFO）或频率误差。简而言之，这意味着该设备与其他设备的工作频率并不完全相同。如果 CFO 很小，设备将能够进行通信，但测距测量会存在误差。如果 CFO 很大，则调谐不当的设备可能根本无法与其他设备通信。频率校准是确保设备互操作性的关键部分。以实际案例来说，在两个定位设备本身之间若存在1PPM的频率偏移，大约会造成一米左右的定位精度误差。藉由传导式的频偏校准，可以补偿石英震荡器的频偏造成实际的定位误差，同时可节省选用高精度石英震荡器而造成的成本增加。 另一种工具是一种称为归一化均方误差 （NMSE） 的测量，用于比较代测物所发射的脉冲讯号与参考脉冲讯号的相异程度，它会捕捉系统中的几种不同效果并提供汇总测量（ 关联到阻抗匹配、滤波效应、群延迟等）。

飞行时间

关于校准TOF，有两种观点。一种观点是在印刷电路板级校准系统，并假定所连天线的无线性能将处于窄容差范围内。藉由外部仪表模拟高精度定位的过程并且将天线端口后端的延迟补偿，可以让系统估算出印刷电路板所造成的延迟量测出来并且回填在芯片内部补偿实际量测的误差。 另一种方法是测试所装配的设备，并使用其实际无线性能（OTA）校准 TOF。运用类似的方法可以估算系统结合不同天线在不同方位所造成的延迟。 每种方法均有效，但此处的要点是系统中有许多不同的元件和变化来源。我们的目标是最大程度减少变化，达到 UWB 可提供的定位精度。在实际的验证中，两种校准方法可以补偿印刷电路板（下图Frontend）造成的约500皮秒以及天线造成约300 皮秒的延迟，换算成实际精度可以补偿约15公分的误差。（不同的天线与板材电路的布局，造成的延迟会因为各种条件影响有所不同）

到达角：定义和工作原理

UWB可采用两种工作模式：三角测量模式和对等模式。三角测量需要在环境中放置一系列“锚点”设备，以供UWB“标签”设备用来比较其相对于多个锚点的位置。对等操作允许两个设备直接通信，而无需在环境中放置锚点设备。对等操作要求设备能够确定距离和方向。距离通过TOF得出，方向通过到达角（AoA）确定。AoA 要求设备至少有两个天线。AoA 确定不同天线在检测传入信号时彼此之间的时间（或相位）差。凭借该时间（或相位）差提供的信息，设备便能够计算信号传入的角度。

FiRa 联盟

FiRa联盟成立于 2019 年，该组织寻求将行业专家和产品专家凝聚在一起来开发生态系统，使 UWB 产品能够实现互操作性并且彼此无缝协作。在过去的一年里，会员数量急剧增加。该联盟将启动一项认证计划，以确保设备符合 FiRa 规范的互操作性要求。这项认证计划将涵盖物理层功能 （PHY） 和介质访问控制 （MAC） 的一致性测试用例。

认证意味着设备已在独立授权测试实验室 （ATL） 进行测试，并在经过严格测试后被证实符合 FiRa 规范。这可让制造商和用户高度确信该设备可与其他设备实现互操作。

LitePoint 解决方案

LitePoint的 UWB 测试系统包括硬件和软件，可启用预编程的测试脚本来最大限度地测试特定芯片。LitePoint 的 IQgig-UWB是一款经过 FiRa 验证的全整合系统，专为 UWB PHY 层测试而设计。我们提供适用于UWB芯片组和设备制造商的一站式测试解决方案，包括FiRa PHY一致性自动化解决方案。IQgig-UWB非常适合实验室或量产环境、支持UWB的模块和最终产品以及支持UWB的汽车、移动、资产跟踪或医疗保健设备。

IQfact+ 是在与领先 UWB 芯片组供应商的密切合作下开发的，这是一种基于软件、适用于芯片组制造商的一站式校准解决方案。它支持包括UWB在内的所有关键无线连接技术。

结语

UWB技术为访问控制、基于位置的服务和设备到设备通信十分重要的各种设置提供了强大的功能。然而，在最终应用中实现的实际性能取决于能否确保关键射频参数满足高精度要求。这些关键测量参数旨在确保设备符合监管指南和互操作性要求，并提供良好的用户体验。从测试的角度来看，校准UWB设备的频率和发射器功率至关重要。需要精确的飞行时间和到达角测量来验证 UWB 设备可提供的厘米级精度。LitePoint的解决方案提供了这种测试，可助力发掘UWB的潜力。

　　审核编辑：彭菁