宽带低功率线性调频脉冲信号功率测试方法

宽带低功率线性调频脉冲信号功率测试方法

廖中良

桂林长海发展有限责任公司广西桂林541001

摘要：现如今，无线电技术新兴起一种名叫超宽带（UWB）无线技术。这种技术发展非常迅速，并且有望在低功耗、短距离无线应用上广泛普及。目前，UWB技术已经迅速成为无线USB和短程探地雷达等应用的领导技术。UWB无线电不同于传统窄带无线电，拥有大量的专用测试需求。巨大的信号带宽、窄脉冲和接近热噪底的瞬态功率频谱密度（PSD），使得UWB测试起来非常困难。这是UWB测试的比较简单有效的解决方案。

关键词：集成电路应用；网络分析仪；信号传播；测量方法

前言：超宽带技术是一种新型无线通信技术。因其具有数据传输速率高，功耗极低、透视能力很强等优势，近年来被广泛应用于无线局域网、无线传感网、雷达定位和成像系统等多个领域。因此超宽带脉冲产生电路的研究就显得尤为重要。目前的超宽带脉冲产生方法有很多，但都存在不足之处，例如隧道二极管所产生的脉冲，上升时间短，但幅度较小；雪崩三极管脉冲产生电路的幅度比较高，但脉冲宽度较大；高压皮秒光导开关技术可以产生质量很高的皮秒脉冲，但工作时需要皮秒激光，限制了其使用范围。

1宽带脉冲二次透射法

时域分离宽带脉冲法基本原理如下：基于维纳滤波原理，可以在声管内部产生时域波形规整、频带宽、重复性好的脉冲声，应用此脉冲声信号进行隔声测量。样品置于脉冲声管中央，在样品前用一个传声器采集时域上分离的入射波与反射波，样品后用一个传声器采集透射波，进而计算复反射系数、透射系数、隔声量。二次透射法是在宽带脉冲法基础上的改进方法，其原理是将样品材料置于脉冲声管中，将标准反射体置于声管末端，根据管长和脉冲声长度设计样品安装位置及传声器位置，在样品前用一个传声器采集时域上分离的入射波、反射波、二次透射波，从而计算待测样品的隔声性能参数。传声器位置满足一定条件：一次入射波、一次反射波、二次透射波、二次入射波时域上波形不叠加。传声器至声源的距离为l，样品前表面至声源距离为D，脉冲声管管长为L。设在脉冲管中生成的宽带脉冲时长为t，空气中声速为c，则在传声器处采集到的信号中，一次入射波的时间区间为（l/c，l/c+t），一次反射波的时间区间为（（2D-l）/c，（2D-l）/c+t），二次透射波的时间区间为（（2L-l）/c，（2L-l）/c+t），由一次反射波在声源处反射引起的二次入射波的时间区间为（（2D+l）/c，（2D+l）/c+t），故应有

可见只要设计样品安装位置D以及传声器位置l满足式（2），便可用一次测试采集到在时域上分离的入射波A、反射波B、二次透射波C，进而计算样品材料的隔声性能参数。

2关键技术

2.1信号耦合采样

载波信号使用电力线传输，不能直接接入精密仪器进行测量，需要通过信号耦合取样的方式将工频信号和电力线载波信号分离。本文设计的耦合采样单元可将工频信号和载波信号分离，通过耦合电压滤波器的方式耦合取样2～30MHz载波信号，并将电力线阻抗转换成标准50Ω阻抗，解决载波信号依附于强电无法定值准确测量的问题。

2.2载波信号隔离与辐射屏蔽

载波信号使用2～30MHz频带进行传输，调制方式为OFDM，在距离较近的情况下载波辐射功率较大，在无屏蔽条件和隔离条件下互相串扰，无法准确测量。在载波节点自由组网条件下，网络拓扑时变且不可控，为准确评价载波通信路由及收发性能，需要纯净的电力线隔离和无线屏蔽环境，各节点之间完全隔离，互不干扰。本文设计的隔离屏蔽装置使用了低频屏蔽箱和电力线滤波器，箱体内既引入了220V强电解决宽带载波过零检测的问题，又可隔离外界电力线上的载波信号传导串扰和空中辐射。

2.3开关矩阵

在性能测试中，需要接入信号分析仪来分析载波通信信号的占用带宽和功率谱密度，在抗衰减性能测试中需要主节点CCO和子节点STA之间增加衰减，在抗频偏测试中透明收发单元的参考时钟偏移需使用信号源提供的高精度时钟。同时，通信组网测试需要主节点CCO接入信号矩阵和15级子节点STA通信。需要将各部分组合连接成一个通信链路，通过射频控制开关实现信号源在噪声测试和频偏测试中的切换。由于接入的设备众多，不可避免地需要引入分支器，分支器的损耗可以通过矢量网络分析仪准确测出，通过耦合插损和分支器损耗补偿可精确测试宽带载波信号。

2.4信号汇集与控制

在载波通信过程中，要实现通信链路的可控，除需要纯净的环境外，还需要物理路径控制设备——信号矩阵。通过信号矩阵可以实现各节点的接入，同时链路上的衰减器可调，从而实现宽带载波各层级的调控。根据宽带技术规范和物理层协议，通信路径可调衰减在110dB左右，各芯片厂商的性能略有差异。3分支功分器理论衰减损耗为6dB，15层中继分支衰减完全在有效范围内，最后一级在没有调节衰减的情况下可以连接到CCO主节点，实现星型拓扑。各衰减器调节范围为0～127dB，在不考虑插入损耗的情况下，衰减器最大值可完全隔离载波通信信号。调节信号矩阵衰减值，可实现各级衰减可调，实现树型拓扑连接。根据要求，可配置3个独立的信号矩阵，实现真实电网三相电通信的仿真测试，可支持三相不平衡、台区档案识别、相位识别等高级扩展功能。

2.5路径损耗校正方法

由于开关矩阵中分支器和耦合采样电路的存在，不可避免地会引入中间路径损耗，导致测量结果出现偏差。分支器损耗在2～30MHz范围内基本一致，耦合采样电路低频损耗小，插入损耗则随着频率的增加而增大。信号耦合电路和分支器使用无源器件，双向信号矢量衰减曲线基本一致。使用矢量网络分析仪分别测试CCO电力线端到STA端和STA端到CCO端S21和S12衰减曲线，保存测试数据为.CSV格式，导入到上位机中，在测试收发性能时以采样曲线拟合的方式逐点补偿，实现2～30MHz范围内的精确补偿，误差值小于0.2dB。

结束语

无线电技术新兴起一种名叫超宽带（UWB）无线技术。这种技术发展非常迅速，并且有望在低功耗、短距离无线应用上广泛普及。目前，UWB技术已经迅速成为无线USB和短程探地雷达等应用的领导技术。UWB无线电不同于传统窄带无线电，拥有大量的专用测试需求。巨大的信号带宽、窄脉冲和接近热噪底的瞬态功率频谱密度（PSD），使得UWB测试起来非常困难。这是UWB测试的比较简单有效的解决方案。

参考文献：

[1]李瑛.张水莲.俞飞.罗飞.超宽带通信技术及其应用[J].电子技术应用，2004（08）.

[2]傅云鹏.赵元珍.超宽带通信技术研究及最新发展动向[J].西北水电，2008（02）.

[3]李承泽.陈国琳.康冰.UWB技术可行性分析[J].无线互联科技，2012（10）.