Một thẻ định vị, một chìa khoá xe số hay một mô-đun theo dõi tài sản dùng UWB đều phải trả lời hai câu hỏi cùng lúc: tín hiệu phát ra có nằm gọn trong giới hạn phổ của cơ quan quản lý không, và khoảng cách đo được có đúng tới vài centimet không. Đo kiểm UWB khác hẳn đo một máy phát băng hẹp, vì mỗi kênh rộng khoảng 500 MHz, tín hiệu là chuỗi xung ngắn cỡ nano giây và độ chính xác định vị phụ thuộc trực tiếp vào hình dạng xung. Bài viết đi qua các thông số của lớp vật lý HRP theo IEEE 802.15.4z, cách đọc mặt nạ phổ, các phép đo máy phát, nguyên lý đo khoảng cách và lý do băng thông phân tích là ràng buộc quyết định khi chọn thiết bị.
Đo kiểm UWB: vì sao xung băng siêu rộng cần cách đo riêng
Theo bài blog kỹ thuật của Keysight về quá trình đo khoảng cách HRP UWB, UWB dùng độ rộng kênh tới khoảng 500 MHz với chu kỳ xung khoảng 2 ns, và chính điều đó cho phép đạt độ chính xác cỡ centimet. Một xung băng siêu rộng ngắn như vậy có hai hệ quả cho phép đo. Thứ nhất, năng lượng trải trên một dải rất rộng, nên mật độ phổ công suất trên mỗi MHz rất thấp và phải đo theo đơn vị dBm/MHz thay vì tổng công suất. Thứ hai, sườn trước của xung là mốc thời gian để tính khoảng cách, nên mọi méo dạng xung đều chuyển thành sai số khoảng cách.
Vì vậy một băng thử UWB không chỉ kiểm tra công suất và tần số. Nó phải đo được hình dạng xung so với xung tham chiếu, phổ so với mặt nạ, sai số đồng hồ chip, và cuối cùng là thời gian bay mà thiết bị báo cáo. Những phép đo này đòi hỏi máy thu có băng thông phân tích bao trọn một kênh, điều mà nhiều máy phân tích phổ cấu hình tiêu chuẩn không đáp ứng.
IEEE 802.15.4z: kênh, xung tham chiếu và cấu trúc khung
IEEE 802.15.4z-2020 được phê duyệt ngày 04/06/2020 và công bố ngày 25/08/2020, với tên sửa đổi “Enhanced Ultra Wideband (UWB) Physical Layers (PHYs) and Associated Ranging Techniques”. Mục đích của bản sửa đổi, theo trang IEEE SA, là bổ sung tuỳ chọn mã hoá để tăng tính toàn vẹn và độ chính xác của phép đo khoảng cách, đồng thời mở rộng lớp MAC để điều khiển thủ tục đo thời gian bay.
Tài liệu kỹ thuật 3120-1222 của Keysight tóm tắt ba băng tần của lớp vật lý HRP: băng dưới 1 GHz (249,6–749,6 MHz, một kênh), băng thấp (3,1–4,8 GHz, bốn kênh) và băng cao (6,0–10,6 GHz, 11 kênh). Hai kênh gặp nhiều nhất trong sản phẩm thương mại là kênh 5 (6 489,6 MHz) và kênh 9 (7 987,2 MHz). Kênh 9 là kênh bắt buộc của băng cao. Độ rộng kênh cơ bản là 499,2 MHz và tốc độ chip chuẩn cũng là 499,2 MHz.
Xung tham chiếu được chuẩn định nghĩa là xung cosin nâng căn với hệ số dốc β = 0,5. Điều chế kết hợp điều chế vị trí cụm xung (BPM) và khoá dịch pha nhị phân (BPSK). IEEE 802.15.4z thêm hai chế độ: BPRF với tần số lặp xung trung bình 62,4 MHz và HPRF với 124,8 MHz hoặc 249,6 MHz. HPRF hỗ trợ tốc độ dữ liệu 6,81; 7,8; 27,24 và 31,2 Mb/s.
Khung HRP gồm phần đầu đồng bộ SHR (chuỗi SYNC và dấu phân cách SFD), phần đầu vật lý PHR, tải tin và chuỗi dấu thời gian xáo trộn STS. STS là điểm mới quan trọng nhất của IEEE 802.15.4z: đây là chuỗi xung giả ngẫu nhiên sinh từ AES 128 bit, được đặt vào khung để bảo mật phép đo khoảng cách. Kẻ tấn công không biết khoá thì không thể phát lại một xung “đến sớm” để làm thiết bị tưởng hai bên ở gần nhau hơn thực tế.
Mặt nạ phổ và giới hạn phát xạ −41,3 dBm/MHz
Mặt nạ mật độ phổ công suất phát theo mục 16.4.6 của chuẩn là giới hạn tương đối so với đỉnh phổ của chính tín hiệu: thấp hơn −10 dB trong khoảng 0,65/Tp < |f − fc| < 0,8/Tp, và thấp hơn −18 dB khi |f − fc| > 0,8/Tp, trong đó Tp là nghịch đảo của tần số chip. Với tốc độ chip 499,2 MHz, hai mốc này nằm cách tần số trung tâm khoảng 324,5 MHz và 399,4 MHz. Chuẩn quy định đo với băng thông phân giải 1 MHz và băng thông video 1 kHz, và mốc 0 dBr là giá trị cực đại trong vùng |f| ≤ 0,65/Tp.
Bên cạnh mặt nạ tương đối còn có giới hạn tuyệt đối của cơ quan quản lý. Tại Mỹ, 47 CFR §15.519 giới hạn mức trung bình −41,3 dBm e.i.r.p. đo với băng thông phân giải 1 MHz trong dải 3 100–10 600 MHz, và mức đỉnh 0 dBm e.i.r.p. trong băng thông 50 MHz quanh tần số có phát xạ lớn nhất. Tại châu Âu, ETSI EN 302 065-1 V2.1.1 cho dải 6–8,5 GHz cùng giới hạn −41,3 dBm/MHz trung bình và 0 dBm đỉnh trong 50 MHz, không cần kỹ thuật giảm nhiễu. Cả kênh 5 và kênh 9 đều nằm trong dải này. Dải 3,1–4,8 GHz thì khác: không có kỹ thuật giảm nhiễu, giới hạn chỉ còn −70 hoặc −80 dBm/MHz.
Lỗi thường gặp khi đo mặt nạ là dùng sai bộ tách sóng hoặc sai băng thông phân giải, khiến phổ trông gọn hơn thực tế. Nên đo cả hai phép: mặt nạ tương đối theo chuẩn IEEE và mức tuyệt đối theo quy định khu vực, vì một máy phát có thể đạt mặt nạ tương đối mà vẫn vượt −41,3 dBm/MHz.
Phép đo máy phát: hình dạng xung, sai số tần số và đồng hồ chip
Mục 16.4.5 yêu cầu hàm tương quan chéo giữa xung phát và xung tham chiếu có búp chính lớn hơn hoặc bằng 0,8 trong một khoảng tối thiểu Tw, và mọi búp phụ không lớn hơn 0,3. Đây là phép đo đặc thù của UWB: nó không hỏi công suất bao nhiêu mà hỏi xung có đúng hình dạng không. Xung bị kéo dài do bộ lọc quá hẹp, hoặc có dao động đuôi do phối hợp trở kháng kém ở ăng-ten, sẽ làm búp chính thấp đi và búp phụ cao lên.
Dung sai tần số trung tâm (mục 16.4.10) và độ chính xác đồng hồ chip (mục 16.4.7) đều là ±20 × 10⁻⁶. Hai sai số này ảnh hưởng thẳng tới phép đo khoảng cách hai chiều, vì mỗi thiết bị đo thời gian bằng đồng hồ riêng của nó. Phạm vi nhiệt độ quy định trong mục 16.4.4 là 0–40 °C.
Tài liệu 3120-1222 ánh xạ từng mục thử của IEEE 802.15.4 sang kết quả của phần mềm phân tích 89600 VSA với tuỳ chọn 89601BHTC: phổ cho mục 16.4.3, vết tương quan với xung cosin nâng căn kèm độ rộng búp chính, đỉnh búp phụ và chỉ báo đạt hoặc không đạt cho mục 16.4.5, mặt nạ phát tự sinh đường giới hạn cho mục 16.4.6, sai số đồng hồ chip cho mục 16.4.7 và sai số tần số cho mục 16.4.10. Bảng kết quả còn có vị trí RMARKER, công suất trung bình và đỉnh riêng cho SHR, phần dữ liệu và STS. Ứng dụng đo N9084EM0E trên máy phân tích X-Series báo thêm chỉ số NRMSE cho SHR, dữ liệu và STS.
Đo khoảng cách bằng thời gian bay và góc tới
Mốc thời gian của khung UWB là RMARKER, tức vị trí chip đầu tiên sau khi bắt đầu dấu phân cách khung. Thiết bị dùng mốc này để tính thời gian bay. Phương pháp cơ bản là đo khoảng cách hai chiều một phía (SS-TWR); phương pháp hai phía (DS-TWR) cải thiện độ chính xác khi hai thiết bị không đồng bộ đồng hồ. Quy đổi rất trực quan: 1 ns thời gian bay tương ứng khoảng 30 cm trong không khí. Sai số đồng hồ ±20 × 10⁻⁶ nghe nhỏ, nhưng tích luỹ trong thời gian trả lời của thiết bị đối diện, nên DS-TWR mới được ưu tiên.
Kiểm thử đo khoảng cách bằng thời gian bay trong thực tế là cho thiết bị cần đo trao đổi khung với một thiết bị chuẩn có độ trễ đã biết, rồi so khoảng cách thiết bị tự báo cáo với giá trị thật. Keysight mô tả phép thử này có thể chạy qua kết nối dây dẫn hoặc qua không gian (OTA). Phép đo góc tới (AoA) dựa trên độ lệch pha giữa các ăng-ten của mảng; băng thử dùng một đường trễ độ chính xác cao để mô phỏng trễ truyền trên một nhánh, và khi đo OTA cần buồng thử chuyên dụng.
Ứng dụng tiêu biểu là chìa khoá xe số. Đặc tả Digital Key Release 3.0 của Car Connectivity Consortium xác thực chìa khoá giữa xe và điện thoại qua Bluetooth Low Energy, sau đó mở phiên đo khoảng cách bảo mật bằng UWB để xe biết chính xác người dùng đang ở gần tới đâu. Nếu cùng dự án cần kiểm tra định vị vệ tinh, bài đo kiểm GNSS và ảnh hưởng đa đường trình bày phần bổ trợ.
Băng thông phân tích: ràng buộc quyết định khi chọn thiết bị
Một kênh UWB rộng 499,2 MHz, nên máy thu phải có băng thông phân tích lớn hơn con số này để thu trọn xung. Mặt nạ còn kéo ra ±399,4 MHz, tức tổng cộng gần 800 MHz nếu muốn thấy cả vùng −18 dB trong một lần thu. Đây là chỗ nhiều cấu hình tiêu chuẩn không đạt:
- Máy thu phát PXIe M9415A VXT: tuỳ chọn tiêu chuẩn B4X chỉ cho 400 MHz, nhỏ hơn một kênh. Cần tuỳ chọn B8X (800 MHz) hoặc B12 (1,2 GHz), và chọn bản tần số 8 GHz hoặc 12 GHz để phủ kênh 9.
- Máy phân tích tín hiệu N9030B PXA: băng thông phân tích tối đa trong datasheet 5992-1317EN là 510 MHz với tuỳ chọn B5X, chỉ nhỉnh hơn một kênh.
- Máy phân tích tín hiệu N9042B UXA: tuỳ chọn R10 (1 GHz), R15 (1,5 GHz), R20 (2 GHz). Tuỳ chọn R40 4 GHz chỉ điều chỉnh từ 10 GHz trở lên, nên không dùng cho kênh 5 và kênh 9; với R10–R20 cần xác nhận dải điều chỉnh theo cấu hình báo giá.
- Máy hiện sóng: dòng MXR tối đa 6 GHz nên không số hoá trực tiếp được kênh 5 hay kênh 9 ở tần số RF. Nếu muốn thu trực tiếp bằng máy hiện sóng thì phải dùng UXR, dòng có băng thông từ 5 GHz tới 110 GHz và bộ ADC 10 bit.
Chiều phát tín hiệu thì dễ hơn: VXG có băng thông RF 2 GHz, dư cho một kênh 499,2 MHz, và phần mềm Signal Studio for IoT (N7610C) tạo khung HRP UWB theo IEEE 802.15.4 và 802.15.4z, có thể thêm suy hao để thử máy thu.
Chọn thiết bị Keysight cho đo kiểm UWB
Keysight liệt kê bộ giải pháp UWB gồm máy thu phát M9415A VXT, ứng dụng đo N9084EM0E, phần mềm 89601BHTC, Signal Studio N7610C và bộ mô phỏng kênh PROPSIM. Công cụ kiểm thử dựa trên M9415A cùng phần mềm PathWave VSA được FiRa Consortium công nhận là công cụ kiểm thử hợp lệ từ 09/05/2023, và tiếp tục trong chương trình chứng nhận FiRa 2.0 từ 03/04/2024. Cấu hình phòng thí nghiệm tiêu biểu:
- Phân tích máy phát: máy phân tích tín hiệu Keysight N9042B UXA với tuỳ chọn băng thông R10 trở lên cho đủ mặt nạ, hoặc Keysight N9030B PXA với tuỳ chọn B5X khi chỉ cần thu một kênh, chạy 89600 VSA với tuỳ chọn 89601BHTC.
- Phát tín hiệu thử máy thu: máy phát tín hiệu vector Keysight M9384B VXG, dải 1 MHz–44 GHz, băng thông RF 2 GHz, phát lại dạng sóng từ Signal Studio. Đây là máy để bàn; bản khung PXIe tương ứng là M9383B.
- Dây chuyền sản xuất và chứng nhận FiRa: máy thu phát PXIe Keysight M9415A VXT với tuỳ chọn băng thông B8X hoặc B12.
Những gì bài chưa nêu số, như ngưỡng đạt của phép thử FiRa hay giới hạn độ nhạy thu, nằm trong đặc tả chỉ dành cho thành viên; hãy lấy từ tài liệu chứng nhận chính thức khi xây quy trình.
Kết luận
Đo kiểm UWB gồm bốn lớp: phổ so với mặt nạ và giới hạn −41,3 dBm/MHz, hình dạng xung so với xung tham chiếu, sai số tần số và đồng hồ chip ±20 × 10⁻⁶, và cuối cùng là độ chính xác thời gian bay. Ràng buộc phần cứng quyết định là băng thông phân tích: một kênh 499,2 MHz đã vượt cấu hình tiêu chuẩn của nhiều máy.
Phép đo xung nano giây chỉ đáng tin khi máy phân tích, máy phát và cáp thử được hiệu chuẩn định kỳ, nhất là độ phẳng biên độ và pha trên toàn băng thông phân tích. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích tín hiệu và máy phát tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo kiểm UWB và lịch hiệu chuẩn.
Thiết bị đeo thường có cả UWB lẫn Bluetooth; phần đo máy phát Bluetooth được trình bày trong bài đo kiểm Bluetooth Low Energy theo RF-PHY.TS trên Keysight MXA.
