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1 無(wú)線信號(hào)鏈

無(wú)線信號(hào)是如今的許多嵌入式系統(tǒng)中必備的部分，移動(dòng)終端的制造商正在討論媒體匯聚，消費(fèi)者可以在筆記本、移動(dòng)電話、便攜式數(shù)字電視或者PDA進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽或者觀看賽事實(shí)況。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，各種媒體內(nèi)容都被“翻譯”成為無(wú)線信號(hào)。然而，媒體匯聚其實(shí)是無(wú)數(shù)種復(fù)雜的技術(shù)的先驅(qū)，比如說(shuō)增強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮（編解碼）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。無(wú)數(shù)其他的無(wú)線技術(shù)，比如大量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和媒體格式，都應(yīng)得到大書特書。但這個(gè)章節(jié)，對(duì)于信號(hào)完整性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們無(wú)需考慮媒體、標(biāo)準(zhǔn)，和那些各種無(wú)線傳輸?shù)奶匦?，只關(guān)注測(cè)試和分析無(wú)線信號(hào)。無(wú)線信號(hào)和頻譜的分析是各種專業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的手法，并且更應(yīng)該在無(wú)線的教科書中出現(xiàn)。

并且，因?yàn)闊o(wú)線系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來(lái)越流行，新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也在采用，在這些無(wú)線環(huán)境中信號(hào)完整性工程應(yīng)該得到重視。因此，這本書如果不討論現(xiàn)代無(wú)線信號(hào)和它們的測(cè)試，那將是不完整的。所以，本章節(jié)旨在幫助你理解無(wú)線信號(hào)測(cè)試的新技術(shù)，本章節(jié)同時(shí)提供一些在現(xiàn)代無(wú)線環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)分析的新點(diǎn)子。

討論信號(hào)完整性和測(cè)量是個(gè)大工程，將無(wú)線測(cè)試儀器的討論也加入到關(guān)于廣泛的SI書籍里面一直是受到爭(zhēng)議的。然而，這個(gè)話題也是直接坦白的，因?yàn)轭l譜分析儀(SA)是進(jìn)行射頻(RF)測(cè)試必備的工具，并且，頻譜分析在廣泛的無(wú)線系統(tǒng)和器件的設(shè)計(jì)中是占有統(tǒng)治地位的。另外，頻譜分析目前在從低功耗射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)到高功率雷達(dá)和RF發(fā)射機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)中都會(huì)被采用。

2 射頻信號(hào)

一個(gè)RF載波信號(hào)就像一張空白的紙，在上面可以寫下并傳播信息。RF載波可以通過(guò)改變幅度和相位傳遞信息，這也就是所謂的調(diào)制。舉例來(lái)說(shuō)，我們一般討論調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），不過(guò)書面上，頻率調(diào)制FM是相位調(diào)制（PM）的一種形式。AM和PM的結(jié)合形成了目前的無(wú)數(shù)種調(diào)制方式，比如正交相移鍵控（QPSK），是一種數(shù)字調(diào)制方式，各符號(hào)位呈90度的相位差。正交幅度調(diào)制（QAM）是廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式，采用該方式相位和幅度都會(huì)同時(shí)變化從而提供多種狀態(tài)。其他更加復(fù)雜的調(diào)制方式比如說(shuō)正交頻分復(fù)用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。無(wú)線系統(tǒng)提供的基本的訊息為調(diào)制一個(gè)載波信號(hào)的方法提供了全面的實(shí)例。為了理解調(diào)制，一張實(shí)例圖可能比千言萬(wàn)語(yǔ)更有效。

然而，要理解無(wú)線載波的數(shù)字調(diào)制，必須熟悉用向量來(lái)表示信號(hào)的幅度和相位，正如圖10-1中顯示的那樣，一個(gè)信號(hào)向量可以理解為將信號(hào)的瞬時(shí)的幅度和相位分別由向量的長(zhǎng)度和角度來(lái)表示。

如果是在一個(gè)極坐標(biāo)參照系統(tǒng)，同樣可以采用一個(gè)傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)參照系或直角坐標(biāo)X和Y來(lái)表述。在一個(gè)RF信號(hào)的數(shù)字表述中，通常會(huì)用到一個(gè)I信號(hào)和與其正交的Q信號(hào)，在數(shù)學(xué)上，其實(shí)就相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X分量和Y分量。圖10-2舉例說(shuō)明了向量的幅度和相位，和當(dāng)時(shí)的I、Q分量的狀態(tài)。

圖1

圖2

比如，AM調(diào)制信號(hào)就可以用I和Q分量來(lái)表示，這就需要計(jì)算載波瞬時(shí)的I、Q幅度，每個(gè)瞬時(shí)值被表述為數(shù)字并記錄在存儲(chǔ)器上，最后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（幅度值）就給出了原始調(diào)制信號(hào)的表述。然而，PM調(diào)制沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，它還包括相位的信息，計(jì)算I、Q值并存儲(chǔ)后，然后執(zhí)行三角運(yùn)算來(lái)糾正所有的數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)就是原始的調(diào)制信號(hào)。徹底理解I、Q信號(hào)似乎比較難，但實(shí)際上這與理解一個(gè)正弦信號(hào)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上用X、Y坐標(biāo)來(lái)表述向量是一樣的。

然而，在10-1和10-2圖中表述的信號(hào)在實(shí)際情況中是很少發(fā)生的，移動(dòng)電話和其他無(wú)數(shù)的無(wú)線系統(tǒng)在現(xiàn)代世界中進(jìn)行了延伸，在這個(gè)世界中無(wú)線干擾無(wú)處不在。諸如移動(dòng)電話等產(chǎn)品一般是在一個(gè)受限的頻段里面工作，因此，移動(dòng)電話和其他無(wú)線設(shè)備制造商需要在法律上遵守頻帶的規(guī)范。設(shè)計(jì)這些設(shè)備需要避免臨近頻道RF能量的傳輸，這對(duì)一些需要在不同的模式下切換信道的無(wú)線系統(tǒng)更加具備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一些設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)授權(quán)頻段的無(wú)線設(shè)備同樣需要有效處理干擾的問(wèn)題。

政府的規(guī)范一般會(huì)要求這些無(wú)授權(quán)頻帶設(shè)備只能進(jìn)行突發(fā)模式（bursty）工作并必須在一定功耗的限制下工作。正確的探測(cè)、測(cè)量并分析“突發(fā)”模式的無(wú)線信號(hào)對(duì)與SI設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常有意義的工作。

3 頻率測(cè)量

頻率測(cè)量一般由掃描頻譜分析儀完成，通過(guò)在一定的分辨率帶寬(RBW)下掃描出每個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)的幅度并保存，從而顯示出幅度隨整個(gè)頻段變化的信息。掃描頻譜分析儀要提供信號(hào)靜態(tài)頻譜分量的極佳的動(dòng)態(tài)范圍和高度的精確度，RBW是重要的考量。然而，掃描頻譜分析儀的主要缺點(diǎn)是，它只在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)試信號(hào)的一個(gè)頻點(diǎn)的幅度。

這是一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)槟壳靶碌臒o(wú)線應(yīng)用的RF信號(hào)都有復(fù)雜的時(shí)域特性。最新的RF信號(hào)，特別是開(kāi)放使用的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段，經(jīng)常采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，比如藍(lán)牙和WiFi，那些信號(hào)是斷續(xù)（intermittent）的或是突發(fā)（bursty）的。如此短持續(xù)時(shí)間的無(wú)線信號(hào)相比以往的無(wú)線信號(hào)，在頻域內(nèi)的改變更加引人注目。因此，鑒于傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀在數(shù)字調(diào)制分析和工作能力，采用該儀器來(lái)測(cè)試如今的無(wú)線信號(hào)顯得太困難了。甚至是針對(duì)特定數(shù)字調(diào)制應(yīng)用的矢量信號(hào)分析儀(VSA)，在分析一段時(shí)間內(nèi)頻率調(diào)制的特定信號(hào)也存在限制。

現(xiàn)今的頻譜檢測(cè)經(jīng)常要涉及到在非固定的時(shí)間和無(wú)關(guān)聯(lián)的噪聲下探測(cè)基本事件。簡(jiǎn)單的說(shuō)，包括瞬時(shí)的、可預(yù)知的和不可預(yù)知的頻移，復(fù)雜的調(diào)制圖，現(xiàn)在多種的RF和無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用。普通的例子是RFID和擴(kuò)頻通信，通信發(fā)生的時(shí)間都非常短或者說(shuō)是突發(fā)信號(hào)。盡管普通的掃描頻譜分析儀和向量分析儀有針對(duì)這些無(wú)線通信方式測(cè)量的選項(xiàng)，本章節(jié)我們瞄準(zhǔn)采用實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)進(jìn)行測(cè)量。我們討論RTSA是因?yàn)榻裉斓臒o(wú)限應(yīng)用已經(jīng)傾向于瞬時(shí)信號(hào)。SI工程師現(xiàn)在需要同時(shí)在時(shí)域和頻域?qū)λ麄兏信d趣的信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)和捕獲。

SI工程師經(jīng)常需要捕獲一個(gè)連續(xù)的信號(hào)流，包括瞬時(shí)的和頻率漂移，他們需要得到信號(hào)的頻率、幅度和調(diào)制的變化。另外，所有這些工作往往需要在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)完成。比如說(shuō)，一個(gè)SI工程師要采用一臺(tái)掃描頻譜分析儀探測(cè)一個(gè)現(xiàn)代RF系統(tǒng)的瞬時(shí)事件，他需要等待很長(zhǎng)的時(shí)間。甚至那樣他也會(huì)受到限制，或者他有可能錯(cuò)過(guò)了一個(gè)突發(fā)事件的測(cè)量。

對(duì)新的RF應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試的思路是這些無(wú)線信號(hào)在時(shí)域的變化。這個(gè)特性，加上以往討論的因素，迫切需要新的測(cè)試方案。因此，SI工程師和設(shè)計(jì)者越來(lái)越多的使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀，盡管RTSA并不是個(gè)新東西，它同VSA的概念也很類似，RTSA對(duì)SI工程的應(yīng)用還是很關(guān)鍵。因此，今天的SI工程師需要考慮傳統(tǒng)的頻域信息和RTSA。另外，盡管現(xiàn)在的趨勢(shì)是SI工程師已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到RTSA對(duì)于潛在時(shí)域和頻域RF信號(hào)特性的重要性，我們這一章還是論述了關(guān)注RTSA的原因。

4 掃描頻譜分析儀

傳統(tǒng)架構(gòu)的掃描式、超外差頻譜分析儀在幾十年前讓工程師們首次能夠?qū)︻l域進(jìn)行測(cè)量。曾經(jīng)的掃描頻譜分析儀(SA)采用純粹的模擬器件打早，并迅速取得了成就。目前的新一代掃描頻譜分析儀采用了高性能的數(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)，包括ADC，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，和微控制器。然而，掃描原理的基礎(chǔ)是相同的，而且該儀器保持了其作為基礎(chǔ)的RF信號(hào)測(cè)量工具的地位。新一代SA的突出優(yōu)點(diǎn)是具備優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)范圍，因此能捕獲和探測(cè)一個(gè)寬范圍的RF信號(hào)。

通過(guò)將信號(hào)需要的頻點(diǎn)進(jìn)行下變頻并通過(guò)RBW濾波器在帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，功率-頻率的測(cè)量就可以實(shí)現(xiàn)了。RBW濾波器后面跟一個(gè)檢波器用于計(jì)算通帶內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的幅度值，如圖10-3所示。

圖10-3

圖10-3顯示了頻率分辨率和時(shí)間之間平衡的測(cè)試。本地振蕩器提供一個(gè)“掃描”的頻率到混頻器，每次掃描在混頻器輸出提供一個(gè)不同的頻率和其對(duì)應(yīng)的數(shù)值。分辨率濾波器被設(shè)定在一個(gè)用戶可選的頻率范圍，也就是分辨率帶寬(RBW)。濾波器帶寬越窄，測(cè)量?jī)x器的分辨率就越高，對(duì)儀器噪聲的排除也越好。RBW濾波器的后面跟上一個(gè)檢測(cè)器，來(lái)測(cè)量瞬時(shí)每個(gè)頻率數(shù)值的頻率功率大小。因?yàn)檫@種方法可以提供較高的動(dòng)態(tài)范圍，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一個(gè)頻點(diǎn)的幅度值。如果RBW濾波器被設(shè)計(jì)得太窄，對(duì)RF輸入完成一次掃描時(shí)間會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)，從而輸入的RF信號(hào)的一些變化就探測(cè)不出來(lái)。在一段頻域或幾個(gè)通帶內(nèi)掃描會(huì)花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，該測(cè)試技術(shù)的前提是假設(shè)在進(jìn)行多次掃描的這段測(cè)試時(shí)間內(nèi)信號(hào)不會(huì)有顯著的變化，因此，一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的、不變的輸入信號(hào)是必須的。如果信號(hào)頻繁的改變，也許就得不出結(jié)果。

比如說(shuō)，圖10-4的左面的圖顯示了一個(gè)RBW邏輯分析儀測(cè)試的結(jié)果，頻率最開(kāi)始是Fa，而在一瞬間頻率變成了Fb。當(dāng)掃描到達(dá)Fb時(shí)，信號(hào)已經(jīng)消失且測(cè)不到了，所以RBW頻譜分析儀的掃描沒(méi)法在Fb時(shí)提供觸發(fā)，因而沒(méi)能存儲(chǔ)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)全面的信號(hào)情況。這是一個(gè)頻率分辨率和測(cè)試時(shí)間之間平衡的經(jīng)典的例子，也是RBW頻譜分析儀的致命弱點(diǎn)(Achilles' heel)。

圖10-4

然而，最新的掃描頻譜分析儀比以往傳統(tǒng)的基于模擬處理的設(shè)備要快的多，圖10-5顯示了一款現(xiàn)代的優(yōu)秀掃描頻譜分析儀的架構(gòu)。傳統(tǒng)模擬RBW濾波器得到了數(shù)字增強(qiáng)，以促進(jìn)快速和精確的窄帶濾波。然而，ADC之前的濾波器、混頻器和放大器都是進(jìn)行模擬處理，特別是，需要考慮ADC中的非線性和噪聲。因此模擬頻譜分析儀還有一席之地，它可以避免上述問(wèn)題。

圖10-5