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1 無線信號鏈

無線信號是如今的許多嵌入式系統(tǒng)中必備的部分，移動終端的制造商正在討論媒體匯聚，消費者可以在筆記本、移動電話、便攜式數(shù)字電視或者PDA進行網(wǎng)頁瀏覽或者觀看賽事實況。

簡單來說，各種媒體內(nèi)容都被“翻譯”成為無線信號。然而，媒體匯聚其實是無數(shù)種復雜的技術(shù)的先驅(qū)，比如說增強的數(shù)據(jù)壓縮（編解碼）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。無數(shù)其他的無線技術(shù)，比如大量的國際標準和媒體格式，都應得到大書特書。但這個章節(jié)，對于信號完整性設計來說，我們無需考慮媒體、標準，和那些各種無線傳輸?shù)奶匦裕魂P(guān)注測試和分析無線信號。無線信號和頻譜的分析是各種專業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的手法，并且更應該在無線的教科書中出現(xiàn)。

并且，因為無線系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)設計中越來越流行，新的無線標準也在采用，在這些無線環(huán)境中信號完整性工程應該得到重視。因此，這本書如果不討論現(xiàn)代無線信號和它們的測試，那將是不完整的。所以，本章節(jié)旨在幫助你理解無線信號測試的新技術(shù)，本章節(jié)同時提供一些在現(xiàn)代無線環(huán)境中進行信號分析的新點子。

討論信號完整性和測量是個大工程，將無線測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議的。然而，這個話題也是直接坦白的，因為頻譜分析儀(SA)是進行射頻(RF)測試必備的工具，并且，頻譜分析在廣泛的無線系統(tǒng)和器件的設計中是占有統(tǒng)治地位的。另外，頻譜分析目前在從低功耗射頻識別(RFID)系統(tǒng)到高功率雷達和RF發(fā)射機系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)中都會被采用。

2 射頻信號

一個RF載波信號就像一張空白的紙，在上面可以寫下并傳播信息。RF載波可以通過改變幅度和相位傳遞信息，這也就是所謂的調(diào)制。舉例來說，我們一般討論調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），不過書面上，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，各符號位呈90度的相位差。正交幅度調(diào)制（QAM）是廣泛應用的調(diào)制方式，采用該方式相位和幅度都會同時變化從而提供多種狀態(tài)。其他更加復雜的調(diào)制方式比如說正交頻分復用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。無線系統(tǒng)提供的基本的訊息為調(diào)制一個載波信號的方法提供了全面的實例。為了理解調(diào)制，一張實例圖可能比千言萬語更有效。

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

如果是在一個極坐標參照系統(tǒng)，同樣可以采用一個傳統(tǒng)的笛卡爾坐標參照系或直角坐標X和Y來表述。在一個RF信號的數(shù)字表述中，通常會用到一個I信號和與其正交的Q信號，在數(shù)學上，其實就相當于笛卡爾坐標系的X分量和Y分量。圖10-2舉例說明了向量的幅度和相位，和當時的I、Q分量的狀態(tài)。

圖1

圖2

比如，AM調(diào)制信號就可以用I和Q分量來表示，這就需要計算載波瞬時的I、Q幅度，每個瞬時值被表述為數(shù)字并記錄在存儲器上，最后存儲的數(shù)據(jù)（幅度值）就給出了原始調(diào)制信號的表述。然而，PM調(diào)制沒有那么簡單，它還包括相位的信息，計算I、Q值并存儲后，然后執(zhí)行三角運算來糾正所有的數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)就是原始的調(diào)制信號。徹底理解I、Q信號似乎比較難，但實際上這與理解一個正弦信號在某個時間點上用X、Y坐標來表述向量是一樣的。

然而，在10-1和10-2圖中表述的信號在實際情況中是很少發(fā)生的，移動電話和其他無數(shù)的無線系統(tǒng)在現(xiàn)代世界中進行了延伸，在這個世界中無線干擾無處不在。諸如移動電話等產(chǎn)品一般是在一個受限的頻段里面工作，因此，移動電話和其他無線設備制造商需要在法律上遵守頻帶的規(guī)范。設計這些設備需要避免臨近頻道RF能量的傳輸，這對一些需要在不同的模式下切換信道的無線系統(tǒng)更加具備設計挑戰(zhàn)。一些設計相對簡單的無授權(quán)頻段的無線設備同樣需要有效處理干擾的問題。

政府的規(guī)范一般會要求這些無授權(quán)頻帶設備只能進行突發(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、測量并分析“突發(fā)”模式的無線信號對與SI設計來說是非常有意義的工作。

3 頻率測量

頻率測量一般由掃描頻譜分析儀完成，通過在一定的分辨率帶寬(RBW)下掃描出每個頻點信號的幅度并保存，從而顯示出幅度隨整個頻段變化的信息。掃描頻譜分析儀要提供信號靜態(tài)頻譜分量的極佳的動態(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是，它只在一個時間點測試信號的一個頻點的幅度。

這是一個缺點，因為目前新的無線應用的RF信號都有復雜的時域特性。最新的RF信號，特別是開放使用的工業(yè)、科學和醫(yī)學(ISM)頻段，經(jīng)常采用擴頻通信技術(shù)，比如藍牙和WiFi，那些信號是斷續(xù)（intermittent）的或是突發(fā)（bursty）的。如此短持續(xù)時間的無線信號相比以往的無線信號，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，采用該儀器來測試如今的無線信號顯得太困難了。甚至是針對特定數(shù)字調(diào)制應用的矢量信號分析儀(VSA)，在分析一段時間內(nèi)頻率調(diào)制的特定信號也存在限制。

現(xiàn)今的頻譜檢測經(jīng)常要涉及到在非固定的時間和無關(guān)聯(lián)的噪聲下探測基本事件。簡單的說，包括瞬時的、可預知的和不可預知的頻移，復雜的調(diào)制圖，現(xiàn)在多種的RF和無線通信標準和應用。普通的例子是RFID和擴頻通信，通信發(fā)生的時間都非常短或者說是突發(fā)信號。盡管普通的掃描頻譜分析儀和向量分析儀有針對這些無線通信方式測量的選項，本章節(jié)我們瞄準采用實時頻譜分析儀(RTSA)進行測量。我們討論RTSA是因為今天的無限應用已經(jīng)傾向于瞬時信號。SI工程師現(xiàn)在需要同時在時域和頻域?qū)λ麄兏信d趣的信號進行觸發(fā)和捕獲。

SI工程師經(jīng)常需要捕獲一個連續(xù)的信號流，包括瞬時的和頻率漂移，他們需要得到信號的頻率、幅度和調(diào)制的變化。另外，所有這些工作往往需要在很長的時間內(nèi)完成。比如說，一個SI工程師要采用一臺掃描頻譜分析儀探測一個現(xiàn)代RF系統(tǒng)的瞬時事件，他需要等待很長的時間。甚至那樣他也會受到限制，或者他有可能錯過了一個突發(fā)事件的測量。

對新的RF應用進行測試的思路是這些無線信號在時域的變化。這個特性，加上以往討論的因素，迫切需要新的測試方案。因此，SI工程師和設計者越來越多的使用實時頻譜分析儀，盡管RTSA并不是個新東西，它同VSA的概念也很類似，RTSA對SI工程的應用還是很關(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)在的趨勢是SI工程師已經(jīng)開始認識到RTSA對于潛在時域和頻域RF信號特性的重要性，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域進行測量。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信號測量工具的地位。新一代SA的突出優(yōu)點是具備優(yōu)秀的動態(tài)范圍，因此能捕獲和探測一個寬范圍的RF信號。

通過將信號需要的頻點進行下變頻并通過RBW濾波器在帶寬范圍內(nèi)進行掃描，功率-頻率的測量就可以實現(xiàn)了。RBW濾波器后面跟一個檢波器用于計算通帶內(nèi)每個頻點的幅度值，如圖10-3所示。

圖10-3

圖10-3顯示了頻率分辨率和時間之間平衡的測試。本地振蕩器提供一個“掃描”的頻率到混頻器，每次掃描在混頻器輸出提供一個不同的頻率和其對應的數(shù)值。分辨率濾波器被設定在一個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，測量儀器的分辨率就越高，對儀器噪聲的排除也越好。RBW濾波器的后面跟上一個檢測器，來測量瞬時每個頻率數(shù)值的頻率功率大小。因為這種方法可以提供較高的動態(tài)范圍，它的主要優(yōu)點是可以計算某個時間點一個頻點的幅度值。如果RBW濾波器被設計得太窄，對RF輸入完成一次掃描時間會花費較長，從而輸入的RF信號的一些變化就探測不出來。在一段頻域或幾個通帶內(nèi)掃描會花費相當多的時間，該測試技術(shù)的前提是假設在進行多次掃描的這段測試時間內(nèi)信號不會有顯著的變化，因此，一個相對穩(wěn)定的、不變的輸入信號是必須的。如果信號頻繁的改變，也許就得不出結(jié)果。

比如說，圖10-4的左面的圖顯示了一個RBW邏輯分析儀測試的結(jié)果，頻率最開始是Fa，而在一瞬間頻率變成了Fb。當掃描到達Fb時，信號已經(jīng)消失且測不到了，所以RBW頻譜分析儀的掃描沒法在Fb時提供觸發(fā)，因而沒能存儲一個時間段內(nèi)全面的信號情況。這是一個頻率分辨率和測試時間之間平衡的經(jīng)典的例子，也是RBW頻譜分析儀的致命弱點(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，以促進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，它可以避免上述問題。

圖10-5