滿足復(fù)雜信號測量需要的實時頻譜分析工具

隨著無線設(shè)備和系統(tǒng)的快速普及，人們開始更多地關(guān)注“無處不在的無線信號。”過去十多年蜂窩電話用戶數(shù)量得到了飛速發(fā)展，但驅(qū)動無線未來發(fā)展的不僅僅是蜂窩電話用戶數(shù)的增長，還有更多其它種類的無線設(shè)備、系統(tǒng)和應(yīng)用。如今內(nèi)置無線組網(wǎng)模塊的膝上電腦已很常見，各種游戲設(shè)備也裝上了無線控制器。各種模式和配置的消費類設(shè)備讓人們對未來美好的無線世界充滿了憧憬。無論是今天的庫存跟蹤還是今后的無線數(shù)字錢包，RFID技術(shù)都將得到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在似乎每天都有關(guān)于新的無線設(shè)備或服務(wù)的新聞。一些商業(yè)出版物也連篇報導(dǎo)著處于標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的最新無線技術(shù)。無線革新正在史無前例地加速前進(jìn)。

對無線設(shè)備和系統(tǒng)的潛在性需求已經(jīng)不是什么新鮮事了。最終用戶都將是渴望彼此間交流的移動用戶。自從Chester Gould于1946年首次提出內(nèi)置雙向無線鏈路的腕表并藉他的Dick Tracy漫畫聞名于世后，這一概念至今仍未實現(xiàn)。

去除我們周邊的各種線纜一直是我們的心愿。信號電纜非常昂貴，大多數(shù)人都希望去除電腦或家庭娛樂系統(tǒng)后面成捆雜亂的線纜。因此人們對無線需求的動機是由來已久。如今我們已經(jīng)進(jìn)入一個能夠更快更好地滿足這些要求的新時代。這一新時代的基礎(chǔ)就是數(shù)字射頻(數(shù)字RF)技術(shù)。在這個新興的數(shù)字RF時代，能夠給最終用戶帶來巨大好處的無線設(shè)備和系統(tǒng)正越來越普及。數(shù)字RF時代給那些擁有強大數(shù)字技術(shù)能力、能夠加速無線領(lǐng)域創(chuàng)新的后來者創(chuàng)造了極好的發(fā)展機遇。數(shù)字RF技術(shù)將是無線領(lǐng)域創(chuàng)新提速的重要助推劑。

數(shù)字RF技術(shù)

數(shù)字RF技術(shù)可以讓我們以比過去更快的速度實現(xiàn)“無線無處不在”的愿望。雖然已經(jīng)有無線系統(tǒng)采用了數(shù)字技術(shù)，但對于已經(jīng)采用傳統(tǒng)模擬技術(shù)構(gòu)架的系統(tǒng)來說只能逐步地增加數(shù)字化功能。未來的數(shù)字RF設(shè)備和系統(tǒng)將圍繞由數(shù)字技術(shù)帶來的益處進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)字世界帶給人們的全部好處可以再現(xiàn)于無線領(lǐng)域。數(shù)字世界的發(fā)展變化非常快，尤其是人們期待的價格/性能的提升非?？焖?。迅速降低價格并增加靈活性是快速創(chuàng)新的源動力。目前我們可以看到所有這些好處正在無線領(lǐng)域呈現(xiàn)出來。

圖2：二個儀器屏幕分別表示 RTSA在二個稍有不同的時間點進(jìn)行的深層分析結(jié)果。

數(shù)字RF功能是由數(shù)字RF芯片實現(xiàn)的。數(shù)字RF芯片不再依賴于復(fù)雜的混合信號或特殊的半導(dǎo)體工藝，采用的是電腦、PDA和其它數(shù)字設(shè)備使用的相同技術(shù)(圖1)。隨著RF領(lǐng)域向數(shù)字RF芯片的發(fā)展，我們將看到與數(shù)字芯片業(yè)務(wù)發(fā)展中相似的現(xiàn)象發(fā)生。隨著傳統(tǒng)的數(shù)字半導(dǎo)體公司將他們的核心技術(shù)應(yīng)用于這些新的應(yīng)用領(lǐng)域，這些公司將在新的領(lǐng)域扮演重要的角色。

數(shù)字RF領(lǐng)域的性價比提升速度堪比以往的數(shù)字領(lǐng)域。隨著成本的戲劇性下降，無線功能將應(yīng)用于前所未有的更廣闊領(lǐng)域?？纯碦FID技術(shù)的發(fā)展軌跡就可以想象到成本下降是如何促進(jìn)新應(yīng)用實現(xiàn)的。這些成本/利益發(fā)展趨勢將進(jìn)一步增強未來設(shè)備功能，同時也會相應(yīng)地提高設(shè)備復(fù)雜性。

數(shù)字智能可以從容應(yīng)對無線通信在三大領(lǐng)域中的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，即頻譜利用/抑制干擾的增強、信息安全的改善以及功耗的降低。雖然數(shù)字RF中滿足這些挑戰(zhàn)的許多技術(shù)出現(xiàn)已久，但這些技術(shù)現(xiàn)在可以被集成進(jìn)特低成本、日益普及的最終用戶設(shè)備和系統(tǒng)中。

由于射頻頻譜是稀缺資源，因此頻譜利用率的增強非常重要。蜂窩電信業(yè)已經(jīng)很好地證明了這一點。雖然簡單的時分復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)使用多時，但數(shù)字RF技術(shù)所包含的智能可以使系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)設(shè)計師接受與其它頻譜用戶更好地分享時間的概念。

例如，基于時間的頻譜資源共享技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于WLAN和藍(lán)牙系統(tǒng)和平共存的同一個組合設(shè)備中，通過協(xié)調(diào)發(fā)送的時間WLAN和藍(lán)牙可以使用相同的頻段。更復(fù)雜的系統(tǒng)能夠利用自適應(yīng)無線技術(shù)檢測環(huán)境條件、理解用戶需求和控制無線系統(tǒng)操作，并決定何時、如何以及向何處發(fā)送無線信號。

由于無線領(lǐng)域中的環(huán)境是與其它用戶共享的，因此安全性非常重要。數(shù)字RF技術(shù)的智能性在此大有用武之地。傳送只在需要時發(fā)生，在突發(fā)式通信系統(tǒng)中實際比特傳送的突發(fā)性能夠極大地減少被檢測和截取的機會。信號特征可以隨時變化，因此未被授權(quán)的接收者將無法跟隨而破譯信號。極具魯棒性的安全策略目前只需少量的成本就能擁有。

由于最終用戶一般是移動用戶，功耗將是許多無線系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素。數(shù)字RF技術(shù)提供了必要的智能來滿足這一要求。通過測量到達(dá)目標(biāo)接收器所需的理想功率，設(shè)備只發(fā)送到達(dá)目標(biāo)接收器所必需的功率。必要時系統(tǒng)仍保持在“睡眠”狀態(tài)，只運轉(zhuǎn)無線射頻部分，從而達(dá)到進(jìn)一步節(jié)省功耗的目的。

時間問題

目前的RF信號不再采用簡單的AM或FM調(diào)制，而是采用高度復(fù)雜的調(diào)制方式，并且信號隨時間有很大的變化。數(shù)字RF技術(shù)帶來的是隨時間變化的RF信號。本文不僅要討論載波信號中時間與頻率的倒數(shù)關(guān)系，而且將更詳細(xì)的討論與信號中智能相關(guān)的不在同一級別的時間變化。這些變化可以反映出不同的調(diào)制類型，比如信號跳躍到新的頻率或以短脈沖方式發(fā)送信號。為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，這些變化發(fā)生的時間點必須十分精確。此外，由于當(dāng)前這種瞬時變化的RF信號采用了復(fù)雜的調(diào)制方式，因此他們常常會產(chǎn)生符合自身特點的一些副作用，如隨機性瞬態(tài)現(xiàn)象、干擾、異常切換等等。

所有這些現(xiàn)象共有的一個重要屬性是時間。實時(有時是微秒、有時是數(shù)秒、數(shù)分甚至更長)發(fā)生的變化都能表現(xiàn)為頻域的變化。這對前一代RF技術(shù)來說是不可能的，但現(xiàn)在事實如此。時間問題再也無法被忽視了。

RF設(shè)計工程師受到巨大壓力

那些設(shè)計、檢查、制造和維護(hù)RF設(shè)備的工程師們發(fā)現(xiàn)應(yīng)對新挑戰(zhàn)的難度越來越大。設(shè)計周期越來越短、數(shù)字RF技術(shù)引起的信號復(fù)雜性增加都給設(shè)計環(huán)境帶來了新的問題。數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)是事件必須發(fā)生在精確的時間點。而RF系統(tǒng)的基本原理也認(rèn)為RF系統(tǒng)的主要問題表現(xiàn)為對頻率占用的控制。數(shù)字RF技術(shù)則獨一無二地兼具這二個要點。頻率占用仍必須要控制，而影響信號特征性能的事件必須發(fā)生在精確的時間點。

像頻譜分析儀這樣的傳統(tǒng)測量儀器是在另外一個時代開發(fā)出來的。如同歷史上著名的超外差模擬收音機，它們在有興趣的波段中調(diào)諧窄帶接收器以檢測信號功率與頻率比。它們內(nèi)部的掃描架構(gòu)意味著它們無法描述信號頻率隨時間的變化特征。因此當(dāng)設(shè)計師組裝各種儀器、在設(shè)備中設(shè)計專門的測試模式以試圖了解信號行為時，測試的復(fù)雜性和難度就變得越來越大。為了更好地表現(xiàn)調(diào)制質(zhì)量特征，業(yè)界使用向量信號分析儀(VSA)來彌補傳統(tǒng)頻譜分析儀的不足，但VSA的動態(tài)范圍不足，無法完整地描述信號隨時間的變化特點。測試環(huán)境中也可以包含定制設(shè)計的測試設(shè)備以應(yīng)對特殊的測試挑戰(zhàn)。這些測試裝置的建立又費時又費力。另外，可能會遺漏某些瞬變狀態(tài)，從而引起最終系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)故障。如果在系統(tǒng)發(fā)送給用戶之前沒有檢測到這些錯誤，那么修正的代價將是非常高昂的。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，迫切需要一款能夠反映目前信號隨時間變化這種本質(zhì)特性的工具。工程師們需要能夠?qū)ξ粗录M(jìn)行觸發(fā)、無縫捕捉以及分析過去一段時間內(nèi)累積數(shù)據(jù)的實時RF儀器。這樣的儀器可以顯著縮短設(shè)計時間、節(jié)省最終設(shè)備中測試建立和特殊模式的成本。而且這些儀器還能幫助工程師盡早捕捉到問題，避免潛在性故障發(fā)生在實際使用中而損害用戶利益，甚至某些情況下造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

幸運的是，新一代實時頻譜分析儀(RTSA)能夠幫助工程師處理各種RF信號。與傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀不同，先進(jìn)的RTSA可以利用極具魯棒性的實時帶寬和高速數(shù)字信號處理功能對目標(biāo)信號實施全面分析。由于這些信號具有更高的復(fù)雜性，也更難預(yù)測，因此只有RTSA提供的觸發(fā)、捕獲和分析功能才能幫助設(shè)計師理解隨時間變化的從跳頻到EMI瞬態(tài)的各種信號行為。

觸發(fā)、捕獲、分析

當(dāng)今先進(jìn)的RTSA具有強大的觸發(fā)功能，能夠同時在頻域和時域捕捉到RF事件。這些觸發(fā)裝置能夠?qū)⒉东@到的連續(xù)時間記錄的RF信號存儲于內(nèi)存中用于進(jìn)一步分析。有些RTSA還能提供功率觸發(fā)功能，當(dāng)分析跨度內(nèi)所有信號的總功率超過用戶定義的門限時將啟動觸發(fā)功能。還有的分析儀能提供頻率屏蔽觸發(fā)功能，當(dāng)信號頻率、幅度或帶寬發(fā)生離散變化，或信號在某個頻率點出現(xiàn)或消失時該功能將得到啟動。

由于故障信號可能一小時甚至一天才出現(xiàn)一次，一些先進(jìn)的RTSA提供了連續(xù)觸發(fā)模式來連續(xù)監(jiān)視感興趣的頻譜，不過只有滿足用戶定義的觸發(fā)條件時才進(jìn)行捕獲。一旦觸發(fā)后，分析儀將捕獲頻譜活動內(nèi)容并記錄時間，并將相關(guān)信息存儲于存儲器中。如果滿足條件的事件再次發(fā)生，就重新回到觸發(fā)狀態(tài)。這樣可以高效地利用捕獲存儲器，確保存儲器中的內(nèi)容是有用信息，從而能使用戶遠(yuǎn)離儀器也能隨時捕獲瞬時發(fā)生的事件。

由于RTSA能夠非常方便地根據(jù)時域或頻域中的特殊事件對動態(tài)和瞬態(tài)信號進(jìn)行觸發(fā)，因此工程師能夠憑藉RTSA可靠地識別和捕捉單個事件或復(fù)雜的序列事件，并將它們記錄于分析儀的存儲器中。

通過無縫捕獲實時信號行為，這些分析儀可以支持眾多功能強大的分析工具。RTSA能夠顯示記載有頻率和功率相對時間的頻譜圖。在與時間相關(guān)的顯示內(nèi)容中頻率、時間和調(diào)制域都是可見的，而頻譜圖本身也有對長期觀察結(jié)果的總結(jié)，因此能夠?qū)﹄S時間變化的信號行為實現(xiàn)直覺的三維視覺效果，這是傳統(tǒng)頻域視圖中無法看見的。

下面舉例說明實時分析的強大功能。圖2是實時頻譜分析儀屏幕上的一個快照，顯示的是WLAN鏈路性能比較惡劣時的情形。

用戶利用RTSA可以在捕獲時間記錄間移動光標(biāo)來控制分析點。光譜圖的水平軸代表頻率，垂直軸代表時間，因此可以提供全局視覺效果。圖中用顏色指示信號功率的大小，顏色越亮表示功率越大。

在屏幕快照的左邊可以看到目標(biāo)WLAN信號旁邊還有一個采用跳頻技術(shù)的藍(lán)牙信號。另外還能看到從附近的微波爐中泄漏出來的能量。當(dāng)光標(biāo)置于這個時間點上時，WLAN鏈路是正常工作的。WLAN信號的頻譜以及星座圖都表示信號同步正確，EVM性能良好。

在屏幕快照的右邊，光標(biāo)稍向前移動。在這個時間點，藍(lán)牙信號正好跳躍到WLAN信號的頂上。在WLAN信號的頻譜中表現(xiàn)為一個信號尖峰。這個藍(lán)牙信號會干擾有用的WLAN信號，以致于WLAN信號無法被正確解碼。從對應(yīng)的星座圖也可以看到同步丟失。最終用戶設(shè)備將發(fā)生WLAN信號丟失、甚至藍(lán)牙信號丟失的現(xiàn)象。

如上例所示，代表整個時間段平均值的簡單頻譜圖無法完全描述目前的RF信號環(huán)境。需要足夠的時間刻度才能準(zhǔn)確描述信號環(huán)境中發(fā)生的事情。另外，無繩電話、無線游戲控制器以及HVAC控制系統(tǒng)都將與上述設(shè)備競爭頻譜資源。隨著無線設(shè)備的普及，這種情況將變得越來越復(fù)雜。

RTSA是用于測試、測量和檢查寬帶、動態(tài)RF信號的優(yōu)秀儀器。它能從與時間相關(guān)的角度觀察頻域、時域和調(diào)制域，并具有全面的觸發(fā)和分析功能，因此工程師憑借RTSA可以全面觀察RF信號，完成信號的特征化描述，并快速解決問題。

當(dāng)今復(fù)雜的RF信號和RTSA對RF頻譜監(jiān)視、干擾跟蹤、信號特征化和EMI診斷具有重要的意義。它們能夠簡便地實現(xiàn)RF設(shè)備的特征刻畫、查錯和調(diào)試，并有助于確保在設(shè)計中消除潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，從而有效地避免故障系統(tǒng)進(jìn)入市場，破壞已經(jīng)擁擠失序的RF頻譜。隨著無線領(lǐng)域中技術(shù)的不斷發(fā)展變化，時間分析將被證明是實時頻譜分析儀的一大強項。