信號完整性分析：無線信號(一)無線/射頻信號

《信號完整性 - 工程師的同伴》一書的第10章討論了在現(xiàn)代無線環(huán)境中的無線信號測量和可能有些激進的信號分析的新技術(shù)。本文是該文章的一部分摘要。

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(fù)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(biāo)準(zhǔn)和媒體格式，都應(yīng)得到大書特書。但這個章節(jié)，對于信號完整性設(shè)計來說，我們無需考慮媒體、標(biāo)準(zhǔn)，和那些各種無線傳輸?shù)奶匦?，只關(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(yīng)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(shè)計中越來越流行，新的無線標(biāo)準(zhǔn)也在采用，在這些無線環(huán)境中信號完整性工程應(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(shè)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。

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(yīng)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(fù)雜的調(diào)制方式比如說正交頻分復(fù)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(biāo)參照系統(tǒng)，同樣可以采用一個傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)參照系或直角坐標(biāo)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(xué)上，其實就相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X分量和Y分量。圖10-2舉例說明了向量的幅度和相位，和當(dāng)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(biāo)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(shè)備制造商需要在法律上遵守頻帶的規(guī)范。設(shè)計這些設(shè)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(shè)計挑戰(zhàn)。一些設(shè)計相對簡單的無授權(quán)頻段的無線設(shè)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(shè)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(shè)計來說是非常有意義的工作。

下一節(jié)：頻率測量

Geoff Lawday博士是泰克公司在英國Buckinghamshire New University的教授，他在泰克實驗室進行信號完整性設(shè)計和高性能總線系統(tǒng)的教學(xué)，并在歐洲負(fù)責(zé)泰克公司信號完整性的研討會。

David Ireland是泰克公司在歐洲和亞洲的設(shè)計和制造市場經(jīng)理，在測試測量領(lǐng)域有超過30年的工作經(jīng)驗，在領(lǐng)先的技術(shù)期刊上定期發(fā)表信號完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解決方案部的高級工程師，曾參與十個高性能計算平臺的開發(fā)和測試，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一書。