射頻波形生成和測量的復(fù)雜性
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UWB（超寬帶）技術(shù)仍處于初始階段，它使用數(shù)百兆赫來發(fā)送數(shù)據(jù)速率很高的信號，發(fā)送的距離通常為幾十米或更短。UWB技術(shù)的存在一點(diǎn)也不影響以下斷言的有效性：有限的帶寬和數(shù)據(jù)量的爆炸性增長需要更加復(fù)雜的通信系統(tǒng)和信號。事實(shí)上，UWB 強(qiáng)化了這一觀點(diǎn)。UWB 并不試圖找到射頻頻譜中的空閑點(diǎn)，將信號置入其中，而是在其它服務(wù)占用的頻段內(nèi)發(fā)送信號。UWB 系統(tǒng)設(shè)計(jì)得可以共享帶寬，而不會對其它服務(wù)產(chǎn)生干擾，或受到其它服務(wù)的干擾。高數(shù)據(jù)速率、寬帶寬和占用相同頻率的干擾信號的存在這三個(gè)因素，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性。
正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)
有兩種互相競爭的技術(shù)是 UWB 的基礎(chǔ)，其中之一就是一種稱為OFDM（正交頻分復(fù)用）的 DSP 密集型系統(tǒng)。OFDM 還是 IEEE 802.11 無線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)系列、幾種 DBS（直接廣播衛(wèi)星）電視系統(tǒng)、iBiquity Digital 公司 (www.ibiquity.com) 面向美國市場的 HDRadio TDAB（陸基數(shù)字音頻廣播）系統(tǒng)、歐洲 DVB（數(shù)字電視廣播）系統(tǒng)（它既支持陸基傳輸又支持衛(wèi)星傳輸）中的一種關(guān)鍵技術(shù)。
您可能聽說人們把 OFDM 稱為一種數(shù)字調(diào)制形式，嚴(yán)格地說，它不是。OFDM 使用數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)不同頻率的副載波，使裝入每個(gè)符號周期中的信息比大多數(shù)其它數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能裝入每個(gè)符號周期的信息更多。因此，OFDM 使用數(shù)量更少、持續(xù)時(shí)間更長、復(fù)雜性更高的符號來達(dá)到與其它幾種數(shù)字傳輸系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)傳輸速率。（有些人認(rèn)為這些符號是一個(gè)符號周期中的多個(gè)符號。）而且無須增加占用帶寬就可以維持這一數(shù)據(jù)速率。
OFDM 的符號時(shí)間長，相應(yīng)地符號速率就低，這就使 ISI（符號間干擾）能減少到最低程度而ISI在射頻通信中通常是由多路徑失真等信號減損引起的。當(dāng)某個(gè)信號通過幾條路徑到達(dá)接收天線時(shí)，就會發(fā)生多路徑傳播。其中一條路徑可能是從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線，而其它路徑則涉及到固定物體或運(yùn)動物體的反射信號。只要延長符號持續(xù)時(shí)間，使之超過延遲時(shí)間最長的反射信號到達(dá)接收天線所花的額外時(shí)間，OFDM就能消除此類反射信號通常造成的 ISI。還有一個(gè)好處是，信息散布在多個(gè)載波中，能提高信號的抗干擾能力以及信號對多路徑傳播的頻率響應(yīng)影響的抵抗力。
它是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
某種形式的數(shù)字調(diào)制，如 BPSK（雙相移鍵控）或 QAM（正交調(diào)幅，參見參考文獻(xiàn) 2），把信息加在每個(gè) OFDM 副載波上。一個(gè) OFDM 系統(tǒng)能在不同副載波上使用不同類型的調(diào)制，任何副載波使用的調(diào)制類型都可以隨時(shí)改變。也就是說，一個(gè) OFDM 副載波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接著再改回來，或者改用另一種調(diào)制形式。因此，您或許不應(yīng)該把 OFDM 稱為一種調(diào)制，而應(yīng)稱為一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
OFDM 的魅力部分來自其多個(gè)副載波之間的正交性。不同頻率的信號可以正交，這一思想也許需要人們花些時(shí)間來習(xí)慣它，這是因?yàn)槿藗円话惆颜恍钥醋魍l率信號的一種特性。例如，兩個(gè)正交的同頻率正弦波信號分量（即在時(shí)間上相差 90）是垂直的，因?yàn)槿魏我粋€(gè)分量的幅度變化都不影響另一個(gè)的幅度。同樣，調(diào)制一個(gè) OFDM 副載波不會影響系統(tǒng)的其它副載波，因?yàn)槊總€(gè)副載波頻譜的幅度在所有其它副載波頻率上都是零（圖 1）。
圖1，查看某個(gè) OFDM 信號的多個(gè)副載波的頻譜，您會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是如何避免載波間干擾 (ICI) 的。間隔很近的各個(gè)載波互相重疊。每個(gè)載波的頻譜在所有其它載波的中心均為零，從而產(chǎn)生零 ICI（ Agilent 公司供稿）。
OFDM 系統(tǒng)有時(shí)使用數(shù)千個(gè)副載波。與不使用OFDM而使用簡單調(diào)制（如每符號傳輸一個(gè)比特的 BPSK） 的系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)在理論上能以相同的比特率傳輸數(shù)據(jù)，盡管符號速率較低，與副載波數(shù)量成正比。有些系統(tǒng)把 OFDM 與運(yùn)載 64QAM（64 級 QAM）等復(fù)雜調(diào)制的副載波結(jié)合起來，它們至少在理論上能夠維持?jǐn)?shù)據(jù)速率，同時(shí)仍舊能進(jìn)一步降低符號速率――在 64QAM（每符號傳輸 6 個(gè)比特）的情況下，可降低到1/6，因?yàn)?64=26。
數(shù)百兆赫信號的產(chǎn)生
產(chǎn)生一個(gè)用 64QAM 調(diào)制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高頻率的信號，這就夠難了（參考文獻(xiàn) 3）。再則，當(dāng)您在外部生成基帶信號時(shí)，至少有兩種儀器――Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列――能分別達(dá)到 200MHz 和 1GHz 的調(diào)制帶寬。合成此類信號并仿真在典型環(huán)境中使這些信號劣化的因素，會使問題進(jìn)一步復(fù)雜化（參考文獻(xiàn) 4）。而且，如果 QAM 不直接調(diào)制主載波，而是調(diào)制全部數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)副載波（每個(gè)副載波運(yùn)載不同信息），而這些副載波又調(diào)制主載波，那么信號生成問題就會復(fù)雜得令人頭腦麻木。不過，現(xiàn)代射頻信號發(fā)生器――通常在獨(dú)立PC 上運(yùn)行的軟件包的幫助下――可以輕松地應(yīng)付這種復(fù)雜性。
能產(chǎn)生已調(diào)制射頻載波的射頻信號發(fā)生器，大多數(shù)都有一對 DAC，其中一個(gè)產(chǎn)生 I（同相）調(diào)制信號，另一個(gè)產(chǎn)生 Q（正交）調(diào)制信號。這種 IQ 方法不僅在概念上簡單明了，而且效率也很高：它能使每個(gè)DAC的更新速率比合成整個(gè)調(diào)制波形的單個(gè) DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把數(shù)模轉(zhuǎn)換功能分給I DAC 和 Q DAC去完成，就能實(shí)現(xiàn)更低的 DAC 更新速率，從而能輕而易舉地達(dá)到所需分辨率。然而，有幾種信號發(fā)生器的確只使用一個(gè) DAC 來合成所有調(diào)制信號。您也許會認(rèn)為，產(chǎn)生 OFDM 信號的信號發(fā)生器將使用大量 DAC，或許是每個(gè)副載波使用一個(gè)，但儀器制造商們報(bào)告說，用數(shù)學(xué)方法對副載波進(jìn)行合成并求和，然后再轉(zhuǎn)換成模擬信號，這樣做更為簡單。由于系統(tǒng)使用這么多副載波，因此多個(gè) DAC 會帶來一些不必要的技術(shù)問題，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并使體系結(jié)構(gòu)變得不經(jīng)濟(jì)。
分析接收到的信號至少和生成測試信號一樣復(fù)雜。諸如矢量信號分析儀等儀器內(nèi)的計(jì)算功能歷來都能進(jìn)行這種分析。不過，能輸出捕獲數(shù)據(jù)的儀器目前已開始面市，分析這些數(shù)據(jù)集的PC 軟件包也可以買到。據(jù)軟件出版商們說，有幾種采集后的分析程序，其分析功能優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的分析功能。而且，這些軟件包的可編程性比常規(guī)儀器高得多，從而更容易從數(shù)據(jù)中提取正好需要的信息。
內(nèi)置 PC
此外，繼數(shù)字示波器制造商之后，射頻儀器制造商們開始生產(chǎn)內(nèi)含 PC 硬件的信號分析儀，并提供基于 Windows 的開放式操作環(huán)境。 Anritsu 公司的 Signature 射頻信號分析儀就是這類儀器中的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品的技術(shù)要求可與高質(zhì)量掃頻頻譜分析儀的相媲美。Signature 射頻分析儀把數(shù)據(jù)直接從其測量硬件送到在分析儀內(nèi)部 PC 上運(yùn)行的分析程序。（該程序通常是 The MathWorks 公司的 Matlab，不過有時(shí)是該公司的 Simulink。）因此，這一體系結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇啥ㄖ频捻攲訑?shù)學(xué)軟件，頂層數(shù)學(xué)軟件顯示復(fù)雜計(jì)算結(jié)果的速度與儀器采集基本數(shù)據(jù)的速度一樣快。
這類功能在很多應(yīng)用場合是很有用的，例如對轎車、飛機(jī)和其它運(yùn)動物體的反射引起的信號損耗進(jìn)行分析。當(dāng)您在比較普通的設(shè)備中使用同一軟件時(shí)，只有在您采集到完整的數(shù)據(jù)集，并把文件導(dǎo)出至一臺單獨(dú)的 PC 之后，您才可以開始進(jìn)行這種分析。有了內(nèi)置 PC 和通往分析軟件的高速鏈路，與外部事件的相互關(guān)系變得既直接又明顯，而在比較普通的設(shè)備中，您不僅必須等待結(jié)果，而且還要弄清楚為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果。
盡管如此，在信噪比 (SNR) 是關(guān)鍵參數(shù)的矢量信號分析儀或頻譜分析儀等射頻儀器中增加一臺 PC，嚴(yán)格而言，是對儀器設(shè)計(jì)師的懲罰。PC 是聲名狼藉的電氣噪聲源。與局限在 IC 封裝內(nèi)部的信號相反，在 PC 內(nèi)部印制電路板印制線內(nèi)傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)信號，其時(shí)鐘頻率要比射頻測量中最重要的信號來得低。然而，其諧波很容易進(jìn)入有關(guān)的頻率范圍。避免這類不需要的信號，就需要考慮采取屏蔽和濾波，這就會增加儀器的成本和重量，有時(shí)還會加大儀器尺寸。
頻率變換手段
產(chǎn)生或分析承載信息的數(shù)千兆赫信號的儀器不可避免地要利用變頻，而且大多數(shù)儀器不止一次地利用變頻。（圖 2）。外差式變頻采用的不是頻率倍增，而是混頻?；祛l就是使信號波形倍增，再對結(jié)果進(jìn)行濾波的過程。波形倍增就是調(diào)制或解調(diào)，并在輸入信號的和頻和差頻上產(chǎn)生新的信號。
圖 2，Anritsu 公司的 Signature 信號分析儀的中頻 (IF) 部分包括 3 個(gè)（可選為 4 個(gè)）變頻級。第一級上變頻為9.5GHz，以避免鏡頻問題。其余二級進(jìn)行下變頻――最終變?yōu)槠胀ㄖ蓄l 10.7 MHz (85.7 MHz-75 MHz-10.7 MHz)。
濾波歷來是在模擬領(lǐng)域內(nèi)完成的，而目前常常在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)利用DSP 技術(shù)來完成。雖然您能夠制造出具有模擬濾波器設(shè)計(jì)師夢寐以求特性的數(shù)字濾波器，但數(shù)字濾波器需要數(shù)字信號，而且，如果信號開始在模擬領(lǐng)域中生存，則在 DSP 之前必須有 ADC。如果沒有特殊的體系結(jié)構(gòu)，對 ADC 或在它之前的 T/H（跟蹤和保持）電路的分辨率或動態(tài)范圍的各種限制就會使人們無法制造出合適的數(shù)字濾波器。
即使調(diào)制變得更復(fù)雜，并具有更高的頻譜效率，一些已調(diào)制信號占用的帶寬也增加了。掃頻頻譜分析儀，甚至是大量使用 DSP 的儀器，都要順序檢查頻域的一個(gè)個(gè)狹窄部分，從而覆蓋很寬的帶寬。這種方法的問題在于：它習(xí)慣地假定信號的頻譜不隨時(shí)間發(fā)生重大變化。然而，如果各個(gè)事件來來去去，而且一個(gè)有關(guān)事件在頻率B發(fā)生時(shí)，頻譜分析儀正在檢查以頻率 A 為中心的窄帶寬，則頻譜分析儀顯示圖形中就沒有這一事件。
檢查頻譜中很寬的一部分
同時(shí)檢查頻率域中很寬的一部分，這是基于 DSP 的頻譜分析儀的工作。包括行業(yè)內(nèi)最大的儀器供應(yīng)商之一 Agilent Technologies公司 在內(nèi)的幾家公司，都把它們基于 DSP 的儀器稱作 VSA（矢量信號分析儀）。Tektronix 公司將其產(chǎn)品稱作 RTSA（實(shí)時(shí)頻譜分析儀）。該公司堅(jiān)持認(rèn)為，RTSA 不只是 VSA 的另一個(gè)名稱，它還具有 VSA 不具備的功能。一個(gè)例子就是事件驅(qū)動的觸發(fā)，它僅僅在儀器檢測某一有關(guān)現(xiàn)象時(shí)才允許捕獲數(shù)據(jù)。Tektronix 公司還自夸 RTSA具有很深的存儲器。然而，深到足夠存儲幾秒種未處理數(shù)據(jù)的存儲器也是一些VSA的特性，但Tektronix 公司把事件驅(qū)動觸發(fā)和深分段存儲器組合在一起則是很獨(dú)特的，并可能使該公司在有效存儲深度方面占優(yōu)勢。然而，與掃頻頻譜分析儀相比，大多數(shù)基于 DSP 的分析儀，不論它們叫什么名字，都有一個(gè)嚴(yán)重缺陷：它們的動態(tài)范圍都不如性能最高的掃頻儀器。
有幾種基于 DSP 的分析儀能夠處理帶寬達(dá) 80MHz 的信號。您只要使寬帶分析儀順序通過鄰近的頻段，就使其覆蓋的帶寬比其額定最大帶寬更寬。然而有時(shí)候，即使是這種方法覆蓋很寬頻率范圍的速度比典型的掃頻儀器還快，但仍然不夠快。目前，帶寬最寬的實(shí)時(shí)采樣 DSO 能夠處理帶寬達(dá)到 8GHz 的信號。這些儀器都具有開放的 Windows 體系結(jié)構(gòu)，從而使它們能運(yùn)行功能強(qiáng)大的分析軟件。雖然這些儀器的 ADC 分辨率對于通信信號分析來說似乎不夠高，但它們提供的大約 50dB 通常夠用了。
到目前為止，Tektronix 公司似乎是唯一一家宣布有能力使用多臺調(diào)諧于臨近頻段的同步寬帶分析儀的公司，這種能力在有些應(yīng)用場合是很有用的，因?yàn)檫@些應(yīng)用場合需要同時(shí)處理的信息包含在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，而這一頻率范圍要比一臺分析儀能處理的頻率范圍更寬。其它公司報(bào)道稱，它們正在開發(fā)類似的方法。在不太遙遠(yuǎn)的將來，一些公司將會宣布把多臺同步分析儀組合在一起的系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。
照片1， 模塊化的 Signature 射頻信號分析儀可在100Hz～8GHz頻率范圍內(nèi)對寬達(dá) 30MHz 的帶寬進(jìn)行信號和頻譜分析。該儀器包含一臺 PC，用以實(shí)現(xiàn)基于 Windows XP 的開放體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)能把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給 MathWorks 公司的 Matlab 軟件，該軟件能以儀器采集原始數(shù)據(jù)的速度輸出并繪制用戶定義的計(jì)算結(jié)果（ Anritsu 公司供稿）。
照片 2， 這幅 4 級相移鍵控信號圖利用了供 National Instruments 公司 LabView使用的Modulation Toolkit 的 3 維可視化功能。
PXI
射頻儀器方面的一種較新的發(fā)展是出現(xiàn)了采用模塊化 PXI 格式的射頻信號發(fā)生器和分析儀等儀器。Aeroflex 公司和 National Instruments 公司都提供 PXI 射頻儀器，因此您可以認(rèn)為這兩家公司的 PXI 射頻產(chǎn)品系列是互相競爭的產(chǎn)品。不過，它們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念有很大區(qū)別。National Instruments 公司推出的幾乎全都是PXI 產(chǎn)品，因而認(rèn)為，其模塊化射頻儀器是通用臺式裝置的低成本替代產(chǎn)品。由于軟件確定各模塊執(zhí)行的功能，并控制各模塊的工作情況，因此該公司聲稱，模塊化儀器比通用儀器更容易符合您的應(yīng)用要求。與此同時(shí)，制造多種多樣臺式儀器和便攜儀器的Aeroflex 公司認(rèn)為，其 PXI 模塊側(cè)重于特定應(yīng)用，主要用在生產(chǎn)測試中。
Natural Instruments 公司的人經(jīng)常嘲笑臺式儀器是體積過大、價(jià)格過高、很難使用的恐龍。不過，到目前為止，該公司 PXI 射頻產(chǎn)品最顯著的成功是用于射頻 IC 生產(chǎn)測試的自動測試設(shè)備 (ATE)。該公司目前還沒有很多證據(jù)表明 PXI 射頻產(chǎn)品系列正在大量用于研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。假定該公司所聲稱的模塊化儀器相對于通用儀器的操作優(yōu)越性是真實(shí)的，那么它有責(zé)任確保射頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研發(fā)工程師認(rèn)識到并利用模塊化儀器的各種優(yōu)點(diǎn)，并交流有關(guān)信息。
之所以說利用射頻儀器進(jìn)行這樣一種演示是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，有一個(gè)原因就是，假如您拿著一堆數(shù)據(jù)表坐下來，想對一組具有同等功能的儀器進(jìn)行比較，則您很快就會發(fā)現(xiàn)，您是在比較一些彼此大不相同的東西。數(shù)據(jù)表據(jù)以規(guī)定性能的測試條件是很重要的，而且?guī)缀鯖]有發(fā)現(xiàn)兩種儀器在相同測試條件下規(guī)定某一測量值。因此，為了把工作做徹底，您需要一間配備精良的實(shí)驗(yàn)室，最好還需要正在評估的所有儀器的多個(gè)樣品。這種可能性太小了！一個(gè)更好的辦法是與兩三家公司（根據(jù)一些初步研究，這些公司的產(chǎn)品似乎最符合您的需要）的應(yīng)用工程專業(yè)人員或銷售工程專業(yè)人員坦率地談?wù)勀囊?，并提一些具有針對性的問題。
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