滿足復(fù)雜信號(hào)測(cè)量需要的實(shí)時(shí)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(hào)。”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(dòng)無線未來發(fā)展的不僅僅是蜂窩電話用戶數(shù)的增長(zhǎng)，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(fèi)類設(shè)備讓人們對(duì)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?，F(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(bào)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(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。

去除我們周邊的各種線纜一直是我們的心愿。信號(hào)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(duì)無線需求的動(dòng)機(jī)是由來已久。如今我們已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)能夠更快更好地滿足這些要求的新時(shí)代。這一新時(shí)代的基礎(chǔ)就是數(shù)字射頻(數(shù)字RF)技術(shù)。在這個(gè)新興的數(shù)字RF時(shí)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(shí)代給那些擁有強(qiáng)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(jī)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(shí)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(duì)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(jià)格/性能的提升非?？焖佟Ｑ杆俳档蛢r(jià)格并增加靈活性是快速創(chuàng)新的源動(dòng)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(gè)儀器屏幕分別表示 RTSA在二個(gè)稍有不同的時(shí)間點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。數(shù)字RF芯片不再依賴于復(fù)雜的混合信號(hào)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(jià)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。看看RFID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(shí)現(xiàn)的。這些成本/利益發(fā)展趨勢(shì)將進(jìn)一步增強(qiáng)未來設(shè)備功能，同時(shí)也會(huì)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(duì)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(qiáng)、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(qiáng)非常重要。蜂窩電信業(yè)已經(jīng)很好地證明了這一點(diǎn)。雖然簡(jiǎn)單的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)已經(jīng)使用多時(shí)，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(jì)師接受與其它頻譜用戶更好地分享時(shí)間的概念。

例如，基于時(shí)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(gè)組合設(shè)備中，通過協(xié)調(diào)發(fā)送的時(shí)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(cè)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(shí)、如何以及向何處發(fā)送無線信號(hào)。

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(shí)發(fā)生，在突發(fā)式通信系統(tǒng)中實(shí)際比特傳送的突發(fā)性能夠極大地減少被檢測(cè)和截取的機(jī)會(huì)。信號(hào)特征可以隨時(shí)變化，因此未被授權(quán)的接收者將無法跟隨而破譯信號(hào)。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(dòng)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(cè)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(shí)系統(tǒng)仍保持在“睡眠”狀態(tài)，只運(yùn)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(shí)間問題

目前的RF信號(hào)不再采用簡(jiǎn)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(hào)隨時(shí)間有很大的變化。數(shù)字RF技術(shù)帶來的是隨時(shí)間變化的RF信號(hào)。本文不僅要討論載波信號(hào)中時(shí)間與頻率的倒數(shù)關(guān)系，而且將更詳細(xì)的討論與信號(hào)中智能相關(guān)的不在同一級(jí)別的時(shí)間變化。這些變化可以反映出不同的調(diào)制類型，比如信號(hào)跳躍到新的頻率或以短脈沖方式發(fā)送信號(hào)。為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，這些變化發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)必須十分精確。此外，由于當(dāng)前這種瞬時(shí)變化的RF信號(hào)采用了復(fù)雜的調(diào)制方式，因此他們常常會(huì)產(chǎn)生符合自身特點(diǎn)的一些副作用，如隨機(jī)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(gè)重要屬性是時(shí)間。實(shí)時(shí)(有時(shí)是微秒、有時(shí)是數(shù)秒、數(shù)分甚至更長(zhǎng))發(fā)生的變化都能表現(xiàn)為頻域的變化。這對(duì)前一代RF技術(shù)來說是不可能的，但現(xiàn)在事實(shí)如此。時(shí)間問題再也無法被忽視了。

RF設(shè)計(jì)工程師受到巨大壓力

那些設(shè)計(jì)、檢查、制造和維護(hù)RF設(shè)備的工程師們發(fā)現(xiàn)應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的難度越來越大。設(shè)計(jì)周期越來越短、數(shù)字RF技術(shù)引起的信號(hào)復(fù)雜性增加都給設(shè)計(jì)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(shí)間點(diǎn)。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(duì)頻率占用的控制。數(shù)字RF技術(shù)則獨(dú)一無二地兼具這二個(gè)要點(diǎn)。頻率占用仍必須要控制，而影響信號(hào)特征性能的事件必須發(fā)生在精確的時(shí)間點(diǎn)。

像頻譜分析儀這樣的傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器是在另外一個(gè)時(shí)代開發(fā)出來的。如同歷史上著名的超外差模擬收音機(jī)，它們?cè)谟信d趣的波段中調(diào)諧窄帶接收器以檢測(cè)信號(hào)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(hào)頻率隨時(shí)間的變化特征。因此當(dāng)設(shè)計(jì)師組裝各種儀器、在設(shè)備中設(shè)計(jì)專門的測(cè)試模式以試圖了解信號(hào)行為時(shí)，測(cè)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(hào)分析儀(VSA)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)頻譜分析儀的不足，但VSA的動(dòng)態(tài)范圍不足，無法完整地描述信號(hào)隨時(shí)間的變化特點(diǎn)。測(cè)試環(huán)境中也可以包含定制設(shè)計(jì)的測(cè)試設(shè)備以應(yīng)對(duì)特殊的測(cè)試挑戰(zhàn)。這些測(cè)試裝置的建立又費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。另外，可能會(huì)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(cè)到這些錯(cuò)誤，那么修正的代價(jià)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(hào)隨時(shí)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(shí)間內(nèi)累積數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)RF儀器。這樣的儀器可以顯著縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、節(jié)省最終設(shè)備中測(cè)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(shí)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(yùn)的是，新一代實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)能夠幫助工程師處理各種RF信號(hào)。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(shí)時(shí)帶寬和高速數(shù)字信號(hào)處理功能對(duì)目標(biāo)信號(hào)實(shí)施全面分析。由于這些信號(hào)具有更高的復(fù)雜性，也更難預(yù)測(cè)，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(jì)師理解隨時(shí)間變化的從跳頻到EMI瞬態(tài)的各種信號(hào)行為。

觸發(fā)、捕獲、分析

當(dāng)今先進(jìn)的RTSA具有強(qiáng)大的觸發(fā)功能，能夠同時(shí)在頻域和時(shí)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(shí)間記錄的RF信號(hào)存儲(chǔ)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(hào)的總功率超過用戶定義的門限時(shí)將啟動(dòng)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(hào)頻率、幅度或帶寬發(fā)生離散變化，或信號(hào)在某個(gè)頻率點(diǎn)出現(xiàn)或消失時(shí)該功能將得到啟動(dòng)。

由于故障信號(hào)可能一小時(shí)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(shí)才進(jìn)行捕獲。一旦觸發(fā)后，分析儀將捕獲頻譜活動(dòng)內(nèi)容并記錄時(shí)間，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)于存儲(chǔ)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(chǔ)器，確保存儲(chǔ)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(shí)捕獲瞬時(shí)發(fā)生的事件。

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

通過無縫捕獲實(shí)時(shí)信號(hào)行為，這些分析儀可以支持眾多功能強(qiáng)大的分析工具。RTSA能夠顯示記載有頻率和功率相對(duì)時(shí)間的頻譜圖。在與時(shí)間相關(guān)的顯示內(nèi)容中頻率、時(shí)間和調(diào)制域都是可見的，而頻譜圖本身也有對(duì)長(zhǎng)期觀察結(jié)果的總結(jié)，因此能夠?qū)﹄S時(shí)間變化的信號(hào)行為實(shí)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(shí)時(shí)分析的強(qiáng)大功能。圖2是實(shí)時(shí)頻譜分析儀屏幕上的一個(gè)快照，顯示的是WLAN鏈路性能比較惡劣時(shí)的情形。

用戶利用RTSA可以在捕獲時(shí)間記錄間移動(dòng)光標(biāo)來控制分析點(diǎn)。光譜圖的水平軸代表頻率，垂直軸代表時(shí)間，因此可以提供全局視覺效果。圖中用顏色指示信號(hào)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(hào)旁邊還有一個(gè)采用跳頻技術(shù)的藍(lán)牙信號(hào)。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(gè)時(shí)間點(diǎn)上時(shí)，WLAN鏈路是正常工作的。WLAN信號(hào)的頻譜以及星座圖都表示信號(hào)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(dòng)。在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，藍(lán)牙信號(hào)正好跳躍到WLAN信號(hào)的頂上。在WLAN信號(hào)的頻譜中表現(xiàn)為一個(gè)信號(hào)尖峰。這個(gè)藍(lán)牙信號(hào)會(huì)干擾有用的WLAN信號(hào)，以致于WLAN信號(hào)無法被正確解碼。從對(duì)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(hào)丟失、甚至藍(lán)牙信號(hào)丟失的現(xiàn)象。

如上例所示，代表整個(gè)時(shí)間段平均值的簡(jiǎn)單頻譜圖無法完全描述目前的RF信號(hào)環(huán)境。需要足夠的時(shí)間刻度才能準(zhǔn)確描述信號(hào)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)試、測(cè)量和檢查寬帶、動(dòng)態(tài)RF信號(hào)的優(yōu)秀儀器。它能從與時(shí)間相關(guān)的角度觀察頻域、時(shí)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(hào)，完成信號(hào)的特征化描述，并快速解決問題。

當(dāng)今復(fù)雜的RF信號(hào)和RTSA對(duì)RF頻譜監(jiān)視、干擾跟蹤、信號(hào)特征化和EMI診斷具有重要的意義。它們能夠簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)RF設(shè)備的特征刻畫、查錯(cuò)和調(diào)試，并有助于確保在設(shè)計(jì)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(chǎng)，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(shí)間分析將被證明是實(shí)時(shí)頻譜分析儀的一大強(qiáng)項(xiàng)。