實(shí)時(shí)頻譜分析儀RF視圖功能　應(yīng)對跳頻軟件無線電挑戰(zhàn)

圖1　跳頻信號被大量的干擾塞住

須在常有惡意信號干擾的關(guān)鍵任務(wù)環(huán)境中執(zhí)行的軍用無線電，會經(jīng)常采用SDR技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用的機(jī)體大小可能相差懸殊，從輕巧的可攜式機(jī)組，到安裝在車輛和船舶上的平臺，許多的商業(yè)應(yīng)用如無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)和3G手機(jī)通信，近來也都表明采用了許多原本用于國防電子產(chǎn)業(yè)的SDR技術(shù)。盡管SDR的應(yīng)用和機(jī)體大小差異極大，但其都擁有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即跳頻。跳頻可適用于模擬和數(shù)字無線電中，用來改善性能、避免被偵測，并減輕擁塞和干擾，如多重路徑和衰減。

跳頻會搭配編碼方式使用，編碼方式能夠改善從干擾和衰減中還原的能力、將信息散布到廣泛的頻率范圍中，讓系統(tǒng)更加健全。如果某個(gè)頻率擁塞，系統(tǒng)只會損失以該頻率發(fā)射的信息，而非整個(gè)數(shù)據(jù)串。在這些情況下，可以使用交錯(cuò)和前向錯(cuò)誤修正(FEC)以還原跳頻受干擾時(shí)損失的資料。

雖然跳頻已被證明能改善無線電通信的方法，但目前仍持續(xù)發(fā)展中，信號跳頻的速度越快，就越不會遇到偵測、干擾或擁塞。因此，雖然跳頻不是新技術(shù)，設(shè)計(jì)人員還是不斷致力于提高現(xiàn)代無線電中跳頻的速度，以期進(jìn)一步改善和強(qiáng)化性能，然而這些努力帶來可觀的設(shè)計(jì)與測試挑戰(zhàn)。跳頻信號和干擾源是在極端復(fù)雜、隨時(shí)間變化的頻譜下運(yùn)作(圖2)，這些不穩(wěn)定的信號行為，可能會使信號很難獲取、驗(yàn)證和測量，為了在快速跳頻技術(shù)使用量漸增的現(xiàn)代無線電中，有效地進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試，即需要新的工具和方法。

圖2　左側(cè)顯示用戶定義的頻罩觸發(fā)，右側(cè)頻譜圖則顯示獲取到的跳頻信號。

在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)架構(gòu)和頻率合成器時(shí)，跳頻速度的加快帶來許多挑戰(zhàn)。現(xiàn)在無線電是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，而且控制軟件、數(shù)字信號處理器(DSP)和系統(tǒng)組件都必須搭配運(yùn)作，以確保最佳的性能。由于軟件會活躍地改變SDR操作參數(shù)，因此有無數(shù)種可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的硬件/軟件組合。另外，調(diào)變和過濾瞬時(shí)、失真、非線性功率效應(yīng)、脈沖偏差、頻率微調(diào)和平復(fù)、電源供應(yīng)器耦合、數(shù)字至RF的耦合以及與軟件相關(guān)的相位錯(cuò)誤，也都很常見。

設(shè)計(jì)快速頻率合成器同樣展現(xiàn)巨大的挑戰(zhàn)，如美國軍隊(duì)部署的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息發(fā)布系統(tǒng)(JTIDS)，能夠在L頻TDMA網(wǎng)絡(luò)中以每秒38,461.5次跳頻的速度運(yùn)作，這代表頻率合成器必須在不到26微秒的時(shí)間內(nèi)，從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率、穩(wěn)定下來，然后進(jìn)行通信，系統(tǒng)瞬時(shí)響應(yīng)必須在短短的幾百納秒內(nèi)平復(fù)，才能零誤差地進(jìn)行通信。

跳頻載波的頻率平復(fù)影響到調(diào)變質(zhì)量，是發(fā)射器質(zhì)量不佳和系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率低落的主要原因之一。以前設(shè)計(jì)人員可以使用傳統(tǒng)的測試設(shè)備，為位于向量信號分析儀中心頻率的固定載波進(jìn)行解調(diào)變，但傳統(tǒng)的測試設(shè)備無法解調(diào)變今日的寬帶跳頻信號，由于這些信號會在作業(yè)頻帶上跳躍，因此需偏離中心頻率的分析，以確保最佳的調(diào)變質(zhì)量。而通過DSP產(chǎn)生動態(tài)RF波形以及數(shù)字RF電路(通常位于相同的集成電路)的整合，同樣產(chǎn)生傳統(tǒng)RF收發(fā)器設(shè)計(jì)所沒發(fā)現(xiàn)的問題，舉例而言，這些問題包括瞬時(shí)調(diào)變、放大器的非線性效應(yīng)以及數(shù)字至RF的串音。

SDR發(fā)射器的性能須通過比傳統(tǒng)RF發(fā)射器兼容性測試更高標(biāo)準(zhǔn)的測量驗(yàn)證。僅通過測試還無法保證裝置運(yùn)作正常，另外還必須小心、徹底地觀察系統(tǒng)行為，因?yàn)檐浖粩嘧兏到y(tǒng)參數(shù)，想要真正迎向這些挑戰(zhàn)，SDR設(shè)計(jì)人員必須完整分析和了解其系統(tǒng)的特性。

探索真正的系統(tǒng)行為對找出潛在的RF頻譜異常非常重要。由于系統(tǒng)參數(shù)會隨著時(shí)間改變，要立即精確找出發(fā)生的瞬時(shí)事件，必須執(zhí)行頻率選擇性觸發(fā)，而要判斷每個(gè)問題的特定原因，則須在多域中運(yùn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)分析。能夠?qū)⒄麄€(gè)事件無縫地獲取至內(nèi)存中，對后續(xù)分析來說非常寶貴，這是因?yàn)樗矔r(shí)發(fā)生的條件可能很難重現(xiàn)，這些隨時(shí)間而改變之驗(yàn)證信號性能的進(jìn)階疑難排除方法，加上在穩(wěn)定狀態(tài)條件下執(zhí)行的傳統(tǒng)兼容性測試，在全面性SDR測試中不可或缺。

利用SDR驗(yàn)證性能和在系統(tǒng)層上進(jìn)行疑難排除

開發(fā)獲得驗(yàn)證的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)定，對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的成功極為重要，經(jīng)過測試和驗(yàn)證的無線基站越多，系統(tǒng)整合的最后階段中出現(xiàn)問題的機(jī)率就越低，另外，要在開發(fā)和整合周期中越后面的階段處理這些問題，解決問題時(shí)花費(fèi)的代價(jià)就越高昂。系統(tǒng)故障的部分主要原因?yàn)镈SP、RF電路和控制軟件，驗(yàn)證除錯(cuò)工具能夠?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供很大的幫助，使其有效地發(fā)現(xiàn)問題。

一旦找出錯(cuò)誤，就須予以隔離和了解。為隔離問題和判定其根源，回溯信號路徑以建立時(shí)間關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤非常重要，由于在SDR設(shè)計(jì)中信號信息的形式會改變，即從數(shù)字位變成連續(xù)變量的模擬電壓，因此可能需要幾件測試設(shè)備以診斷確切的問題來源。既然問題可能發(fā)生在信號路徑中的任何一點(diǎn)，而且示波器和邏輯分析儀的內(nèi)存容量有限，所以同時(shí)觸發(fā)多個(gè)測試儀器并獲取事件發(fā)生瞬間的能力，就顯得極為重要。要做到這一點(diǎn)，每一臺儀器都必須能在其領(lǐng)域中進(jìn)行觸發(fā)，如邏輯分析儀進(jìn)行數(shù)字觸發(fā)、示波器進(jìn)行時(shí)域振幅觸發(fā)、頻譜分析儀則進(jìn)行頻域觸發(fā)等。

包含實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)、任意波形發(fā)生器(AWG)、示波器和邏輯分析儀的整合點(diǎn)對點(diǎn)測試系統(tǒng)皆是理想的SDR測試工具。由測試與測量廠商挑選出的儀器，能利用交互觸發(fā)和時(shí)間關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)視圖一致地運(yùn)作，以驗(yàn)證SDR性能，并在物理層和各種軟件層執(zhí)行多個(gè)測試程序，這些測試系統(tǒng)也可以用來了解頻域和時(shí)域中SDR子系統(tǒng)之間的復(fù)雜互動，特別是突波信號(Burst)或跳頻的信號。

進(jìn)行過濾和放大時(shí)，軟件異?？赡軙赗F輸出上造成暫時(shí)的RF能量脈沖。為了隔離軟件和硬件性能，可以使用RTSA對頻域中的瞬時(shí)進(jìn)行觸發(fā)、將事件獲取到內(nèi)存中，并驅(qū)動其他測試儀器以探測可能的錯(cuò)誤來源。獲取到的信號會以時(shí)間關(guān)聯(lián)的方式表示，協(xié)助設(shè)計(jì)人員了解SDR的數(shù)字與模擬區(qū)塊中的異常，如何以脈沖噪聲的方式傳播至RF輸出。

這些RTSA從頻譜瞬時(shí)中找出問題的獨(dú)特能力，可用來觸發(fā)其他儀器，并取得差異極大之硬件與軟件功能實(shí)作的時(shí)間關(guān)聯(lián)視圖，如RTSA可在信號路徑的RF和中頻(IF)部分獲取信號，而邏輯分析儀可以獲取數(shù)字基帶信號，并將其與RTSA產(chǎn)生的符號表(Symbol Table)互相比較，不僅如此，某些RTSA還提供脫機(jī)軟件，可用來分析從邏輯分析儀和示波器獲得的數(shù)據(jù)，以進(jìn)行硬件和軟件的測量修正。

驗(yàn)證基帶IQ波形質(zhì)量相當(dāng)重要

驗(yàn)證基帶IQ波形質(zhì)量對于系統(tǒng)工程師和現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)設(shè)計(jì)人員都很重要。其可協(xié)助工程師測試基帶在開發(fā)的初期階段確認(rèn)其功能是否正常，因?yàn)樵S多和數(shù)字電路有關(guān)的問題都出現(xiàn)在FPGA設(shè)計(jì)中。

實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的基帶信號為差分信號(I+、I-、Q+和Q-)，并可能有DC偏移，以前能夠直接測試IQ信號的頻譜分析儀非常少，能測試帶有DC偏移之IQ信號的頻譜分析儀就更少，因此工程師不得不使用示波器搭配額外的軟件，以進(jìn)行后續(xù)分析。

選擇RTSA使工程師能使用差動輸入進(jìn)行基帶IQ測試，可在分析IQ、IF和RF信號時(shí)提供測量的一致性，使用RTSA測試IQ信號還可減少系統(tǒng)的復(fù)雜性、簡化測試程序，同時(shí)提供比一般用途儀器更高的動態(tài)范圍和更大的內(nèi)存深度。

現(xiàn)代的RTSA集基帶、RF和后續(xù)分析功能于一身，如RTSA能以14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，執(zhí)行DC基帶測量，確保測量的準(zhǔn)確性。其中有些還擁有差動IQ輸入功能，使工程師能將RTSA直接連接至基帶IQ信號，以進(jìn)行誤差向量振幅(EVM)分析，且毋需任何額外的差動探棒組。除了EVM，這些RTSA還提供橫跨多個(gè)領(lǐng)域的完全時(shí)間關(guān)聯(lián)測量，包括時(shí)域、頻域、調(diào)變域和星狀圖，這項(xiàng)功能在為跳頻SDR進(jìn)行疑難排除時(shí)極為重要。

Live RF頻譜視圖清楚呈現(xiàn)跳頻信號頻率狀態(tài)

頻率平復(fù)時(shí)間的定義為兩個(gè)跳頻頻率之間的時(shí)間長度，這是跳頻系統(tǒng)效率的主要來源之一，頻率平復(fù)時(shí)間越短，系統(tǒng)的跳頻速度就可以越快，測量頻率平復(fù)時(shí)間可以確保合成器在最佳狀況下運(yùn)作，并將整體的系統(tǒng)性能最大化。

傳統(tǒng)的頻率平復(fù)時(shí)間測量方式受限于儀器，而且非常耗時(shí)，工程師必須依靠示波器和頻率鑒別器進(jìn)行測試，且只會顯示信號包絡(luò)和約略的信號穩(wěn)定性。雖然示波器擁有極佳的時(shí)序分辨率，但是使用其測量細(xì)微的頻率變化可能是一大挑戰(zhàn)(視測量所需的頻率分辨率而定)，示波器無法自動測量跳頻的頻率，也只能估計(jì)頻率平復(fù)時(shí)間。

新開發(fā)的RTSA提供自動化的頻率平復(fù)時(shí)間測量，工程師只要設(shè)定頻率平復(fù)臨界值和平滑系數(shù)等參數(shù)，就可以迅速準(zhǔn)確地測量跳頻信號的頻率平復(fù)時(shí)間，也可以看到跳頻時(shí)的頻譜變化。除跨越多個(gè)領(lǐng)域的時(shí)間關(guān)聯(lián)測量，有些RTSA還能夠產(chǎn)生頻譜的Live RF視圖(圖3)，并提供頻罩觸發(fā)(FMT)，這些獨(dú)特的功能更有效地簡化了跳頻信號的疑難排除，使測量變得輕松(圖4)。

圖3　RTSA的數(shù)字熒光顯示器和頻罩觸發(fā)有助于迅速辨識、獲取和疑難排除跳頻信號。

圖4　利用頻譜圖(左上)、頻率對振幅(右上)、信號調(diào)變質(zhì)量(左下)和星狀圖(右下)視圖，為獲取到的偏離中心跳頻信號進(jìn)行解調(diào)變。

一旦辨識出突波或瞬時(shí)，并使用實(shí)時(shí)的視圖將其定義為頻域事件，F(xiàn)MT就能可靠地將信號獲取到內(nèi)存中，進(jìn)行深入的后處理分析。頻罩由使用者定義，可加以繪制以獲取最佳的信號，如若跳頻不常發(fā)生，使用者能定義波罩，使其在頻率偏差而非功率位準(zhǔn)改變的狀況下進(jìn)行觸發(fā)，頻率波罩已定義為此信號周圍的包絡(luò)線，儀器會在信號進(jìn)入頻率波罩區(qū)域時(shí)進(jìn)行觸發(fā)。Live RF頻譜視圖和頻率觸發(fā)的組合，提供設(shè)計(jì)人員在SDR和數(shù)字RF環(huán)境中，尋找和排除經(jīng)常遇見之問題的能力。

通過RTSA在獲取帶寬中解調(diào)變跳頻信號

要進(jìn)行橫跨整個(gè)帶寬的跳頻信號調(diào)變分析，儀器不但要能觸發(fā)和獲取動態(tài)RF信號，還要擁有載波追蹤向量分析的能力。傳統(tǒng)的向量信號分析儀(VSA)可提供中心頻率的向量分析，但對于偏離中心之信號的分析極為有限(即300kHz或以下)。大多數(shù)的向量分析儀，都缺乏在整個(gè)獲取帶寬中解調(diào)變跳頻信號的載波追蹤能力。

RTSA能在整個(gè)獲取帶寬中解調(diào)變跳頻信號，工程師毋須在任何偏離中心的頻率上猜測調(diào)變質(zhì)量，就能為其設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和除錯(cuò)，并可選擇解調(diào)變?nèi)魏潍@取到的跳頻信號，以詳細(xì)的調(diào)變質(zhì)量分析檢視多個(gè)領(lǐng)域的時(shí)間關(guān)聯(lián)測量。

跳頻技術(shù)盡管能改善SDR性能，卻也在設(shè)計(jì)和測試上帶來傳統(tǒng)測試儀器無法處理的空前挑戰(zhàn)，這些無線電需要嶄新、彈性、整合的方式，以驗(yàn)證SDR子系統(tǒng)和系統(tǒng)。先進(jìn)的RTSA提供多個(gè)領(lǐng)域的時(shí)間關(guān)聯(lián)測量，以及檢視Live RF頻譜的能力，除此之外，還可提供頻罩觸發(fā)、基帶IQ測量，和偏離中心的跳頻解調(diào)變。這些功能可讓工程師更簡單地測試與分析時(shí)下數(shù)字RF世界中經(jīng)?？梢姷奶l無線電，無論是實(shí)驗(yàn)室RF除錯(cuò)或是現(xiàn)場的系統(tǒng)評估，也無論單獨(dú)運(yùn)作或搭配其他的精密測試設(shè)備，RTSA都是現(xiàn)代無線電通信設(shè)計(jì)有效的測試解決方案。