優(yōu)質(zhì)信號(hào)源對(duì)微波與射頻設(shè)備的重要性

概述

在無線通信領(lǐng)域，通信信號(hào)的發(fā)展方向是數(shù)字化。這一趨勢(shì)主要是因?yàn)榕c模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)有很好的頻譜效率。為了滿足日益苛刻的對(duì)信號(hào)中心頻率、譜密度和頻譜寬度的用戶需求，對(duì)通信設(shè)備的要求越來越復(fù)雜和苛刻。

然而，有些正準(zhǔn)備投入應(yīng)用的測(cè)試產(chǎn)品必須明確地符合市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)組件進(jìn)行完整地描述，大多數(shù)情況這些測(cè)試產(chǎn)品之間都是存在差異的，為通信設(shè)備生產(chǎn)專用測(cè)試產(chǎn)品的成本很昂貴并且難以實(shí)現(xiàn)。

在這里，任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generators)和函數(shù)發(fā)生器(Function Generators)可以克服以上困難，提供從未有過的靈活性，為工程師提供一臺(tái)可測(cè)試多樣化通信設(shè)備的強(qiáng)有力的儀器，加快測(cè)試進(jìn)度，縮短上市時(shí)間。

在本文中，將會(huì)以Active Technologies 最新的高級(jí)任意波形發(fā)生器/函數(shù)發(fā)生器為例，講解現(xiàn)今優(yōu)質(zhì)信號(hào)源為滿足激勵(lì)多樣化通信電子設(shè)備進(jìn)而觀察響應(yīng)并驗(yàn)證設(shè)備行為或者查找錯(cuò)誤的要求創(chuàng)建生成多樣化信號(hào)的能力。

需要特別注意現(xiàn)代信號(hào)處理與傳輸模式，比如基帶、中心頻率、射頻和超寬頻等，例如擴(kuò)展頻譜是WiFi和WiMAX收發(fā)器的基礎(chǔ)特性。優(yōu)質(zhì)信號(hào)源應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)生產(chǎn)挑戰(zhàn)，例如多樣化的復(fù)雜性和快速信號(hào)，應(yīng)能夠成為每個(gè)測(cè)試工具箱的核心。

微波數(shù)據(jù)收發(fā)

電磁場(chǎng)可以通過天線到天線傳播并且攜帶信息，不使用線纜發(fā)射和接收信息。然而，環(huán)境中存在很多噪聲，這些噪聲會(huì)扭曲在環(huán)境中傳輸?shù)男盘?hào)波形，導(dǎo)致通信信號(hào)攜帶的信息丟失。

影響微波通信的因素很多，比如信號(hào)衰減、失真、通道間串?dāng)_，尤其是在室內(nèi)環(huán)境或者樓棟密集的城市中多路徑衰減貫穿整個(gè)傳輸帶寬。為了解決這些問題，很多解決方案引入了調(diào)制技術(shù)，例如擴(kuò)展頻譜和高速率數(shù)字調(diào)制。

這些調(diào)制波形非常復(fù)雜，所以使用一臺(tái)測(cè)試儀器完成波形的創(chuàng)建生成是一巨大挑戰(zhàn)，生產(chǎn)用于專用微波設(shè)備的測(cè)試儀器會(huì)增加成本和延長(zhǎng)上市時(shí)間。

近年，一種新穎的測(cè)試儀器在此領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，那就是任意波形發(fā)生器(AWG)和函數(shù)發(fā)生器(AFG)。它們的主要能力是可以通過直接合成技術(shù)創(chuàng)建生成大量波形，或者使用內(nèi)存儲(chǔ)存每個(gè)樣本值然后按照選擇的時(shí)鐘速率再生這些樣本值，可以使用采樣儀器創(chuàng)建這些樣本值或者直接使用專用的應(yīng)用工具構(gòu)建這些樣本值。

為什么數(shù)字調(diào)制優(yōu)于模擬調(diào)制?

模擬調(diào)制在過去被廣泛使用，例如幅度、頻率和相位調(diào)制(AM、FM、PM)。因?yàn)槟M調(diào)制和解調(diào)技術(shù)非常簡(jiǎn)單并且廉價(jià)(比如AM，可以簡(jiǎn)單地使用二極管、電容和電阻電路解調(diào))。

對(duì)攜帶信息的載波信號(hào)(通常載波頻率高于調(diào)制波)的幅度、頻率或相位分別進(jìn)行簡(jiǎn)單地調(diào)制，然后進(jìn)行傳輸。

然而，因?yàn)樵趥鬏數(shù)男盘?hào)中沒有進(jìn)行編碼，所以實(shí)現(xiàn)高信噪比(SNR)的方法是增大發(fā)射功率、在更寬的帶寬上進(jìn)行調(diào)制、使用高方向性和大尺寸天線。然而這些方法都存在一些缺陷，增加傳輸功率不總是可行的，因?yàn)樵黾庸β蕩淼母蟮碾y題是電子電路的復(fù)雜性，電路規(guī)模會(huì)更大并且需要冷卻降溫。

為了配置更多的射頻鏈路應(yīng)用，需要更多數(shù)量的通道，一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)則分配了可以使用的最大帶寬。最后一點(diǎn)，大尺寸天線需要更多的結(jié)構(gòu)以保證天線本身的固定(通常與地面保持較高高度)，并且不允許在每個(gè)方向上以同一功率廣播信號(hào)。

這些原因和數(shù)字設(shè)備的快速發(fā)展證明了一個(gè)事實(shí)，當(dāng)今設(shè)計(jì)生產(chǎn)數(shù)字電路的成本降低了。數(shù)字調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，使更高的信噪比、頻譜效率和多路傳輸為了可能(比如CDMA)。

現(xiàn)在的信號(hào)源儀器有能力生成一系列波形，包括調(diào)制波和載波，并且可以添加環(huán)境噪聲，編碼等，節(jié)省了大量研發(fā)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。

數(shù)字調(diào)制

使用無線電傳輸信息，需要分解公共通信媒介以允許不同的非相干數(shù)據(jù)流。需要使用包含真實(shí)有用信息的調(diào)制波(相對(duì)載波而言頻率較低)對(duì)載波(一般為射頻或微波)進(jìn)行調(diào)制。

載波和調(diào)制波可以是模擬或數(shù)字信號(hào)，大多數(shù)情況下為模擬信號(hào)。但是現(xiàn)今數(shù)字調(diào)制也很常見，使用一或多個(gè)符號(hào)(symbols)改變載波參數(shù)(幅度、相位或頻率)。

OOK調(diào)制

為了更好地理解數(shù)字調(diào)制，下面舉個(gè)例子：開關(guān)鍵控(On-Off Keying ,OOK)調(diào)制，一種簡(jiǎn)單的二進(jìn)制幅移鍵控調(diào)制(2-ASK)，是包含兩符號(hào)(symbols)(例如“0”或“1”)的數(shù)字幅度調(diào)制，所以類似于對(duì)載波進(jìn)行“開”和“關(guān)”控制。已調(diào)制波形中載波幅值有效部分被編碼為“1”，載波幅值無效部分被編碼為“0”。符號(hào)(symbols)也可以表示頻率或相位，當(dāng)表示頻率時(shí)稱為二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制(2-FSK)，當(dāng)表示相位時(shí)稱為二進(jìn)制相移鍵控(2-PSK或BPSK)。

用于編碼的符號(hào)(symbols)數(shù)量影響通信的能量效率(多少有效信號(hào)被接收器正確地解碼)和頻譜效率(為實(shí)現(xiàn)指定比特率的帶寬寬度)。但是前者越高，后者就會(huì)越低，所以要權(quán)衡兩者。接收器以較低的信噪比捕獲和正確讀信號(hào)的能力在逐漸提升，所以可減少能量效率以支持更大的頻譜效率。正因?yàn)槿绱?，被傳輸?shù)牟ㄐ蔚膹?fù)雜度越來越高，只有快速靈活的信號(hào)源儀器能生成高比特率信號(hào)。

另一種在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)一席之地的調(diào)制方法是一種特殊的幅度調(diào)制，叫做正交幅度調(diào)制(QAM)。這中調(diào)制方法的具體操作是，將兩個(gè)參數(shù)相同但只不同相的信號(hào)相混合，所以也稱為I/Q調(diào)制，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)信號(hào)正交另一個(gè)信號(hào)，“I”通道是余弦信號(hào)，“Q”通道是正弦信號(hào)。

為了使用相干解調(diào)以更好的接收信號(hào)和使TX / RX同步，不僅振幅，頻率和相位也可以進(jìn)行正交調(diào)制。

I/Q 發(fā)射器

I/Q 接收器

被廣泛使用的I/Q調(diào)制是正交相移鍵控(QPSK)，這種調(diào)制方法有很好的頻譜和能量效率。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，高復(fù)雜度的波形隨處可見。QPSK技術(shù)使頻譜帶寬得到了充分利用。因?yàn)槿绻旁氡茸銐?，那么為了獲得較高的數(shù)據(jù)速率可以不占用所有可用的頻譜帶寬 。

其他的系統(tǒng)，例如藍(lán)牙技術(shù)、已經(jīng)提及過的WLAN，通信信號(hào)可以從載波頻率跳躍到其他頻率以擴(kuò)展頻譜，降低單頻段發(fā)射功率(無線設(shè)備的有效輻射能量是受限制的，所以將相同的能量擴(kuò)展到更寬的頻域可以減少平均發(fā)射功率并且不會(huì)降低信噪比)。

為了更好地滿足日益苛刻的傳輸需求，一些通信系統(tǒng)除了頻分多址和時(shí)分多址(分別為FDMA和TDMA)也使用碼分多址(CDMA)技術(shù)，編碼范圍可以覆蓋更長(zhǎng)的符號(hào)(symbols)序列。同時(shí)，要求更高的帶寬和更快的調(diào)制解調(diào)速度(事實(shí)上，CDMA使用16符號(hào)(symbols)編碼，為了保持相同的有效比特率，相比不使用CDMA需要16倍的帶寬)。

還需要注意的是數(shù)字信號(hào)的碼型對(duì)通信系統(tǒng)最終的性能具有重要意義。因?yàn)樽詈蟮男盘?hào)頻譜是碼型的傅里葉變換，若使用近似矩形(通常代表一個(gè)bit，不可能精確到無限接近純矩形，因?yàn)槟切枰獰o限帶寬)，頻譜看起來更像是同步。在更寬的帶寬上傳輸能量并且會(huì)影響頻率相近的通道。

廣泛使用的濾波方法是升余弦，輪廓看起來像是平滑的矩形。平滑因子用參數(shù)α表示，與最終信號(hào)的帶寬成比例，但是也會(huì)超過和改變?cè)挤?hào)(symbols)的星座圖。

從以上的討論可以得知，考慮頻譜和功率的前提下創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)波形會(huì)帶來很多復(fù)雜的操作，若想測(cè)試所有的通信設(shè)備那么必須有一臺(tái)完全定制的信號(hào)源儀器。

然而，若使用任意波形發(fā)生器(AWG)，那么生成任意波形的信號(hào)就不是不可能的了，任意波形發(fā)生器具有高帶寬(1GHz以上)和14位或16位高分辨率(垂直電壓精度為全量程的1/(2^14)或1/(2^16))。

使用AWG生成基帶信號(hào)(TX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成基帶信號(hào)(RX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成IF信號(hào)(TX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

使用AWG生成IF信號(hào)(RX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

市面上也有一系列其他配置的AWG，比如，時(shí)鐘信號(hào)為10、20或50GHz，高時(shí)鐘速率使信號(hào)源設(shè)備能夠支持超寬頻、可靠地抗多路徑干擾，所以在保持ADC高分辨率的同時(shí)可以在室內(nèi)環(huán)境很好地運(yùn)行工作，并且可以以較高的時(shí)間精度進(jìn)行過采樣。

使用AWG生成RF信號(hào)(TX)：Arb Rider AWG-4022

使用AWG生成RF信號(hào)(RX)：Arb Rider AWG-4022

常見的數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn)

在近年的數(shù)字革命的推動(dòng)下，并得益于DSP和FPGA成本的降低，工程師開始發(fā)展軟件無線電，使用數(shù)字采樣和濾波(像FIR和IIR，有限和無限響應(yīng)濾波器)構(gòu)建無線電設(shè)備?，F(xiàn)今，這些技術(shù)被應(yīng)用在各種各樣的領(lǐng)域中。

除了之前提及的WLAN(原被稱為802.11)和藍(lán)牙(用于無線PAN，屬于802.15 IEEE標(biāo)準(zhǔn))，要特別注意大城市的網(wǎng)絡(luò)，比如移動(dòng)電話通信，它依賴于數(shù)字調(diào)制，從早期的版本，如GSM(例如GSM，G代表高斯，這意味著脈沖整形濾波器具有高斯譜響應(yīng))到像使用CDMA和SSS正交相位和幅度調(diào)制的HSDPA和LTE這樣的現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)。

在很多城市，電視和無線電OTA傳輸逐漸向數(shù)字調(diào)制方向發(fā)展，利用編碼技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提高抗噪能力，充分利用頻譜帶寬。典型代表是DVB(地面站和衛(wèi)星電視流使用的數(shù)字調(diào)制方式)和DAB(數(shù)字音頻廣播)。

這些調(diào)制技術(shù)的另一主要應(yīng)用是國(guó)防，不僅用于通信(像TETRA，警察、消防和軍隊(duì)的專用通信標(biāo)準(zhǔn))，而且還用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)加密和多路半雙工傳輸，使用一種特殊類型的差分正交PSK調(diào)制(pi/4)，星座圖不是正交的而是45°延時(shí)。

在無線電探測(cè)和定位(RADAR)領(lǐng)域，數(shù)字調(diào)制被用于提高信號(hào)覆蓋范圍和精確度(將會(huì)在下期文章中討論)。

下面是上文舉例使用的AWG主要參數(shù)：