優(yōu)質信號源對微波與射頻設備的重要性

概述

在無線通信領域，通信信號的發(fā)展方向是數字化。這一趨勢主要是因為與模擬信號相比，數字信號有很好的頻譜效率。為了滿足日益苛刻的對信號中心頻率、譜密度和頻譜寬度的用戶需求，對通信設備的要求越來越復雜和苛刻。

然而，有些正準備投入應用的測試產品必須明確地符合市場標準，這些標準要求對組件進行完整地描述，大多數情況這些測試產品之間都是存在差異的，為通信設備生產專用測試產品的成本很昂貴并且難以實現。

在這里，任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generators)和函數發(fā)生器(Function Generators)可以克服以上困難，提供從未有過的靈活性，為工程師提供一臺可測試多樣化通信設備的強有力的儀器，加快測試進度，縮短上市時間。

在本文中，將會以Active Technologies 最新的高級任意波形發(fā)生器/函數發(fā)生器為例，講解現今優(yōu)質信號源為滿足激勵多樣化通信電子設備進而觀察響應并驗證設備行為或者查找錯誤的要求創(chuàng)建生成多樣化信號的能力。

需要特別注意現代信號處理與傳輸模式，比如基帶、中心頻率、射頻和超寬頻等，例如擴展頻譜是WiFi和WiMAX收發(fā)器的基礎特性。優(yōu)質信號源應能夠應對生產挑戰(zhàn)，例如多樣化的復雜性和快速信號，應能夠成為每個測試工具箱的核心。

微波數據收發(fā)

電磁場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，這些噪聲會扭曲在環(huán)境中傳輸的信號波形，導致通信信號攜帶的信息丟失。

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

這些調制波形非常復雜，所以使用一臺測試儀器完成波形的創(chuàng)建生成是一巨大挑戰(zhàn)，生產用于專用微波設備的測試儀器會增加成本和延長上市時間。

近年，一種新穎的測試儀器在此領域占據了一席之地，那就是任意波形發(fā)生器(AWG)和函數發(fā)生器(AFG)。它們的主要能力是可以通過直接合成技術創(chuàng)建生成大量波形，或者使用內存儲存每個樣本值然后按照選擇的時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用工具構建這些樣本值。

為什么數字調制優(yōu)于模擬調制?

模擬調制在過去被廣泛使用，例如幅度、頻率和相位調制(AM、FM、PM)。因為模擬調制和解調技術非常簡單并且廉價(比如AM，可以簡單地使用二極管、電容和電阻電路解調)。

對攜帶信息的載波信號(通常載波頻率高于調制波)的幅度、頻率或相位分別進行簡單地調制，然后進行傳輸。

然而，因為在傳輸的信號中沒有進行編碼，所以實現高信噪比(SNR)的方法是增大發(fā)射功率、在更寬的帶寬上進行調制、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，因為增加功率帶來的更大的難題是電子電路的復雜性，電路規(guī)模會更大并且需要冷卻降溫。

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

這些原因和數字設備的快速發(fā)展證明了一個事實，當今設計生產數字電路的成本降低了。數字調制技術的出現，使更高的信噪比、頻譜效率和多路傳輸為了可能(比如CDMA)。

現在的信號源儀器有能力生成一系列波形，包括調制波和載波，并且可以添加環(huán)境噪聲，編碼等，節(jié)省了大量研發(fā)經費和時間。

數字調制

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據流。需要使用包含真實有用信息的調制波(相對載波而言頻率較低)對載波(一般為射頻或微波)進行調制。

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

OOK調制

為了更好地理解數字調制，下面舉個例子：開關鍵控(On-Off Keying ,OOK)調制，一種簡單的二進制幅移鍵控調制(2-ASK)，是包含兩符號(symbols)(例如“0”或“1”)的數字幅度調制，所以類似于對載波進行“開”和“關”控制。已調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(symbols)也可以表示頻率或相位，當表示頻率時稱為二進制頻移鍵控調制(2-FSK)，當表示相位時稱為二進制相移鍵控(2-PSK或BPSK)。

用于編碼的符號(symbols)數量影響通信的能量效率(多少有效信號被接收器正確地解碼)和頻譜效率(為實現指定比特率的帶寬寬度)。但是前者越高，后者就會越低，所以要權衡兩者。接收器以較低的信噪比捕獲和正確讀信號的能力在逐漸提升，所以可減少能量效率以支持更大的頻譜效率。正因為如此，被傳輸的波形的復雜度越來越高，只有快速靈活的信號源儀器能生成高比特率信號。

另一種在現代通信系統中占據一席之地的調制方法是一種特殊的幅度調制，叫做正交幅度調制(QAM)。這中調制方法的具體操作是，將兩個參數相同但只不同相的信號相混合，所以也稱為I/Q調制，因為其中一個信號正交另一個信號，“I”通道是余弦信號，“Q”通道是正弦信號。

為了使用相干解調以更好的接收信號和使TX / RX同步，不僅振幅，頻率和相位也可以進行正交調制。

I/Q 發(fā)射器

I/Q 接收器

被廣泛使用的I/Q調制是正交相移鍵控(QPSK)，這種調制方法有很好的頻譜和能量效率。在現代通信系統中，高復雜度的波形隨處可見。QPSK技術使頻譜帶寬得到了充分利用。因為如果信噪比足夠，那么為了獲得較高的數據速率可以不占用所有可用的頻譜帶寬 。

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

為了更好地滿足日益苛刻的傳輸需求，一些通信系統除了頻分多址和時分多址(分別為FDMA和TDMA)也使用碼分多址(CDMA)技術，編碼范圍可以覆蓋更長的符號(symbols)序列。同時，要求更高的帶寬和更快的調制解調速度(事實上，CDMA使用16符號(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)。

還需要注意的是數字信號的碼型對通信系統最終的性能具有重要意義。因為最后的信號頻譜是碼型的傅里葉變換，若使用近似矩形(通常代表一個bit，不可能精確到無限接近純矩形，因為那需要無限帶寬)，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α表示，與最終信號的帶寬成比例，但是也會超過和改變原始符號(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)建一個信號波形會帶來很多復雜的操作，若想測試所有的通信設備那么必須有一臺完全定制的信號源儀器。

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(TX)：Arb Rider AWG-4022 and AT-AWG-GS

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

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

使用AWG生成IF信號(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，時鐘信號為10、20或50GHz，高時鐘速率使信號源設備能夠支持超寬頻、可靠地抗多路徑干擾，所以在保持ADC高分辨率的同時可以在室內環(huán)境很好地運行工作，并且可以以較高的時間精度進行過采樣。

使用AWG生成RF信號(TX)：Arb Rider AWG-4022

使用AWG生成RF信號(RX)：Arb Rider AWG-4022

常見的數字調制實現

在近年的數字革命的推動下，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，使用數字采樣和濾波(像FIR和IIR，有限和無限響應濾波器)構建無線電設備。現今，這些技術被應用在各種各樣的領域中。

除了之前提及的WLAN(原被稱為802.11)和藍牙(用于無線PAN，屬于802.15 IEEE標準)，要特別注意大城市的網絡，比如移動電話通信，它依賴于數字調制，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)到像使用CDMA和SSS正交相位和幅度調制的HSDPA和LTE這樣的現代實現。

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

這些調制技術的另一主要應用是國防，不僅用于通信(像TETRA，警察、消防和軍隊的專用通信標準)，而且還用于點對點加密和多路半雙工傳輸，使用一種特殊類型的差分正交PSK調制(pi/4)，星座圖不是正交的而是45°延時。

在無線電探測和定位(RADAR)領域，數字調制被用于提高信號覆蓋范圍和精確度(將會在下期文章中討論)。

下面是上文舉例使用的AWG主要參數：