信號完整性分析：無線信號(三)掃描頻譜分析儀

《信號完整性 - 工程師的同伴》一書的第10章討論了在現(xiàn)代無線環(huán)境中的無線信號測量和可能有些激進(jìn)的信號分析的新技術(shù)。第二部分覆蓋了頻率測量。

掃描頻譜分析儀

傳統(tǒng)架構(gòu)的掃描式、超外差頻譜分析儀在幾十年前讓工程師們首次能夠?qū)︻l域進(jìn)行測量。曾經(jīng)的掃描頻譜分析儀(SA)采用純粹的模擬器件打早，并迅速取得了成就。目前的新一代掃描頻譜分析儀采用了高性能的數(shù)字基礎(chǔ)架構(gòu)，包括ADC，數(shù)字信號處理器(DSP)，和微控制器。然而，掃描原理的基礎(chǔ)是相同的，而且該儀器保持了其作為基礎(chǔ)的RF信號測量工具的地位。新一代SA的突出優(yōu)點(diǎn)是具備優(yōu)秀的動態(tài)范圍，因此能捕獲和探測一個(gè)寬范圍的RF信號。

通過將信號需要的頻點(diǎn)進(jìn)行下變頻并通過RBW濾波器在帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，功率-頻率的測量就可以實(shí)現(xiàn)了。RBW濾波器后面跟一個(gè)檢波器用于計(jì)算通帶內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)的幅度值，如圖10-3所示。

圖10-3

圖10-3顯示了頻率分辨率和時(shí)間之間平衡的測試。本地振蕩器提供一個(gè)“掃描”的頻率到混頻器，每次掃描在混頻器輸出提供一個(gè)不同的頻率和其對應(yīng)的數(shù)值。分辨率濾波器被設(shè)定在一個(gè)用戶可選的頻率范圍，也就是分辨率帶寬(RBW)。濾波器帶寬越窄，測量儀器的分辨率就越高，對儀器噪聲的排除也越好。RBW濾波器的后面跟上一個(gè)檢測器，來測量瞬時(shí)每個(gè)頻率數(shù)值的頻率功率大小。因?yàn)檫@種方法可以提供較高的動態(tài)范圍，它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以計(jì)算某個(gè)時(shí)間點(diǎn)一個(gè)頻點(diǎn)的幅度值。如果RBW濾波器被設(shè)計(jì)得太窄，對RF輸入完成一次掃描時(shí)間會花費(fèi)較長，從而輸入的RF信號的一些變化就探測不出來。在一段頻域或幾個(gè)通帶內(nèi)掃描會花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間，該測試技術(shù)的前提是假設(shè)在進(jìn)行多次掃描的這段測試時(shí)間內(nèi)信號不會有顯著的變化，因此，一個(gè)相對穩(wěn)定的、不變的輸入信號是必須的。如果信號頻繁的改變，也許就得不出結(jié)果。

比如說，圖10-4的左面的圖顯示了一個(gè)RBW邏輯分析儀測試的結(jié)果，頻率最開始是Fa，而在一瞬間頻率變成了Fb。當(dāng)掃描到達(dá)Fb時(shí)，信號已經(jīng)消失且測不到了，所以RBW頻譜分析儀的掃描沒法在Fb時(shí)提供觸發(fā)，因而沒能存儲一個(gè)時(shí)間段內(nèi)全面的信號情況。這是一個(gè)頻率分辨率和測試時(shí)間之間平衡的經(jīng)典的例子，也是RBW頻譜分析儀的致命弱點(diǎn)(Achilles' heel)。

圖10-4

然而，最新的掃描頻譜分析儀比以往傳統(tǒng)的基于模擬處理的設(shè)備要快的多，圖10-5顯示了一款現(xiàn)代的優(yōu)秀掃描頻譜分析儀的架構(gòu)。傳統(tǒng)模擬RBW濾波器得到了數(shù)字增強(qiáng)，以促進(jìn)快速和精確的窄帶濾波。然而，ADC之前的濾波器、混頻器和放大器都是進(jìn)行模擬處理，特別是，需要考慮ADC中的非線性和噪聲。因此模擬頻譜分析儀還有一席之地，它可以避免上述問題。

圖10-5

Geoff Lawday博士是泰克公司在英國Buckinghamshire New University的教授，他在泰克實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信號完整性設(shè)計(jì)和高性能總線系統(tǒng)的教學(xué)，并在歐洲負(fù)責(zé)泰克公司信號完整性的研討會。

David Ireland是泰克公司在歐洲和亞洲的設(shè)計(jì)和制造市場經(jīng)理，在測試測量領(lǐng)域有超過30年的工作經(jīng)驗(yàn)，在領(lǐng)先的技術(shù)期刊上定期發(fā)表信號完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解決方案部的高級工程師，曾參與十個(gè)高性能計(jì)算平臺的開發(fā)和測試，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一書。